Kako unaprediti pouzdanost sistema za merenje struje

Sa brzim razvojem elektronske industrije, razne instrumente i merila se široko koriste u industrijskom upravljanju i svim aspektima društvenog života. U isto vreme, zahtevi za pouzdanost instrumenta postaju sve viši, a to važi i za brojila snage. Zahtevi za pouzdanost brojila snage su definisani unutar tehničkih standarda pametnih brojila.

Ovi standardi propisuju da srednja vremenska dužina trajanja brojila snage mora biti najmanje deset godina, što čini dizajn pouzdanosti tokom procesa razvoja posebno važnim. Verovatnoća izvršenja potrebnih funkcija pod određenim uslovima i u određenom vremenskom periodu se naziva Srednje Vreme Između Grešaka (MTBF), takođe poznato kao prosečno vreme između grešaka. MTBF je zastupljena metrika za merenje pouzdanosti. Cilj dizajna pouzdanosti za brojila snage jeste povećanje MTBF proizvoda i osiguranje normalnog rada.

1. Dizajn hardverske pouzdanosti

Dizajn supresije premaća napajanja za brojila snage

Prema analizi inženjerskih statističkih podataka, 70% premaća u sistemima brojila snage dolazi kroz napajanje. Stoga, poboljšanje kvaliteta napajanja ima veliku važnost za pouzdan rad cijelog sistema. Budući da se sistemska snaga obično dobija iz mreže, dizajn supresije premaća napajanja se uglavnom fokusira na filtriranje na ulaznom priključku i supresiju tranzientnih premaća.

2. Dizajn zemljenja za brojila snage

Dizajn sistema zemljenja direktno utiče na anti-premacke sposobnosti cijelog proizvoda. Dobar dizajn može blokirati vanjsku okružnu premaću i efikasno supresirati unutarnji spojeni šum. Razmatranje sljedeća dva aspekta može poboljšati pouzdanost sistema: 

Digitalno zemljenje i analogni zemljište Zbog oštrih rubova digitalnih signala, strujice u digitalnim krugovima pokazuju pulzirajuće promene. Stoga, analogno zemljenje i digitalno zemljenje treba posebno dizajnirati u sistemima brojila snage, spajajući ih samo na jednoj tački. Analogni i digitalni krugovi na platnoj treba da budu povezani sa svojim "zemljištima." Ovo efikasno sprečava pulzirajuću strujicu zemljišta digitalnog kruga da se spoji sa analognim krugom putem zajedničkog impedansa zemljišta, formirajući tranzientnu premaću. Kada u sistemu postoje visokofrekventni veliki signali, ova premaća postaje još značajnija.

Jednotočkovno i višetočkovno zemljenje U niskofrekventnim sistemima, zemljenje obično kombinuje paralelno jednotočkovno zemljenje s serijalnim jednotočkovnim zemljenjem kako bi se poboljšala performansa. Paralelno jednotočkovno zemljenje znači spajanje više modula zemljenih žica zajedno na jednoj lokaciji, gde se potencijal zemljišta svakog modula odnosi na njegovu sopstvenu strujicu i otpor. Prednost je u tome što ne postoji spojena premaća od zajedničkog otpora zemljenih žica; nedostatak je previše upotrebe zemljenih žica.

Serijalno jednotočkovno zemljenje znači da više modula dijeli isti segment zemljenih žica. Zbog ekvivalentnog otpora zemljenih žica, lokacije veza različitih modula imaju različite potencijale u odnosu na zemlju. Promene strujice u bilo kom modulu utiču na potencijal zemljišta, menjajući izlaz kruga i uzrokujući spojenu premaću od zajedničkog otpora zemljenih žica. Ovaj metod ima jednostavan kabel. Višetočkovno zemljenje se često koristi u visokofrekventnim sistemima, gde se svaki modul zemljenih žica povezuje sa zemljinskim busbarom što je moguće bliže. Prednosti uključuju kratke zemljenje žice, niske impedanse i eliminaciju premaća buke nastalih od zajedničkog impedansa zemljenih žica.

3. Dizajn izolacije za brojila snage

Jedan od glavnih ciljeva dizajna izolacije jeste da se izvor buke odvoji od osjetljivih krugova. Karakteristika dizajna izolacije je da brojilo snage održava signalnu komunikaciju sa svojim radnim okruženjem bez direktnog električnog interakcije. Glavne metode implementacije uključuju transformatorsku izolaciju, opto-izolaciju, relejnu izolaciju, izolacione pojačavače i izolaciju rasporeda. 

• Transformatorska izolacija Pulsnih transformatora, koji imaju malo zavojnica, mali distribuirani kapacitet (samo nekoliko pikofarada) i primarni/sekundarni zavojnice ovijene na suprotitim stranama jezgra, mogu poslužiti kao izolacioni elementi za pulsne signale, ostvarujući izolaciju digitalnih signala.

• Opto-izolacija Dodavanje optokupca može supresirati impulzne talase i razne premaće buke. Upotreba opto-izolacije osigurava da ne postoji električna interakcija između glavnog računarskog sistema i porta komunikacije brojila snage, poboljšavajući anti-premacke performanse sistema. Optokupci mogu izolirati digitalne signale, ali nisu pogodni za analogni signale. Uobičajene metode za izolaciju analognih signala uključuju: A. Pretvaranje napona u frekvenciju, zatim opto-izolaciju, što rezultira složenim krugovima; B. Diferencijalni pojačavači, koji nude niži izolacioni napon; C. Izolacioni pojačavači, koji se dobro nose, ali su skupi. 

• Relejna izolacija Budući da ne postoji električna veza između bobine reléa i kontakata, bobina može primati signale, dok kontakti prenose signale, efektivno rešavajući problem interakcije jakih i slabih električnih signala i ostvarujući izolaciju premaće.

• Izolacija rasporeda Postizanje izolacije putem PCB rasporeda, uglavnom odvajanjem jakih i slabih električnih krugova.

4. Anti-premacki dizajn tiskača štampanih krugova (PCB) za brojila snage

Tiskač štampanih krugova služi kao nosač komponenti kruga i pruža električne veze između njih. Kvalitet dizajna PCB-a direktno utiče na anti-premacke sposobnosti sistema. Opšte principi kojima se prati u dizajnu PCB-a uključuju:

• Postavite kristalne oscilatore što bliže pinovima centralnog procesorskog jedinica (CPU). Zemljenje i osiguranje njihovih metalnih kućišta, zatim izolovanje područja sa satom zemljenoj žicom—ovaj metod sprečava mnoge teške probleme;

• Koristite kristale niže frekvencije za CPU i držite digitalne krugove što sporiji, ako su ispunjeni zahtevi za performansama sistema;

• Neispitane ulazne/izlazne porte CPU-a ne bi trebalo ostaviti flotirajućim; oni bi trebalo da budu povezani sa sistemskom snagom ili zemljom, a isto važi i za druge čipove;

• Smanjite dužinu tragova između visokofrekventnih komponenti. Držite komponente sa ulaznim i izlaznim funkcijama daleko jedne od druge, i ne stavljajte komponente koje su podložne premaći preblizu jedne drugoj;

• Izbegavajte strujne petlje u niskofrekventnim i slabo-signalskim krugovima. Ako je neizbežno, minimizujte površinu petlje kako bi se smanjila inducirana buka;

• Izbegavajte zakretanje od 90 stepeni u sistemu kabela kako bi se sprečilo emitovanje visokofrekventne buke;

• Ulazne i izlazne linije u sistemu treba da izbegnu paralelni hod. Dodajte zemljenu liniju između dve vodilice kako bi se efikasno sprečio reaktivni spoj.

5. Dizajn softverske pouzdanosti

5.1 Dizajn digitalnog filtera za brojila snage 

Trenutno, razne merne IC su široko korišćene u brojilima snage. Centralni procesor komunicira sa ovim merim IC-ovima preko Serijskog periferijskog sučelja (SPI) ili Univerzalnog asinkronog prihvatnika/prenosnika (UART) kako bi stekao parametre sistema snage. Ako je magistrala interferirana ili merni čip radi anomalno, centralni procesor će primati pogrešne podatke.

Stoga je kritično važno uključiti softverski filter. Za obične parametre snage, može se koristiti metoda prosječavanja: sakupiti pet do šest tačaka podataka, ukloniti maksimalne i minimalne vrijednosti, zatim izračunati prosjek. Za podatke energije, procijeniti dinamički opseg unutar jedinice vremena temeljem nominiranog radnog okruženja brojila; ako se pojavi anomalni podaci o energiji, softver može odbaciti taj set podataka. Ostale metode uključuju median filtriranje, aritmetičko prosječavanje i prvoredni niskopropusni filter. Praksa je dokazala da korištenje softverskog filtra maksimizira pouzdanost čitanja parametara.

5.2 Dizajn redundancije podataka za brojila snage

Da bi se poboljšala pouzdanost sistema, parametri podešavanja sistema i kalibracije parametara mogu koristiti multi-rezervne dizajne. Ako se jedan set podataka oštetio, može se aktivirati drugi rezervni set. Da bi se osigurala sigurnost podataka i povećala verovatnoća preživljavanja podataka pod pogrešnim operacijama, nekoliko setova podataka treba da bude pohranjeno u raspršenim lokacijama.

5.3 Dizajn verifikacije podataka i redundancije operacija za brojila snage

Kada centralni procesor upisuje parametre podešavanja ili kalibracije u memoriju, interferencija može uzrokovati upisivanje pogrešnih podataka, ali procesor ne može utvrditi ispravnost upisanih podataka. Da bi se osiguralo ispravno upisivanje podataka, softverski dizajn vrši "kontrolu sume" nad podacima koji se upisuju i pohranjuje kontrolnu sumu zajedno sa podacima. Nakon svake operacije upisa, vrši se operacija čitanja, a kontrolna suma procitanih podataka se uspoređuje sa pohranjenom kontrolnom sumom. Ako se ne podudaraju, operacija upisa se ponavlja dok podaci nisu ispravno upisani. Ako se prekoraci granica ponavljanja, prikazuje se greška upisa.