Como Aumentar a Confiabilidade do Sistema de Medidores de Energia

Com o rápido desenvolvimento da indústria eletrônica, diversos instrumentos e medidores são amplamente utilizados no controle industrial e em todos os aspectos da vida social. Ao mesmo tempo, as exigências de confiabilidade dos instrumentos estão se tornando cada vez mais elevadas, e os medidores de energia não são exceção. As exigências de confiabilidade para medidores de energia são especificadas nos padrões técnicos de medidores inteligentes.

Esses padrões estipulam que a vida útil média dos medidores de energia deve ser de pelo menos dez anos, tornando o design de confiabilidade durante o processo de desenvolvimento particularmente importante. A probabilidade de concluir funções necessárias sob condições especificadas e dentro de um tempo determinado é chamada de Tempo Médio entre Falhas (MTBF), também conhecido como tempo médio de intervalo de falha. O MTBF é uma métrica comum para medir a confiabilidade. O objetivo do design de confiabilidade para medidores de energia é aumentar o MTBF do produto e garantir o funcionamento normal.

1. Design de Confiabilidade de Hardware

Design de Supressão de Interferência na Alimentação de Medidores de Energia

De acordo com a análise de dados estatísticos de engenharia, 70% das interferências nos sistemas de medidores de energia entram através da alimentação. Portanto, melhorar a qualidade da alimentação é de grande importância para o funcionamento confiável de todo o sistema. Como a energia do sistema geralmente é derivada da rede elétrica, o design anti-interferência da alimentação se concentra principalmente na filtragem na porta de entrada e na supressão de interferências transitórias.

2. Design de Aterramento de Medidores de Energia

O design do sistema de aterramento afeta diretamente a capacidade anti-interferência de todo o produto. Um bom design pode bloquear a interferência ambiental externa e suprimir efetivamente o ruído acoplado internamente. A consideração dos seguintes dois aspectos pode melhorar a confiabilidade do sistema: 

Terra Digital e Terra Analógica Devido às bordas agudas dos sinais digitais, as correntes nos circuitos digitais exibem mudanças pulsantes. Portanto, a terra analógica e a terra digital devem ser projetadas separadamente nos sistemas de medidores de energia, conectadas apenas em um único ponto. Os circuitos analógicos e digitais no circuito impresso devem ser conectados às suas respectivas "terras". Isso previne efetivamente a corrente pulsante da terra do circuito digital de se acoplar ao circuito analógico através da impedância da terra compartilhada, formando interferências transitórias. Quando existem sinais de alta frequência e grande amplitude no sistema, essa interferência se torna mais significativa.

Aterramento em Ponto Único e Múltiplos Pontos Em sistemas de baixa frequência, o aterramento geralmente combina o aterramento em ponto único paralelo com o aterramento em ponto único em série para melhorar o desempenho. O aterramento em ponto único paralelo refere-se à conexão de vários fios de terra de módulos juntos em um local, onde o potencial de terra de cada módulo está relacionado à sua própria corrente e resistência. Sua vantagem é a ausência de interferência de acoplamento da resistência do fio de terra comum; a desvantagem é o uso excessivo de fiação de terra.

O aterramento em ponto único em série significa que múltiplos módulos compartilham o mesmo segmento de fio de terra. Como a resistência equivalente do fio de terra cria quedas de tensão, os pontos de conexão de diferentes módulos têm potenciais variados em relação à terra. Mudanças de corrente em qualquer módulo afetam o potencial de terra, alterando a saída do circuito e causando interferência de acoplamento da resistência do fio de terra comum. Este método tem fiação simples. O aterramento em múltiplos pontos é comumente usado em sistemas de alta frequência, onde o fio de terra de cada módulo se conecta à barra de terra o mais próximo possível. Suas vantagens incluem fios de terra curtos, baixa impedância e eliminação do ruído de interferência causado pela impedância do fio de terra comum.

3. Design de Isolamento de Medidores de Energia

Um objetivo principal do design de isolamento é separar as fontes de ruído dos circuitos sensíveis. A característica do design de isolamento é que o medidor de energia mantém a comunicação de sinal com seu ambiente operacional sem interação elétrica direta. Os principais métodos de implementação incluem isolamento por transformador, isolamento óptico, isolamento por relé, amplificadores de isolamento e isolamento de layout. 

• Isolamento por Transformador Transformadores de pulso, com poucas espiras, pequena capacitância distribuída (apenas alguns picofarads) e enrolamentos primário e secundário enrolados em lados opostos do núcleo, podem servir como componentes de isolamento para sinais de pulso, alcançando o isolamento de sinais digitais.

• Isolamento Óptico Adicionar um optoacoplador pode suprimir pulsos de pico e diversas interferências de ruído. Usar isolamento óptico garante que não haja interação elétrica entre o sistema do computador host e a porta de comunicação do medidor de energia, melhorando o desempenho anti-interferência do sistema. Optoacopladores podem isolar sinais digitais, mas não são adequados para sinais analógicos. Métodos comuns para isolar sinais analógicos incluem: A. Conversão de tensão para frequência seguida de isolamento óptico, resultando em circuitos complexos; B. Amplificadores diferenciais, que oferecem menor tensão de isolamento; C. Amplificadores de isolamento, que apresentam bom desempenho, mas são caros. 

• Isolamento por Relé Como não há conexão elétrica entre a bobina e os contatos de um relé, a bobina pode receber sinais enquanto os contatos os transmitem, resolvendo efetivamente o problema de interação de sinais elétricos fortes e fracos e alcançando o isolamento de interferência.

• Isolamento de Layout Realizar o isolamento através do layout do PCB, principalmente separando circuitos elétricos fortes e fracos.

4. Design Anti-Interferência de Placa de Circuito Impresso (PCB) para Medidores de Energia

A placa de circuito impresso serve como suporte para os componentes do circuito e fornece conexões elétricas entre eles. A qualidade do design da PCB afeta diretamente a capacidade anti-interferência do sistema. Os princípios gerais seguidos no design de PCB incluem:

• Colocar cristais osciladores o mais próximo possível dos pinos da unidade central de processamento (CPU). Aterrar e fixar suas caixas metálicas, depois isolar a área do relógio com um fio de terra—este método previne muitos problemas difíceis;

• Usar cristais de baixa frequência para a CPU e manter os circuitos digitais o mais lentos possível, desde que os requisitos de desempenho do sistema sejam atendidos;

• Portas de entrada/saída da CPU não utilizadas não devem ficar flutuando; elas devem ser conectadas à energia do sistema ou à terra, e o mesmo se aplica a outros chips;

• Minimizar o comprimento dos trilhos entre componentes de alta frequência. Manter componentes funcionais de entrada e saída distantes, e não colocar componentes propensos a interferência muito próximos uns dos outros;

• Evitar loops de corrente em circuitos de baixa frequência e sinal fraco. Se inevitável, minimizar a área do loop para reduzir o ruído induzido;

• Evitar curvas de 90 graus no fiação do sistema para prevenir a emissão de ruído de alta frequência;

• Linhas de entrada e saída no sistema devem evitar correr paralelamente. Adicionar uma linha de terra entre dois condutores para prevenir efetivamente o acoplamento reativo.

5. Design de Confiabilidade de Software

5.1 Design de Filtro Digital para Medidores de Energia 

Atualmente, diversos CI de medição são amplamente utilizados em medidores de energia. O processador central se comunica com esses chips de medição via Interface Periférica Serial (SPI) ou Transmissor/Receptor Assíncrono Universal (UART) para obter parâmetros do sistema de energia. Se a barramento for interferido ou o chip de medição operar anormalmente, o processador central receberá dados incorretos.

Portanto, incorporar filtragem de software é extremamente importante. Para parâmetros de energia comuns, o método de média pode ser adotado: coletar cinco a seis pontos de dados, remover os valores máximo e mínimo, então calcular a média. Para dados de energia, estimar a faixa dinâmica em uma unidade de tempo com base no ambiente operacional nominal do medidor; se dados de energia anormais aparecerem, o software pode descartar esse conjunto de dados. Outros métodos incluem filtragem por mediana, média aritmética e filtragem passa-baixa de primeira ordem. A prática provou que usar filtragem de software maximiza a confiabilidade das leituras de parâmetros.

5.2 Design de Redundância de Dados para Medidores de Energia

Para melhorar a confiabilidade do sistema, os parâmetros de configuração do sistema e os parâmetros de calibração podem empregar designs de múltiplas cópias de backup. Se um conjunto de dados for corrompido, outro conjunto de backup pode ser ativado. Para garantir a segurança dos dados e aumentar a probabilidade de sobrevivência dos dados em operações errôneas, vários conjuntos de dados devem ser armazenados em locais dispersos.

5.3 Design de Verificação de Dados e Redundância de Operação para Medidores de Energia

Quando o processador central grava parâmetros de configuração ou calibração na memória, a interferência pode causar a gravação de dados incorretos, mas o processador não pode determinar a correção dos dados gravados. Para garantir a gravação correta de dados, o design de software realiza uma "soma de verificação" nos dados a serem gravados e armazena a soma de verificação junto com os dados. Após cada operação de gravação, uma operação de leitura é realizada, e a soma de verificação dos dados lidos é comparada com a soma de verificação armazenada. Se elas não corresponderem, a operação de gravação é repetida até que os dados sejam gravados corretamente. Se o limite de tentativas for excedido, um erro de gravação é exibido.