بخشی از مقاله
چکیده
- امروزه کنتورهای تکفاز الکترونیکی به طور گسترده توسط شرکتهای توزیع در کشور برای مصرف کنندگان نصب میشوند. در گذشته شرکت کنتورسازی ایران به طور انحصاری تامین کنتور را در کشور بر عهده داشته است. در سالهای اخیر به منظور ایجاد رقابت و پیشرفت در صنعت کنتور این انحصار برداشته شده و شرکتهای خصوصی از جمله شرکت توس فیوز به این صنعت راه یافتهاند.
به منظور یکسانسازی کنتورهای تولیدی شرکتهای مختلف، شرکت توانیر اقدام به تهیهی الزاماتی برای کنتورهای الکترونیکی تکفاز نموده است. این الزامات در سال 1389 به روز شد و به شرکتهای سازندهی کنتور در کشور ابلاغ شد. بنابراین شرکت توس فیوز پروژهی طراحی و ساخت کنتور الکترونیکی تکفاز را شروع کرده و اکنون در حال تامین مقدمات تولید انبوه محصول میباشد. در این مقاله به طور مختصر گامهای اصلی پروژهی طراحی و ساخت کنتور را در این شرکت بررسی خواهیم کرد. جزئیات این پروژه در اسناد فنی موجود در مراجع ذکر شده است.
-1 مقدمه
کنتور انرژی الکتریکی - در این مقاله مختصراً کنتور - یک ابزار اندازهگیری پر کاربرد در شبکهی قدرت برای اندازهگیری انرژی الکتریکی تولیدی، انتقالی و مصرفی در بخشهای مختلف شبکهی قدرت است. کارکرد اصلی کنتور، اندازهگیری انرژی الکتریکی است که در مواردی کارکردهای جانبی دیگری نیز به آن اضافه میشود، از جمله؛ اندازهگیری توان و انرژی راکتیو، جریان، ولتاژ، فرکانس و سایر کمیات الکتریکی و همچنین کارکردهای مدیریت مصرف مانند تعرفه بندی قیمت برق در زمانهای گوناگون و نیز کارکردهای ارتباطی نظیر انتقال دادهها توسط پورت نوری و بخصوص در کنتورهای هوشمند ارتباطات دوطرفهی پیچیده.
یکی از پرکاربردترین کنتورها، کنتور مصرفکنندهی تکفاز ولتاژ پایین - 230V - است. این کنتورها توسط شرکتهای توزیع در کشور برای مصرف کنندگان نصب میشوند. در سالهای گذشته شرکت دولتی کنتورسازی ایران به طور انحصاری تامین کنتور را در کشور بر عهده داشته است. در سالهای اخیر به منظور ایجاد فضای رقابتی و پیشرفت در صنعت کنتور سازی این انحصار برداشته شده و شرکتهای خصوصی از جمله شرکت توس فیوز به این صنعت راه یافتهاند.
به منظور یکپارچگی و یکسان سازی کنتورهای تولیدی شرکتهای مختلف، شرکت توانیر اقدام به تهیهی الزاماتی برای کنتورهای الکترونیکی تکفاز نموده است. این الزامات در سال 1389 به روز شد و ویرایش دوم آن با عنوان الزامات توانیر 2 به شرکتهای سازندهی کنتور در کشور ابلاغ شد .[1] طبق این ابلاغیه شرکتهای توزیع مجاز به خریداری کنتورهای با مشخصات پیشین نیستند و شرکتهای تولیدکننده باید محصولاتی با مشخصات جدید تولید کنند. بنابراین شرکت توس فیوز پروژهی طراحی و ساخت کنتور الکترونیکی تکفاز را شروع کرده و اکنون در حال تامین مقدمات تولید انبوه محصول میباشد.
-2 اهداف طراحی
در گام نخست با مرجعیت [1] و همچنین استفادهی جانبی از کاتالوگها و برگههای مشخصات سایر کنتورها کارکردهای گوناگون متصور برای یک کنتور الکترونیکی تکفاز لیست شده است. به بیان دیگر ویژگیهای کنتور هدف طراحی در این گام مشخص شده است. این ویژگیها در سه دستهی کلی سختافزاری، نرم افزاری و ارتباطی دسته بندی شده است. برای مثال ویژگی " کاراکترهای نمایشگر 5 تا 8 رقم صحیح، 0 تا 2 رقم اعشار" برای تحقق نیاز به ملاحظات سختافزاری دارد، بنابراین در دستهی اول جای میگیرد. البته برخی ویژگیها در دو یا حتی هر سه دسته قرار میگیرند. چند سطر آغازین این جدول در جدول 1 نشان داده شده است. جدول کامل در مرجع [2] وجود دارد.
جدول :1 چند نمونهی ویژگیهای هدف طراحی کنتور
با توجه به این جدول طراحی مفهومی کنتور انجام پذیرفت. در طراحی مفهومی یک طرح کلی بدون در نظر گرفتن جزئیات پیادهسازی ارائه میشود. در این مورد با توجه به اهمیت موضوع چند طرح مفهومی آماده شد و با توجه به اهداف تولید طرح بهینه انتخاب شد. در این انتخاب باید موارد زیر در نظر گرفته شوند. نخست آنکه کنتور یک محصول با تیراژ تولید بسیار بالا است.
این موضوع باعث میشود تا صرف انرژی و زمان بیشتر روی طراحی آن توجیه اقتصادی پیدا کند. بطور کلی در طراحی محصولات یک طیف را میتوان در نظر گرفت، در یکسو محصولات با تیراژ بسیار پایین و در سوی دیگر محصولات با تیراژ بسیار بالا، در تیراژ پایین عموماً انرژی زیادی بر روی انتخاب بهینهی اقتصادی قطعات صورت نمیگیرد و معمولاً طراحیها Over-Design هستند، در حالی که کنتور با تیراژ بسیار بالای 200000در ماه، نیاز به انتخاب بهینهی اقتصادی دارد. دوم، کنتور در کشور و در نظر مصرف کنندگان آن - شرکتهای توزیع -
یک وسیله با عمر بالا و قابلیت اطمینان بالاست. بنابراین طراحیهای با قابلیت اطمینان و عمر بالا و قطعات اینچنینی انتخاب میشوند. سوم، استانداردهای دقیقی برای این محصول تدوین شده است که طراحی ها را ملزم به شرایط خاصی میکند. در این پروژه استانداردهای IEC به دلیل نزدیکی استاندارد ملی به آن به همراه استاندارد ملی به عنوان مرجع انتخاب شدند. از IEC62053-21، IEC62053-23 و IEC62056-XX در این پروژه
استفاده شده است.
-3 طرحهای مفهومی
کنتور نیز مانند سایر ابزارهای اندازهگیری دیجیتال از چهار بخش کلی تشکیل شده است.
-1 واحد نمونهبرداری؛ این واحد از سنسورهای جریان و ولتاژ تشکیل شده است و از آنها نمونه برداری میکند.
-2 مبدل آنالوگ به دیجیتال؛ این بخش سیگنالهای آنالوگ نمونهبرداری شده را به سیگنالهای دیجیتال قابل پردازش تبدیل میکند.
-3 واحد پردازنده؛ این واحد وظیفهی انجام پردازشهای لازم برای محاسبهی توان اکتیو و راکتیو و انرژی و... را برعهده دارد. همچنین سایر کارکردهای کنتور از جمله کارکردهای مدیریت مصرف و ارتباطی را بر عهده دارد. با توجه به حجم محاسبات نوعی کنتور و قابلیتهای جانبی مورد نیاز عموماً از میکروکنترلرها در این بخش استفاده میشود.
-4 نمایشگر؛ این واحد در واقع یکی از اینترفیسهای ارتباطی متداول کنتور است که مشخصاً نمایندهی آنهاست.
به طور کلی دو دستهی کلی برای طراحیهای مفهومی پیشنهادی میتوان متصور شد دستهی نخست طرحهای دو تراشهای و دستهی دیگر طرحهای تک تراشهای هستند. در طرحهای دو تراشهای بخش 2 و 3 در دو تراشهی مجزا قرار دارند شکل .1 در طرح تک تراشهای این دو بخش در یک تراشهی واحد قرار دارند شکل .[3] 2
شکل :1 طرح دو تراشهای
شکل :2 طرح تک تراشهای
یکی از بخشهای مهم و تاثیرگذار در دقت کارکرد اصلی کنتور دیجیتال - اندازهگیری - بخش مبدل آنالوگ به دیجیتال است. همچنین قابلیت اطمینان کارکرد کنتور بستگی زیادی به قابلیت اطمینان واحد پردازنده دارد. بنابراین انتخاب سخت افزار با کیفیت برای هرکدام از این بخشها اهمیت فراوانی دارد. شرکتهای سازندهی هریک از این دو سختافزار - مبدل آنالوگ به دیجیتال و میکروکنترلر - در گذشت زمان اغلب در تولید یکی از این محصولات تخصص یافتهاند. به طور مثال شرکتهای آنالوگ دیوایسز و میکروچیپ. لذا اگر لازم باشد از بهترین انواع مبدل و میکروکنترلر استفاده کنیم، به ناچار باید از ساختار دو تراشهای استفاده کنیم. اگرچه از نظر قابلیت اطمینان ساختار تک تراشهای مزایایی از جمله حذف ترکهای مسی برد مدار چاپی واسط دو تراشه و لحیمکاریهای آن دو دارد.
در این پروژه با توجه به سیاستگذاری بلند مدت تولید، و نقش کیفیت و دوام محصولات تولیدی در رسیدن به هدف بازار بلند مدت، طرح دو تراشهای انتخاب شد.
-4 انتخاب قطعات سختافزاری
پس از انتخاب طرح کلی کنتور برای وارد کردن جزئیات بیشتر به طراحی مفهومی نیاز به مشخص شدن قطعات سختافزاری است. این مرحله با توجه به توضیحات بخش 2 در رابطه با تیراژ بالای تولید محصول در قیمت تمام شده و بازاریابی بسیار حیاتی است. در این گام لیستی از تمام قطعات اصلی مورد نیاز تهیه شد و در هر مورد لیست بلندی از قطعات آلترناتیو تهیه شد. جدول 2 نمونهای از چند سطر این جدول است. جدول کامل در مرجع [4] وجود دارد.
با استفاده از جدول 2 طراحیهای مفهومی متعددی با جزئیات بیشتر و قطعات مشخص تهیه شد. زیرا در برخی موارد قطعات آلترناتیو نمیتوانند جایگزین یکدیگر در یک طرح یکتا شوند. بطور مثال میکروکنترلر PIC18F87J90 دارای درایور LCD داخلی است و اگر در طرحی آن را با ATMEGA128 جایگزین کنیم باید از IC درایور LCD خارجی مانند BU9792 یا آلترناتیوهای آن در جدول2 هم در کنار آن استفاده کنیم.
جدول :2 چند نمونهی آلترناتیوهای سختافزاری
در مقایسهی طرحها تنها هزینهی سختافزار طرح در هزینهی طرح دیده شد و از هزینههای تحمیلی نرمافزاری طرحها چشمپوشی شده است. هزینههای تحمیلی نرمافزار یک طرح به هزینههایی گفته میشود که به دلیل شرایط سختافزاری یک طرح در برابر طرح دیگر به تولیدکننده تحمیل میشوند. مانند هزینهی زمانی که تیم برنامه نویس فرمویر صرف نوشتن برنامههای تولید پالس راکتیو میکند زمانی که از سختافزاری استفاده میشود که توانایی تولید سختافزاری این پالس را ندارد .[5] همچنین در ارزیابی این طرحها، تنها هزینههای طرحها مد نظر قرار نگرفته بلکه کیفیت و طول عمر و امتیازات اضافی مناقصات، نیز در نظر گرفته شده است.
-5 طراحی مفهومی و بلوک دیاگرام کنتور
طراحی مفهومی بهینه به شکل بلوک دیاگرام و اسناد فنی توضیح دهنده برای هریک از بلوکها آماده شد. شکلهای 3، 4 و 5 بخشی از بلوک دیاگرام منتخب را نشان میدهد. بخشهای دیگر بلوک دیاگرام به دلیل حجم بالا در اینجا مشخص نشده است و در مرجع [6] در دسترس است.
برای نمونه برای بلوک Current Transducer در شکل 4 از انواع سنسور جریان - ترانس جریان، مقاومت شانت، سنسور اثرهال و... - سنسور شانت انتخاب شده است و در سند فنی متناظر آن بلوک [8]، اصول عملکردی آن، مزایا و معایب سنسور نسبت به آلترناتیوها ، دلیل انتخاب آن، مشخصات فنی مختصر آن و... بیان شده است.
