تصميم مقاوم للتشويش ذو كفاءة تكلفة لأجهزة قياس الطاقة الرقمية: اجتياز اختبارات EFT بـ 4kV وESD بـ 15kV

I. نظرة عامة​

تم تصميم هذه الحل لمعالجة التحديات الشديدة التي تواجه العدادات الرقمية التقليدية في البيئات الكهرومغناطيسية الصناعية المعقدة، خاصة نقطة الألم الأساسية وهي قلة القدرة على مقاومة التداخل. من خلال سلسلة من التصاميم المبتكرة للدوائر الإلكترونية الرئيسية، يعزز هذا الحل بشكل كبير قدرة العداد على تحمل التوهجات الكهربائية السريعة (EFT) والإفرازات الكهروستاتيكية (ESD). وفي الوقت نفسه، يتم تحسين هيكل النظام لتحقيق الهدفين المزدوجين وهو تحسين الموثوقية وتقليل التكاليف، مما يوفر أساسًا ثابتًا ودقيقًا للبيانات لمراقبة نظام الطاقة.

​II. الخلفية والأهداف​

​1. تحليل المشكلة​

يوجد ضعف في تصميم العدادات التقليدية. غالباً ما يفتقر واجهة الاتصال بين وحدة العرض واللوحة الرئيسية للتحكم إلى إجراءات فعالة لحماية التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). وهذا يؤدي إلى أداء ضعيف أثناء اختبارات المناعة، مع انخفاض مقاومة EFT بشكل كبير عن متطلبات التطبيقات الصناعية، مما يؤثر بشكل جاد على التشغيل المستقر في بيئات التوزيع الفعلية.

​2. الأهداف الأساسية​

• ​تحسين الأداء:​​ تحسين التوافق الكهرومغناطيسي للعداد بشكل كبير، وضمان أنه يمكنه المرور بنجاح في اختبارات EFT المستوى 4 كيلوفولت واختبارات ESD عالية المستوى.
• ​التشغيل المستقر:​​ ضمان التشغيل طويل الأمد وخالي من الأخطاء للعداد في مواقع الطاقة مليئة بالنبضات العابرة والتداخل الكهروستاتيكي، مما يضمن استمرارية جمع البيانات وإرسالها.
• ​تحسين الهيكل:​​ تبسيط تصميم الدائرة، وتقليل عدد المكونات الخارجية، والتحكم في تقليل تكاليف الأجهزة مع تعزيز الأداء.

​III. معمارية النظام الشاملة​

يستخدم العداد تصميماً معياريًا يركز حول رقاقة التحكم الرئيسية، ويتميز ببنية واضحة ومسؤوليات محددة. ويشمل بشكل أساسي الوحدات الأساسية التالية:

• ​وحدة التحكم الرئيسية:​​ "المخ" للنظام، المسؤول عن حساب البيانات والتحكم المنطقي وجدولة النظام.
• ​وحدة جمع الإشارات:​​ مسؤولة عن جمع ومعالجة أولية لإشارات الجهد والتيار الثلاثية الأطوار الخام من الشبكة الكهربائية.
• ​وحدة إدارة الطاقة:​​ توفر طاقة عمل مستقرة ومفصولة متعددة القنوات لكل الوحدات الوظيفية.
• ​وحدة التفاعل بين الإنسان والحاسوب (HMI):​​ تتضمن وحدة التحكم في العرض لعرض المعلمات المحلية.
• ​وحدة اتصال البيانات:​​ توفر واجهة RS485 لتبادل البيانات مع أنظمة الرصد البعيد.
• ​وحدة تخزين البيانات والمؤقت:​​ تستخدم لتخزين البيانات التاريخية وتقديم مرجع زمني دقيق.
• ​الابتكار الرئيسي: وحدة مضادة للتداخل مخصصة:​​ جانب رئيسي من هذا الحل، بإضافة وحدات حماية لمسارات الإشارات الحرجة.

​IV. الاختراقات التكنولوجية الرئيسية​

​1. تصميم دائرة مرشح مضاد لـ EFT مخصص​

• ​النهج المبتكر:​​ تم تحديد الخطوط الاتصالية بين وحدة التحكم في العرض ورقاقة التحكم الرئيسية كنقطة ضعف لاختراق EFT. وفقا لذلك، تم تصميم قنوات ترشيح مستقلة لكل خط إشارة اتصال.
• ​تنفيذ:​​ تم توصيل مكثف بقيمة معينة بالتوازي من كل خط اتصال بالأرض، ليشكل شبكة مرشح منخفض التردد بسيطة. يعمل هذا المكثف على امتصاص الطاقة النابضة ذات التردد العالي التي تنتجها EFT على خطوط الإشارة، وبالتالي يحمي واجهة رقاقة التحكم الرئيسية من التداخل.
• ​النتيجة:​​ هذا التصميم منخفض التكلفة للغاية يرفع مناعة العداد ضد EFT إلى 4 كيلوفولت، مما يحل مشكلة العدادات التقليدية في هذا المجال.

​2. تحسين التحصين ضد التداخل على مستوى النظام للتحكم الرئيسي​

• ​تحسين دارة الساعة:​​ تم التخلي عن استخدام البلورات عالية التردد التقليدية والتي تكون عرضة للتداخل، واختيار بلورة منخفضة التردد كمصدر الساعة الرئيسي. الإشارات المنخفضة التردد تتمتع بطبيعتها بقدرة أكبر على مقاومة التداخل، مما يقلل من احتمال التأثير على مستوى النظام.
• ​تبسيط التكامل النظامي:​​ تم الاستفادة بشكل كامل من التكامل العالي للرقائق الرئيسية الحديثة. التكامل الداخلي للمحوّل التناظري-الرقمي (ADC) والمكثفات التعويضية للتردد يلغي الحاجة لمكونات خارجية منفصلة.
• ​الفوائد الشاملة:​​
• تحسن دارة الساعة بشكل كبير من قدرة العداد على مقاومة التداخل الكهروستاتيكي الخارجي، مما يسمح له بتمرير اختبارات ESD الأعلى بسهولة.
• تصميم التكامل العالي يبسط تخطيط اللوحة PCB، ويقلل من عدد المكونات، وبالتالي ليس فقط يخفض تكاليف المواد ولكن أيضًا يحسن كفاءة الإنتاج والموثوقية العامة.

​V. مزايا الحل وقيمته​

​1. موثوقية استثنائية​

• قادر على التشغيل المستقر في بيئات التداخل EFT التي تتجاوز 4 كيلوفولت وفي بيئات ESD التي تتجاوز 15 كيلوفولت، مما يتوافق مع أعلى المعايير الصناعية.
• تعزز الأساس الإلكتروني المحسن الدقة الزمنية في جمع البيانات والاستقرار طويل الأمد للقياسات.

​2. كفاءة اقتصادية كبيرة​

• يقلل مباشرة من تكاليف شراء المواد بتقليل عدد المكونات الخارجية.
• يحسن التصميم المبسط نسبة الإنتاج الأولى ويخفض تكاليف الصيانة بعد البيع، مما يقدم للعملاء ميزة في تكاليف الدورة الحياتية.

​3. تصنيع ممتاز​

• تستخدم الإجراءات المضادة للتداخل مكونات قياسية ناضجة وعامة. التصميم بسيط وموثوق به، مما يجعله مناسبًا للغاية للإنتاج الضخم، مما يضمن تجانس المنتج وجودته العالية.