一種單相電子式電表自動校正工具的研制

福建億榕信息技術有限公司 嚴應亮 王 瑋

1.引言

自從十幾年前電子式電表芯片進入中國以來，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用和普及。隨著智能電表的推廣，可以預見，在未來一段時間，電子式單相電表仍然將會以很高的速度繼續增長。

筆者在幾年前做自動抄表時接觸了一些電表廠家，在生產現場，他們均反映目前生產一批電表耗時很久，而且由于所采用的計量芯片的原因(國內單相電子式電表多采用ADE7755)，只能通過人工進行誤差校正，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備實現誤差自動校正，既提高誤差校正的精度和一致性，又提高生產效率。

筆者正好接觸到一款奧地利微電子公司的計量芯片AS8168，并以此作為單相表計量芯片，研制出了一套自動校表系統。

2.方案基本思路

2.1 電表計量芯片支持

目前很多工廠生產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，調節誤差的手段基本都是靠調節芯片電壓回路的電阻矩陣來完成。以圖1為例，虛線框子內部相當于一個電位器，通過生產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。這樣就可以調節進入AD7755電壓檢測回路的電壓，又因為功率的公式是P=U×I，所以調節這個電壓就可以調節這個電表的精度。

本文將要推薦使用的是奧地利微電子(AMS)公司的AS8168芯片，該芯片的精度調節機理和AD7755完全不同，它不需要芯片外部的電阻整列。其內部有一個70bit的存儲器，可以通過對這個存儲器的編程來實現誤差的調整，同時還可以通過編程來調節其他的一些參數，比如：反潛動電流、步進電機、常數、LED表常數等。同時該芯片還提供了編程接口。所以，使用這樣的芯片來進行自動校正就是有可能的。圖2就是該芯片的內部框圖。

圖3是該芯片的典型連接圖，虛線框線內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 校正系統的設計方向

我們深刻的理解，我們所做的工作是一個原創設計，沒有現成的參考設計，也沒有設計資料可以檢索。為了能讓我們要設計的系統能充分提高效率，我們在生產現場仔細觀察了校正工序。校正工序一般在校驗臺上進行。校驗臺一般可以同時接20個單相電表，生產線的操作員在校驗臺上一下安裝好20個待校準的電表后，讓校驗臺上電，然后操作員一邊看校驗臺上某個電表的誤差顯示，一邊用電烙鐵調整誤差，一個電表需要反復調整3輪，才能調好。平均每個電表的調整時間需要30～40秒。

基于這次調研，我們認為可以將本系統設計成并行校正方式，即主機給出一個指令，讓多個子單元同時開始校正，這樣無論主機連接多少個子單元，其校正的耗時都差不多。這樣，我們畫出了該系統的基本框圖，如圖4所示。

如圖4所示，本機的主機可以設置電表的參數、可以控制多個校正板，校正板最多可以連接到32個，主機還需要標準電表送來的快速參考脈沖，用來做誤差測量的基準。同時主機還會將這個信號放大整形后送回電表校正架，因為電表校正架上有誤差顯示單元，它們也需要參考表的快速脈沖。

我們的設計就按照這個方向展開，首先我們集中力量設計校正板，因為這個是驅動電表芯片的關鍵部件。根據AS8168芯片的數據手冊，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。

本系統實物圖片如圖7、圖8：

3.設計難點

首先，根據我們以往的設計經驗。我們認為設計的突破口應該放在AS8168的芯片接口之上，只有這個接口工作穩定可靠，這個項目才有存在的意義。在提高系統的可靠性方面，我們付出了不少的努力。

該芯片的存儲器的每個bit只能編程一次，而且編程后的芯片其內容不能擦除。所以在研制這個機器的時候，犧牲了很多芯片，我們發現該芯片對編程接口的信號特別敏感。稍有風吹草動，芯片中就會寫入隨機的數據。為此我們強化了接口信號的抗干擾處理。主要采用了以下幾個措施：

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

(2)所有數字電路都采用高操作頻率的器件，以保證信號的相應和信號完整性。

(3)控制整個CPU系統的噪聲，保證軟件的運行不會被硬件的噪聲所干擾。

由于本方案中，一個主機需要帶1～32個校正單元，各個客戶需要的校正單元數量各不相同，有的客戶只會需要1～2個校正單元，有的客戶卻最多需要32個校正單元。所以，如何設計主機與各個校正單元之間的連接方式，是一個大問題，因為這需要同時考慮每個校正單元的通訊、電源等問題，還需要考慮大量校正單元同時工作的時候相互之間的串擾問題。問題主要集中在以下方面：

(1)我們在設計中發現，當主機只連接3～4個校正單元的時候，不管如何通訊，都不會出錯，而一旦開始增加校正單元的個數，就會陸續出現通訊錯誤。校正單元的個數越多，這個現象越明顯。對于這個問題，我們通過調整主機軟件中的通訊節拍來解決，實踐證明該方法有不錯的效果。

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

表1

表2

圖1

圖2 芯片的內部框圖

圖3 芯片的典型連接圖

圖4 系統的基本框圖

圖5 校正板的框圖

圖6 軟件流程圖

圖7 主機圖

圖8 校正單元板

圖9 經本系統校正之后的誤差數字

圖10 某一線電表廠家的生產現場

4.生產效果

4.1 本系統的校正時間差別

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

從表1可以看出，生產線操作員在調試電表的時候用了10分鐘，總用時是14分鐘。校正用時占用了71%。

然后在晚班時段在同一校驗臺更換成我們的校驗系統，本設備校正的是一批使用AS8168芯片的電表。校正時間如表2所示。

圖11 是改裝之前的電表校正架

圖12 是本系統綁定在某廠現有較表臺上工作

圖13 經過綁定改裝之后的校正架

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

由于目前的校正設備還不能讓操作員繞開費時的上表、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可觀的。效率提高程度的計算方法如下：

把現場記錄的數據代入后得到生產效率的提高程度：

可以想象，如果本系統將來升級到同時校正100個或者200個電表，那效率的提高可以輕松達到80%-90%。

4.2 本系統的經濟效益

我們在計算本校驗系統投入使用后引起的成本差別之前先設定幾組數據

(1)假設一個生產線熟練工的工資是1500元，記為S；

(2)假設一個生產線非熟練工的工資是1200元，記為F；

(3)假設一個每個人的每月的工作時間是22個工作日，每天8小時，總計176小時，10560分鐘，記為M；

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

(5)生產AD7755電表每月的校正成本，記為D；

(6)生產AS8168電表每月的校正成本，記為A；

我們先來計算老方式下的單表校正成本：

使用我們的校正系統后，單表校正成本為：

二者節約了0.0568181元。

如果生產線淘汰熟練工，而采用非熟練工（因為是自動校正，完全可以使用非熟練工），其單表校正成本為：

二者再次相比，節約了0.0652509元，如果一個工廠采用此項技術，如果他的產量達到100萬，那就可以省下6.525萬元。如果本系統將來升級到同時校正100個或者200個電表，那本系統帶來的效益將會達到30～50萬元。由此看來，本系統的由于設計的時候注意了生產的便利性，所以它產生的效益還是非常可觀的。

4.3 產成品的精度和一致性

在生產現場，我們拍攝了一些照片，圖9顯示的數字就是經本系統校正之后的誤差數字，這張圖9照片雖然只顯示了2個電表的誤差，但是所有的電表結果本系統的校正之后都能達到這樣的精度。也就是說，電表經過這個設備的校正后的精度一致性是相當好的。圖9中白色的塑料盒子就是本系統的校正下載單元。

4.4 對現有設備的兼容性

本套系統一個很重要的設計目標，就是對電表廠家的現有設備盡量少的做改動。為此，我們在項目規劃的時候就廣泛走訪了許多廠家，對各個廠家現有設備的情況進行了一個摸底。力求在設計完成的時候，本系統可以兼容大多數的設備。圖10是某一線電表廠家的生產現場，圖11是改裝之前的電表校正架。

對現有設備的兼容性主要體現在本系統的拓撲結構的設計上。其次，由于本系統需要引用現有生產設備的某些信號，這些信號在不同的工廠有不同的規格。因此在設計本系統的輸入、輸出接口的時候就做了特別處理。從實踐效果來看，本系統有不錯的兼容性。圖12、圖13是本系統綁定在某廠現有較表臺上工作的照片，這樣綁定之后，不僅可以生產AS8168芯片的電表，也能生產原先的AD7755芯片的電表。同時還充分利用了現有的設備，很好地保護了客戶現有的投資。

圖14是經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的校正下載板；下面的白色箭頭是本系統的主機。

5.結論

相較于傳統的自動校表方式，本系統有以下優點：

(1)將調整電表那樣的簡單勞動，用機器來替代，大幅度提高校正效率。

(2)員工無需額外培訓，無需額外增加校驗臺，降低了生產成本。

(3)大幅度提高了校正的精度和一致性。

(4)產品的精度不受工人熟練度和情緒的影響。