วิธีเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบเครื่องวัดพลังงานไฟฟ้า

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์และเครื่องมือวัดต่างๆ ถูกใช้อย่างกว้างขวางในระบบควบคุมอุตสาหกรรมและการใช้งานทุกด้านของชีวิตสังคม ในขณะเดียวกัน ความต้องการในด้านความน่าเชื่อถือของเครื่องมือวัดก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก และเครื่องวัดพลังงานก็ไม่ได้เป็นข้อยกเว้น ความต้องการในด้านความน่าเชื่อถือของเครื่องวัดพลังงานถูกกำหนดไว้ภายในมาตรฐานเทคโนโลยีของเครื่องวัดอัจฉริยะ

มาตรฐานเหล่านี้ระบุว่าอายุการใช้งานเฉลี่ยของเครื่องวัดพลังงานต้องไม่น้อยกว่าสิบปี ทำให้การออกแบบความน่าเชื่อถือในระหว่างกระบวนการพัฒนาเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ความน่าจะเป็นในการทำงานตามฟังก์ชันที่กำหนดภายใต้เงื่อนไขและเวลาที่กำหนดเรียกว่า Mean Time Between Failures (MTBF) หรือเวลาเฉลี่ยระหว่างการเสียหาย MTBF เป็นตัววัดความน่าเชื่อถือที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย จุดประสงค์ของการออกแบบความน่าเชื่อถือสำหรับเครื่องวัดพลังงานคือ เพิ่ม MTBF ของผลิตภัณฑ์และรับประกันการทำงานปกติ

1. การออกแบบความน่าเชื่อถือด้านฮาร์ดแวร์

การออกแบบลดการรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟสำหรับเครื่องวัดพลังงาน

ตามการวิเคราะห์ข้อมูลทางวิศวกรรม 70% ของการรบกวนในระบบเครื่องวัดพลังงานเข้าสู่ระบบผ่านแหล่งจ่ายไฟ ดังนั้น การปรับปรุงคุณภาพของแหล่งจ่ายไฟมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการทำงานอย่างน่าเชื่อถือของระบบโดยรวม เนื่องจากพลังงานของระบบโดยทั่วไปมาจากไฟฟ้าหลัก การออกแบบลดการรบกวนสำหรับแหล่งจ่ายไฟจึงเน้นการกรองที่พอร์ตเข้าและลดการรบกวนชั่วคราว

2. การออกแบบการต่อลงดินสำหรับเครื่องวัดพลังงาน

การออกแบบระบบต่อลงดินมีผลโดยตรงต่อความสามารถในการต้านทานการรบกวนของผลิตภัณฑ์ทั้งหมด การออกแบบที่ดีสามารถป้องกันการรบกวนจากสภาพแวดล้อมภายนอกและยับยั้งการรบกวนที่เกิดจากการคู่ขนานภายใน การพิจารณาสองด้านต่อไปนี้สามารถเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ: 

การต่อลงดินดิจิทัลและการต่อลงดินแอนะล็อก เนื่องจากขอบเขตที่คมชัดของสัญญาณดิจิทัล กระแสไฟฟ้าในวงจรดิจิทัลมีการเปลี่ยนแปลงแบบพัลส์ ดังนั้น การต่อลงดินดิจิทัลและการต่อลงดินแอนะล็อกควรออกแบบแยกกันในระบบเครื่องวัดพลังงาน โดยเชื่อมต่อกันที่จุดเดียวเท่านั้น วงจรดิจิทัลและวงจรแอนะล็อกบนแผงวงจรควรถูกเชื่อมต่อไปยัง "การต่อลงดิน" ของตนเอง ซึ่งจะป้องกันการรบกวนชั่วคราวจากการคู่ขนานของกระแสพัลส์ของวงจรดิจิทัลผ่านความต้านทานการต่อลงดินที่ใช้ร่วมกัน เมื่อมีสัญญาณขนาดใหญ่ความถี่สูงในระบบ การรบกวนนี้จะมีความสำคัญมากขึ้น

การต่อลงดินจุดเดียวและการต่อลงดินหลายจุด ในระบบความถี่ต่ำ การต่อลงดินโดยทั่วไปผสมผสานการต่อลงดินจุดเดียวแบบขนานกับการต่อลงดินจุดเดียวแบบอนุกรมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ การต่อลงดินจุดเดียวแบบขนานหมายถึงการเชื่อมต่อสายต่อลงดินของโมดูลหลายตัวเข้าด้วยกันที่จุดเดียว ที่ซึ่งศักยภาพการต่อลงดินของแต่ละโมดูลเกี่ยวข้องกับกระแสและความต้านทานของตัวเอง ข้อดีคือไม่มีการรบกวนจากการคู่ขนานของความต้านทานสายต่อลงดินร่วมกัน ข้อเสียคือการใช้สายต่อลงดินมากเกินไป

การต่อลงดินจุดเดียวแบบอนุกรมหมายถึงโมดูลหลายตัวแบ่งปันสายต่อลงดินส่วนเดียวกัน เนื่องจากความต้านทานเทียบเท่าของสายต่อลงดินสร้างแรงดันตก จุดเชื่อมต่อของโมดูลต่างๆ มีศักยภาพต่างกันเมื่อเทียบกับโลก กระแสที่เปลี่ยนแปลงในโมดูลใดโมดูลหนึ่งส่งผลกระทบต่อศักยภาพการต่อลงดิน ทำให้การออกสัญญาณวงจรเปลี่ยนแปลงและเกิดการรบกวนจากการคู่ขนานของความต้านทานสายต่อลงดินร่วมกัน วิธีนี้มีการเชื่อมต่อที่ง่าย การต่อลงดินหลายจุดใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบความถี่สูง ที่ซึ่งสายต่อลงดินของแต่ละโมดูลเชื่อมต่อไปยังบัสต่อลงดินให้ใกล้ที่สุดเท่าที่จะทำได้ ข้อดีคือสายต่อลงดินสั้น ความต้านทานต่ำ และกำจัดเสียงรบกวนที่เกิดจากความต้านทานสายต่อลงดินร่วมกัน

3. การออกแบบการแยกสำหรับเครื่องวัดพลังงาน

เป้าหมายหลักของการออกแบบการแยกคือการแยกแหล่งเสียงรบกวนออกจากวงจรที่ไวต่อการรบกวน ลักษณะของการออกแบบการแยกคือ เครื่องวัดพลังงานสามารถรักษาการสื่อสารสัญญาณกับสภาพแวดล้อมการทำงานโดยไม่มีการสัมผัสทางไฟฟ้าโดยตรง วิธีการดำเนินการหลักได้แก่ การแยกโดยทรานส์ฟอร์เมอร์ การแยกโดยแสง การแยกโดยรีเลย์ การขยายสัญญาณแยก และการแยกโดยการวางเค้าโครง

• การแยกโดยทรานส์ฟอร์เมอร์ ทรานส์ฟอร์เมอร์พัลส์ที่มีจำนวนรอบน้อย ความจุกระจายน้อย (เพียงไม่กี่พิโคฟาราด) และวงจรหลัก/วงจรรองที่พันบนด้านตรงข้ามของแกน สามารถใช้เป็นส่วนประกอบการแยกสำหรับสัญญาณพัลส์ ทำให้การแยกสัญญาณดิจิทัลเป็นไปได้

• การแยกโดยแสง การเพิ่มอุปกรณ์คู่แสงสามารถยับยั้งพัลส์สปายก์และเสียงรบกวนต่างๆ การใช้การแยกโดยแสงรับประกันว่าไม่มีการสัมผัสทางไฟฟ้าระหว่างระบบคอมพิวเตอร์หลักและพอร์ตการสื่อสารของเครื่องวัดพลังงาน ทำให้ประสิทธิภาพในการต้านทานการรบกวนของระบบเพิ่มขึ้น อุปกรณ์คู่แสงสามารถแยกสัญญาณดิจิทัล แต่ไม่เหมาะสมสำหรับสัญญาณแอนะล็อก วิธีการแยกสัญญาณแอนะล็อกที่ใช้กันทั่วไปได้แก่: A. การแปลงแรงดันเป็นความถี่ตามด้วยการแยกโดยแสง ซึ่งทำให้วงจรซับซ้อน B. แอมปลิฟายเออร์แบบดิฟเฟอร์เรนเชียล ซึ่งมีแรงดันการแยกต่ำ C. แอมปลิฟายเออร์แยก ซึ่งทำงานได้ดีแต่มีราคาแพง

• การแยกโดยรีเลย์ เนื่องจากไม่มีการสัมผัสทางไฟฟ้าระหว่างขดลวดและตัวต่อของรีเลย์ ขดลวดสามารถรับสัญญาณในขณะที่ตัวต่อส่งสัญญาณ ทำให้สามารถแก้ปัญหาการสัมผัสระหว่างสัญญาณไฟฟ้าแรงและสัญญาณไฟฟ้าอ่อน และทำให้การแยกการรบกวนเป็นไปได้

• การแยกโดยการวางเค้าโครง การบรรลุการแยกผ่านการวางเค้าโครง PCB โดยแยกวงจรไฟฟ้าแรงและวงจรไฟฟ้าอ่อน

4. การออกแบบป้องกันการรบกวนสำหรับ PCB ของเครื่องวัดพลังงาน

แผงวงจรพิมพ์เป็นตัวพาหะสำหรับชิ้นส่วนวงจรและให้การเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนเหล่านั้น คุณภาพของการออกแบบ PCB มีผลโดยตรงต่อความสามารถในการต้านทานการรบกวนของระบบ หลักการทั่วไปที่ใช้ในการออกแบบ PCB ได้แก่:

• วางอุปกรณ์คริสตัลให้ใกล้กับขาของหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) มากที่สุด ต่อลงดินและยึดเคสโลหะ จากนั้นแยกพื้นที่คล็อกด้วยสายต่อลงดิน—วิธีนี้สามารถป้องกันปัญหาที่ยากลำบากได้หลายอย่าง

• ใช้คริสตัลความถี่ต่ำสำหรับ CPU และทำให้วงจรดิจิทัลทำงานช้าที่สุดเท่าที่จะทำได้ ภายใต้เงื่อนไขที่ระบบต้องการ

• พอร์ตอินพุต/เอาต์พุตของ CPU ที่ไม่ได้ใช้งานไม่ควรปล่อยให้ลอยอยู่ ควรเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหรือการต่อลงดินของระบบ เช่นเดียวกับชิปอื่นๆ

• ลดความยาวของเส้นทางระหว่างชิ้นส่วนความถี่สูง แยกชิ้นส่วนที่มีฟังก์ชันอินพุตและเอาต์พุตให้ไกลกัน และไม่ควรวางชิ้นส่วนที่ไวต่อการรบกวนให้ใกล้กันเกินไป

• หลีกเลี่ยงวงจรป้อนกลับในวงจรความถี่ต่ำและสัญญาณอ่อน ถ้าหลีกเลี่ยงไม่ได้ ให้ลดพื้นที่วงจรป้อนกลับลงเพื่อลดเสียงรบกวนที่เกิดจากการเหนี่ยวนำ

• หลีกเลี่ยงการโค้ง 90 องศาในสายไฟของระบบเพื่อป้องกันการปล่อยเสียงรบกวนความถี่สูง

• สายอินพุตและเอาต์พุตในระบบควรหลีกเลี่ยงการวิ่งขนานกัน ให้เพิ่มสายต่อลงดินระหว่างสองสายนำเพื่อป้องกันการคู่ขนานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

5. การออกแบบความน่าเชื่อถือด้านซอฟต์แวร์

5.1 การออกแบบการกรองดิจิทัลสำหรับเครื่องวัดพลังงาน

ปัจจุบัน IC วัดต่างๆ ถูกใช้อย่างกว้างขวางในเครื่องวัดพลังงาน หน่วยประมวลผลกลางสื่อสารกับชิปวัดเหล่านี้ผ่าน Serial Peripheral Interface (SPI) หรือ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) เพื่อรับพารามิเตอร์ของระบบพลังงาน หากบัสถูกรบกวนหรือชิปวัดทำงานผิดปกติ หน่วยประมวลผลกลางจะรับข้อมูลที่ผิดพลาด

ดังนั้น การรวมการกรองซอฟต์แวร์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง สำหรับพารามิเตอร์พลังงานทั่วไป สามารใช้วิธีการหาค่าเฉลี่ย: รวบรวมข้อมูล 5-6 จุด ลบค่าสูงสุดและต่ำสุดแล้วคำนวณค่าเฉลี่ย สำหรับข้อมูลพลังงาน ประเมินช่วงพลวัตภายในเวลาหนึ่งหน่วยตามสภาพแวดล้อมการทำงานที่กำหนดของเครื่องวัด หากข้อมูลพลังงานผิดปกติ ซอฟต์แวร์สามารถยกเลิกชุดข้อมูลนั้นได้ วิธีการอื่น ๆ ได้แก่ การกรองค่ามัธยฐาน การหาค่าเฉลี่ยเลขคณิต และการกรองต่ำผ่านระดับแรก ประสบการณ์ได้พิสูจน์ว่าการใช้การกรองซอฟต์แวร์ทำให้การอ่านพารามิเตอร์มีความน่าเชื่อถือสูงสุด

5.2 การออกแบบการสำรองข้อมูลสำหรับเครื่องวัดพลังงาน

เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ พารามิเตอร์การตั้งค่าและพารามิเตอร์การสอบเทียบสามารถใช้การออกแบบการสำรองข้อมูลหลายชุด ถ้าชุดข้อมูลหนึ่งถูกทำลาย ชุดข้อมูลสำรองอื่น ๆ สามารถใช้งานได้ ในการรับประกันความปลอดภัยของข้อมูลและเพิ่มโอกาสในการรอดชีวิตของข้อมูลภายใต้การทำงานที่ผิดพลาด ควรเก็บหลายชุดข้อมูลในสถานที่ที่กระจายกัน

5.3 การออกแบบการตรวจสอบข้อมูลและการสำรองการทำงานสำหรับเครื่องวัดพลังงาน

เมื่อหน่วยประมวลผลกลางเขียนพารามิเตอร์การตั้งค่าหรือการสอบเทียบลงในหน่วยความจำ การรบกวนอาจทำให้เขียนข้อมูลที่ผิดพลาด แต่หน่วยประมวลผลกลางไม่สามารถตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลที่เขียนได้ ในการรับประกันการเขียนข้อมูลที่ถูกต้อง การออกแบบซอฟต์แวร์ทำการ "ตรวจสอบผลรวม" ข้อมูลที่จะเขียนและเก็บผลรวมนั้นพร้อมกับข้อมูล หลังจากการเขียนแต่ละครั้ง จะทำการอ่านข้อมูลและเปรียบเทียบผลรวมที่อ่านได้กับผลรวมที่เก็บไว้ ถ้าไม่ตรงกัน จะทำการเขียนซ้ำจนกว่าข้อมูลจะถูกเขียนอย่างถูกต้อง หากเกินจำนวนการลองเขียนใหม่ แสดงข้อผิดพลาดการเขียน