福建億榕信息技術(shù)有限公司 嚴(yán)應(yīng)亮 王 瑋

1.引言

自從十幾年前電子式電表芯片進(jìn)入中國以來，電子式電表，以其低成本、精確性和長壽命在中國的得到了迅速的應(yīng)用和普及。隨著智能電表的推廣，可以預(yù)見，在未來一段時(shí)間，電子式單相電表仍然將會(huì)以很高的速度繼續(xù)增長。

筆者在幾年前做自動(dòng)抄表時(shí)接觸了一些電表廠家，在生產(chǎn)現(xiàn)場，他們均反映目前生產(chǎn)一批電表耗時(shí)很久，而且由于所采用的計(jì)量芯片的原因(國內(nèi)單相電子式電表多采用ADE7755)，只能通過人工進(jìn)行誤差校正，受工人人為因素影響，同一批電表校表后的精度和一致性通常較差。故很多廠家希望能有一套設(shè)備實(shí)現(xiàn)誤差自動(dòng)校正，既提高誤差校正的精度和一致性，又提高生產(chǎn)效率。

筆者正好接觸到一款?yuàn)W地利微電子公司的計(jì)量芯片AS8168，并以此作為單相表計(jì)量芯片，研制出了一套自動(dòng)校表系統(tǒng)。

2.方案基本思路

2.1 電表計(jì)量芯片支持

目前很多工廠生產(chǎn)電子式單相電表所使用的芯片都是ADI公司的AD7755或者是AD7755的類似芯片或者兼容芯片。如果使用此類芯片，調(diào)節(jié)誤差的手段基本都是靠調(diào)節(jié)芯片電壓回路的電阻矩陣來完成。以圖1為例，虛線框子內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)電位器，通過生產(chǎn)線上的工人有選擇地用電烙鐵人工短路JN1-JN8，來分別短路電阻R6-R13。這樣就可以調(diào)節(jié)進(jìn)入AD7755電壓檢測回路的電壓，又因?yàn)楣β实墓绞荘=U×I，所以調(diào)節(jié)這個(gè)電壓就可以調(diào)節(jié)這個(gè)電表的精度。

本文將要推薦使用的是奧地利微電子(AMS)公司的AS8168芯片，該芯片的精度調(diào)節(jié)機(jī)理和AD7755完全不同，它不需要芯片外部的電阻整列。其內(nèi)部有一個(gè)70bit的存儲(chǔ)器，可以通過對這個(gè)存儲(chǔ)器的編程來實(shí)現(xiàn)誤差的調(diào)整，同時(shí)還可以通過編程來調(diào)節(jié)其他的一些參數(shù)，比如：反潛動(dòng)電流、步進(jìn)電機(jī)、常數(shù)、LED表常數(shù)等。同時(shí)該芯片還提供了編程接口。所以，使用這樣的芯片來進(jìn)行自動(dòng)校正就是有可能的。圖2就是該芯片的內(nèi)部框圖。

圖3是該芯片的典型連接圖，虛線框線內(nèi)是該芯片的電壓輸入回路，可以看見該圖不僅省去了電阻矩陣，而且所使用的器件也明顯沒有AD7755多。

2.2 校正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向

我們深刻的理解，我們所做的工作是一個(gè)原創(chuàng)設(shè)計(jì)，沒有現(xiàn)成的參考設(shè)計(jì)，也沒有設(shè)計(jì)資料可以檢索。為了能讓我們要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能充分提高效率，我們在生產(chǎn)現(xiàn)場仔細(xì)觀察了校正工序。校正工序一般在校驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。校驗(yàn)臺(tái)一般可以同時(shí)接20個(gè)單相電表，生產(chǎn)線的操作員在校驗(yàn)臺(tái)上一下安裝好20個(gè)待校準(zhǔn)的電表后，讓校驗(yàn)臺(tái)上電，然后操作員一邊看校驗(yàn)臺(tái)上某個(gè)電表的誤差顯示，一邊用電烙鐵調(diào)整誤差，一個(gè)電表需要反復(fù)調(diào)整3輪，才能調(diào)好。平均每個(gè)電表的調(diào)整時(shí)間需要30～40秒。

基于這次調(diào)研，我們認(rèn)為可以將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成并行校正方式，即主機(jī)給出一個(gè)指令，讓多個(gè)子單元同時(shí)開始校正，這樣無論主機(jī)連接多少個(gè)子單元，其校正的耗時(shí)都差不多。這樣，我們畫出了該系統(tǒng)的基本框圖，如圖4所示。

如圖4所示，本機(jī)的主機(jī)可以設(shè)置電表的參數(shù)、可以控制多個(gè)校正板，校正板最多可以連接到32個(gè)，主機(jī)還需要標(biāo)準(zhǔn)電表送來的快速參考脈沖，用來做誤差測量的基準(zhǔn)。同時(shí)主機(jī)還會(huì)將這個(gè)信號放大整形后送回電表校正架，因?yàn)殡姳硇Ｕ苌嫌姓`差顯示單元，它們也需要參考表的快速脈沖。

我們的設(shè)計(jì)就按照這個(gè)方向展開，首先我們集中力量設(shè)計(jì)校正板，因?yàn)檫@個(gè)是驅(qū)動(dòng)電表芯片的關(guān)鍵部件。根據(jù)AS8168芯片的數(shù)據(jù)手冊，我們畫出了校正板的框圖，如圖5所示。

在軟件方面，軟件處理流程如圖6所示。

本系統(tǒng)實(shí)物圖片如圖7、圖8：

3.設(shè)計(jì)難點(diǎn)

首先，根據(jù)我們以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。我們認(rèn)為設(shè)計(jì)的突破口應(yīng)該放在AS8168的芯片接口之上，只有這個(gè)接口工作穩(wěn)定可靠，這個(gè)項(xiàng)目才有存在的意義。在提高系統(tǒng)的可靠性方面，我們付出了不少的努力。

該芯片的存儲(chǔ)器的每個(gè)bit只能編程一次，而且編程后的芯片其內(nèi)容不能擦除。所以在研制這個(gè)機(jī)器的時(shí)候，犧牲了很多芯片，我們發(fā)現(xiàn)該芯片對編程接口的信號特別敏感。稍有風(fēng)吹草動(dòng)，芯片中就會(huì)寫入隨機(jī)的數(shù)據(jù)。為此我們強(qiáng)化了接口信號的抗干擾處理。主要采用了以下幾個(gè)措施：

(1)降低電源的紋波，由于紋波會(huì)疊加在編程接口的信號線上，會(huì)影響編程接口的穩(wěn)定性。

(2)所有數(shù)字電路都采用高操作頻率的器件，以保證信號的相應(yīng)和信號完整性。

(3)控制整個(gè)CPU系統(tǒng)的噪聲，保證軟件的運(yùn)行不會(huì)被硬件的噪聲所干擾。

由于本方案中，一個(gè)主機(jī)需要帶1～32個(gè)校正單元，各個(gè)客戶需要的校正單元數(shù)量各不相同，有的客戶只會(huì)需要1～2個(gè)校正單元，有的客戶卻最多需要32個(gè)校正單元。所以，如何設(shè)計(jì)主機(jī)與各個(gè)校正單元之間的連接方式，是一個(gè)大問題，因?yàn)檫@需要同時(shí)考慮每個(gè)校正單元的通訊、電源等問題，還需要考慮大量校正單元同時(shí)工作的時(shí)候相互之間的串?dāng)_問題。問題主要集中在以下方面：

(1)我們在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主機(jī)只連接3～4個(gè)校正單元的時(shí)候，不管如何通訊，都不會(huì)出錯(cuò)，而一旦開始增加校正單元的個(gè)數(shù)，就會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤。校正單元的個(gè)數(shù)越多，這個(gè)現(xiàn)象越明顯。對于這個(gè)問題，我們通過調(diào)整主機(jī)軟件中的通訊節(jié)拍來解決，實(shí)踐證明該方法有不錯(cuò)的效果。

(2)由于每個(gè)校正單元必須在主機(jī)中配套對應(yīng)的電源、通訊等接口電路。為了適應(yīng)用戶對校正單元的彈性需求，我們原先的方案是在主機(jī)中做32套電源、通訊接口電路，以適應(yīng)用戶的最大需求，但是我們在使用中發(fā)現(xiàn)，這樣的方案會(huì)導(dǎo)致成本大幅度增加；主機(jī)的發(fā)熱量也大幅度增加；主機(jī)重量太重等弊端。為此，我們對電源和通訊接口做了重新設(shè)計(jì)。將電源和通訊接口做成插卡式的設(shè)計(jì)，需要多少個(gè)校正單元就插多少電源和通訊接口電路板，這樣，很好地控制了整機(jī)的成本，也使機(jī)器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)簡化了不少。

表1

表2

圖1

圖2 芯片的內(nèi)部框圖

圖3 芯片的典型連接圖

圖4 系統(tǒng)的基本框圖

圖5 校正板的框圖

圖6 軟件流程圖

圖7 主機(jī)圖

圖8 校正單元板

圖9 經(jīng)本系統(tǒng)校正之后的誤差數(shù)字

圖10 某一線電表廠家的生產(chǎn)現(xiàn)場

4.生產(chǎn)效果

4.1 本系統(tǒng)的校正時(shí)間差別

首先我們對一個(gè)大型電表工廠正在生產(chǎn)的老式的電子式電表的校正時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，這個(gè)老式電子式電表使用的是AD7755芯片，它需要人工調(diào)整電阻矩陣，工序繁瑣且速度滿，還需要熟練工。(如表1)

從表1可以看出，生產(chǎn)線操作員在調(diào)試電表的時(shí)候用了10分鐘，總用時(shí)是14分鐘。校正用時(shí)占用了71%。

然后在晚班時(shí)段在同一校驗(yàn)臺(tái)更換成我們的校驗(yàn)系統(tǒng)，本設(shè)備校正的是一批使用AS8168芯片的電表。校正時(shí)間如表2所示。

圖11 是改裝之前的電表校正架

圖12 是本系統(tǒng)綁定在某廠現(xiàn)有較表臺(tái)上工作

圖13 經(jīng)過綁定改裝之后的校正架

用我們的設(shè)備，整個(gè)校正過程只要30秒左右，加上工人連接下載線的時(shí)間，大約90秒可以完成校正程序，即使是這樣，在校正這個(gè)步驟，也比原先的生產(chǎn)方式提高了2000%的效率。(以上采集的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)線上的操作員第一次接觸這個(gè)設(shè)備，等他們熟練之后一定還會(huì)有一定幅度的提高。)

由于目前的校正設(shè)備還不能讓操作員繞開費(fèi)時(shí)的上表、下表操作，所以除了校正的步驟以外，其他的步驟和以前是一樣的。但即使考慮這些因素，效率的提高還是相當(dāng)可觀的。效率提高程度的計(jì)算方法如下：

把現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)代入后得到生產(chǎn)效率的提高程度：

可以想象，如果本系統(tǒng)將來升級到同時(shí)校正100個(gè)或者200個(gè)電表，那效率的提高可以輕松達(dá)到80%-90%。

4.2 本系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

我們在計(jì)算本校驗(yàn)系統(tǒng)投入使用后引起的成本差別之前先設(shè)定幾組數(shù)據(jù)

(1)假設(shè)一個(gè)生產(chǎn)線熟練工的工資是1500元，記為S；

(2)假設(shè)一個(gè)生產(chǎn)線非熟練工的工資是1200元，記為F；

(3)假設(shè)一個(gè)每個(gè)人的每月的工作時(shí)間是22個(gè)工作日，每天8小時(shí)，總計(jì)176小時(shí)，10560分鐘，記為M；

(4)校表架每次操作可以出的產(chǎn)量，在電表廠，這個(gè)數(shù)字通常為20和24，為20的居多，這個(gè)數(shù)字記為P；

(5)生產(chǎn)AD7755電表每月的校正成本，記為D；

(6)生產(chǎn)AS8168電表每月的校正成本，記為A；

我們先來計(jì)算老方式下的單表校正成本：

使用我們的校正系統(tǒng)后，單表校正成本為：

二者節(jié)約了0.0568181元。

如果生產(chǎn)線淘汰熟練工，而采用非熟練工（因?yàn)槭亲詣?dòng)校正，完全可以使用非熟練工），其單表校正成本為：

二者再次相比，節(jié)約了0.0652509元，如果一個(gè)工廠采用此項(xiàng)技術(shù)，如果他的產(chǎn)量達(dá)到100萬，那就可以省下6.525萬元。如果本系統(tǒng)將來升級到同時(shí)校正100個(gè)或者200個(gè)電表，那本系統(tǒng)帶來的效益將會(huì)達(dá)到30～50萬元。由此看來，本系統(tǒng)的由于設(shè)計(jì)的時(shí)候注意了生產(chǎn)的便利性，所以它產(chǎn)生的效益還是非?？捎^的。

4.3 產(chǎn)成品的精度和一致性

在生產(chǎn)現(xiàn)場，我們拍攝了一些照片，圖9顯示的數(shù)字就是經(jīng)本系統(tǒng)校正之后的誤差數(shù)字，這張圖9照片雖然只顯示了2個(gè)電表的誤差，但是所有的電表結(jié)果本系統(tǒng)的校正之后都能達(dá)到這樣的精度。也就是說，電表經(jīng)過這個(gè)設(shè)備的校正后的精度一致性是相當(dāng)好的。圖9中白色的塑料盒子就是本系統(tǒng)的校正下載單元。

4.4 對現(xiàn)有設(shè)備的兼容性

本套系統(tǒng)一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就是對電表廠家的現(xiàn)有設(shè)備盡量少的做改動(dòng)。為此，我們在項(xiàng)目規(guī)劃的時(shí)候就廣泛走訪了許多廠家，對各個(gè)廠家現(xiàn)有設(shè)備的情況進(jìn)行了一個(gè)摸底。力求在設(shè)計(jì)完成的時(shí)候，本系統(tǒng)可以兼容大多數(shù)的設(shè)備。圖10是某一線電表廠家的生產(chǎn)現(xiàn)場，圖11是改裝之前的電表校正架。

對現(xiàn)有設(shè)備的兼容性主要體現(xiàn)在本系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。其次，由于本系統(tǒng)需要引用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的某些信號，這些信號在不同的工廠有不同的規(guī)格。因此在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的輸入、輸出接口的時(shí)候就做了特別處理。從實(shí)踐效果來看，本系統(tǒng)有不錯(cuò)的兼容性。圖12、圖13是本系統(tǒng)綁定在某廠現(xiàn)有較表臺(tái)上工作的照片，這樣綁定之后，不僅可以生產(chǎn)AS8168芯片的電表，也能生產(chǎn)原先的AD7755芯片的電表。同時(shí)還充分利用了現(xiàn)有的設(shè)備，很好地保護(hù)了客戶現(xiàn)有的投資。

圖14是經(jīng)過綁定改裝之后的校正架。圖13中上面白色箭頭所指的東西是本系統(tǒng)的校正下載板；下面的白色箭頭是本系統(tǒng)的主機(jī)。

5.結(jié)論

相較于傳統(tǒng)的自動(dòng)校表方式，本系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)將調(diào)整電表那樣的簡單勞動(dòng)，用機(jī)器來替代，大幅度提高校正效率。

(2)員工無需額外培訓(xùn)，無需額外增加校驗(yàn)臺(tái)，降低了生產(chǎn)成本。

(3)大幅度提高了校正的精度和一致性。

(4)產(chǎn)品的精度不受工人熟練度和情緒的影響。