Quản lý mạng lưới điện - lần 2

Bài đăng blog gần đây của tôi về quản lý mạng lưới điện đã thu hút một số lượng lớn các bình luận thú vị và rất bổ ích. Điều này thực sự ấm lòng đối với tôi khi thấy rất nhiều người tham gia vào cuộc thảo luận. Tất cả những đóng góp này đã giúp tôi nhận ra rằng lĩnh vực quản lý điện năng là một lĩnh vực rộng lớn và phức tạp. Điều này cũng rõ ràng là một lĩnh vực quan trọng đối với tất cả các bạn, bất kể các bạn thiết kế loại thiết kế nào.

Nhiều bình luận này đưa ra những gợi ý và ý tưởng tuyệt vời. Tôi muốn cố gắng tổng hợp tất cả những điều này một cách có hệ thống và tổ chức, hy vọng sẽ chỉ ra một hướng đi rõ ràng và hữu ích.

Tôi muốn tiếp cận vấn đề này bằng cách đầu tiên là định nghĩa và phân loại rõ ràng các vấn đề cần được giải quyết để quản lý năng lượng trở nên ít "tiêu tốn năng lượng" hơn (xin lỗi vì sự chơi chữ) đối với bạn. Sau đó, đối với mỗi vấn đề, hoặc nhóm vấn đề, tôi sẽ cố gắng đề xuất một số phương pháp tiếp cận có thể cho giải pháp, trong khi cố gắng ước lượng công sức phát triển cần thiết để triển khai chúng.

Các loại vấn đề đầu tiên là cơ bản.

Mỗi mạng lưới năng lượng (tập hợp các mạch liên quan đến việc cung cấp năng lượng cho các thành phần) cuối cùng nên được kết nối với một nguồn năng lượng bên ngoài nào đó. Mọi nguồn năng lượng bên ngoài cũng nên cung cấp năng lượng đến một nơi nào đó. Trên một mạng lưới năng lượng nhất định, các ràng buộc ngân sách cơ bản nên được tôn trọng (năng lượng sản xuất nên lớn hơn hoặc bằng năng lượng tiêu thụ, các phạm vi điện áp hoạt động của các thiết bị kết nối với một mạch chung nên phù hợp). Ngoài ra, khi mạng lưới năng lượng tương tác với tín hiệu (tôi đề cập đến pull-ups và pull-downs), không nên tạo ra lỗi ngẫu nhiên, làm mờ đi lỗi thực sự.

Sau đó là các vấn đề có bản chất phức tạp hơn.

Mỗi ngân sách mạng lưới điện cần được quản lý một cách chính xác để đảm bảo rằng nguồn cung cấp được phân phối phù hợp (để các bộ phận khác nhau hoạt động đúng cách) và cuối cùng được thu lại, dưới mọi điều kiện hoạt động có thể. Điều đáng quan tâm là lượng dòng điện cung cấp dưới điện áp nào (đối với phía cung cấp), và làm thế nào nó được thu lại và trả về.

Cuối cùng, có những vấn đề nâng cao hơn.

Cuối cùng, PCB cần được thiết kế theo cách thỏa mãn vật lý các yêu cầu về điện của các bộ phận sử dụng. Để tránh công việc lặp lại và lỗi, các ràng buộc thiết kế này nên được tính toán tự động từ thông tin sơ đồ. Sau đó, để xác minh kết quả có phù hợp, thiết kế PCB cuối cùng nên được mô phỏng. Những vấn đề này liên quan đến thiết kế mặt phẳng điện và mặt phẳng chia, quản lý đường dẫn, quản lý nhiệt, căng thẳng bộ phận, và vân vân.

Kiểm tra kết nối điện đơn giản

Đối với nhóm vấn đề cơ bản đầu tiên, tôi nghĩ rằng, với phương tiện để định nghĩa một mạng lưới điện, các nút của nó và các đặc tính cơ bản của chúng, nó sẽ tương đối dễ dàng để thực hiện các kiểm tra cơ bản và tập trung sự chú ý của nhà thiết kế vào các vấn đề tiềm ẩn.

Các kiểm tra cơ bản mà tôi đang nghĩ đến là:

• Có ít nhất một nguồn sản xuất điện trong mạng lưới.
• Công suất sản xuất trên mạng lưới lớn hơn hoặc bằng công suất tiêu thụ.
• Dải điện áp của các thiết bị kết nối với mạng lưới ít nhất phải giao nhau.

Câu hỏi quan trọng là: cách thực hiện thực tế này sẽ như thế nào?

Đầu tiên, hãy xem xét cách để 'xây dựng' một mạng lưới điện. Một mạng lưới điện chỉ đơn giản là một tập hợp các mạch liên quan đến việc cung cấp điện cho các bộ phận cần nó.

Tôi thấy việc sử dụng phần nhìn xuyên qua là một cơ chế tốt để đạt được mục đích định nghĩa này.

Tôi hiểu rằng biểu đồ đồ họa được đề xuất trong bài viết trước không phù hợp, và tôi hoàn toàn nhìn thấy các điểm được đưa ra - như đã mô tả trước đây, chúng có thể gây nhầm lẫn, đánh lạc hướng và làm lộn xộn không gian thiết kế một cách không cần thiết.

Mục đích chính của chúng là để truyền đạt rằng cho một mục đích nhất định (ở đây, định nghĩa mạng lưới điện) hai mạch nên được xem xét kết nối. Trong trường hợp quản lý điện, chúng chỉ đơn giản hoạt động như dây dẫn, và do đó nên được đặt trên các bộ phận không ảnh hưởng đến điện áp một cách lớn.

Điều này nên được phản ánh qua hành vi và biểu đồ của chúng. Trên màn hình, chúng chỉ nên hiển thị một cách rõ ràng - ví dụ khi con trỏ chuột di chuyển qua một chân liên quan, và/hoặc tùy thuộc vào một số tùy chọn hoặc cài đặt. Cách chúng sẽ trông như thế nào (khi và nếu chúng hiển thị), tôi chưa xác định được. Chắc chắn phải có khả năng loại bỏ chúng khỏi bản in và đầu ra. Ngoài ra, chúng sẽ cho phép mối quan hệ một-đến-nhiều. Sẽ có thể đặt chúng trong một thư viện hoặc trong một bối cảnh thiết kế.

Sau đó, hãy xem xét những gì sẽ cần thiết để xác định các đặc tính điện cơ bản trên một mạng lưới điện. Tôi hiểu rằng việc thay thế loại chân ‘Power’ bằng hai loại ‘Power Supply’ và ‘Power Sink’, trong khi nhúng các đặc tính điện vào tham số chân là một ý tưởng phổ biến. Tuy nhiên, điều này khiến tôi cảm thấy không thoải mái vì một số lý do.

Trước hết, vấn đề cập nhật dữ liệu được đặt ra, cả trong bối cảnh thư viện và thiết kế. Đối với một chân Power "cũ", một lựa chọn khôn ngoan sẽ phải được thực hiện khi chuyển sang phần mềm mới (nó được dự định là nguồn cung cấp hay nguồn tiêu thụ?). Xét về tình hình thực tế hiện nay, có vẻ như không có câu trả lời dễ dàng. Vấn đề tương tự cũng tồn tại đối với khả năng tương thích ngược, và dữ liệu di chuyển qua lại giữa các phiên bản khác nhau của phần mềm.

Thứ hai, ý kiến có vẻ chia rẽ về việc đặt tên và các khái niệm cơ bản của các loại này (Nguồn cung cấp/ tiêu thụ điện, Nguồn cung cấp/ tiêu thụ dòng, Tham chiếu Dương / Âm...). Một số nhầm lẫn cũng có thể được giới thiệu liên quan đến nguồn cung cấp điện âm.

Cũng có vấn đề về đặc tính của các bộ phận thay đổi tùy thuộc vào cách chúng được sử dụng trong các thiết kế khác nhau. Điều này bao gồm từ các bộ điều chỉnh có thể điều chỉnh đến công suất do các kết nối chung cung cấp. Việc sửa đổi chính các chân của bộ phận trong thiết kế luôn là một khả năng, nhưng đây là một cách tiếp cận đầy rủi ro khi nói đến quản lý dữ liệu chặt chẽ (ví dụ khi sử dụng Cập nhật từ Thư viện, hoặc Quản lý Mục Thiết kế).

Tôi nghĩ rằng, điều cần thiết ở đây để tiến lên phía trước là một hệ thống linh hoạt hơn, cho phép khai báo đặc tính của các chân kết nối một cách đơn giản.

Trong góc nhìn này, tôi thích ý tưởng về ‘Gắn Thẻ’ được Ian đề xuất. Một ‘Thẻ Năng Lượng’ đơn giản là một mô tả kết nối. Nó được định nghĩa bởi một loại (Người sản xuất hoặc Người tiêu dùng), một mức công suất, một phạm vi điện áp và một mô tả văn bản tự do. Khi nó được đặt trên một chân, nó khai báo các đặc tính điện của chân đó. Nó có thể được đặt trong một ngữ cảnh thư viện, hoặc trong một ngữ cảnh thiết kế.

Sau đó, với một mạng lưới năng lượng, các kiểm tra cơ bản có thể dễ dàng được thực hiện:

• Các loại kết nối cho phép kiểm tra sự vắng mặt của người sản xuất hoặc người tiêu dùng.
• Tất cả công suất của người sản xuất [được sản xuất] có thể được cộng lại, và tất cả công suất của người tiêu dùng [được tiêu thụ] cũng có thể được cộng lại. Hai giá trị này sau đó có thể được so sánh để kiểm tra sự mất cân bằng của mạng lưới năng lượng.
• Cuối cùng, các phạm vi điện áp của mỗi chân được kết nối với thẻ năng lượng có thể được so sánh để kiểm tra sự phù hợp hợp lệ.

Hình ảnh sau đây minh họa cách tiếp cận tổng thể được mô tả ở trên. Trong ví dụ này, hai mạng lưới năng lượng được định nghĩa: 5V0 và 3V3.

Một giắc cắm năng lượng cung cấp 5V0 cho toàn bộ mạng lưới. Trực tiếp trong sơ đồ mạch (vì tình huống này là cụ thể cho thiết kế) một Thẻ Năng Lượng mô tả các đặc tính năng lượng của chân giắc cắm được kết nối với đường ray 5V0.

Một công tắc cho phép bật và tắt nguồn. Vì các mạng +B và 5V0 là một phần của cùng một mạng lưới nguồn, và thực tế ở cùng một điện áp, hai đường nối xuyên suốt được thêm vào để liên kết chân 1 và 3, và chân 3 và 2. Một công tắc luôn "trong suốt", vì vậy những đường nối xuyên suốt này có thể đã được thêm vào biểu tượng sch của nó, trong một thư viện sơ đồ.

Sau đó, một bộ điều chỉnh giảm áp từ 5V0 xuống còn 3V3.

5V0 được cung cấp cho một bộ khuếch đại công suất âm thanh. Các Thẻ Nguồn được đặt trên các chân mô tả các đặc tính của chúng. Giá trị tiêu thụ nguồn mô tả trường hợp xấu nhất. Điều này có thể được thực hiện trong môi trường thư viện sơ đồ, hoặc trong chính sơ đồ.

3V3 được cung cấp cho bộ điều khiển màn hình cảm ứng, các đặc tính chân được mô tả bởi các Thẻ Nguồn phù hợp.

Sau đó, các kiểm tra nguồn đơn giản có thể được thực hiện trên 5V0:

Nhà sản xuất trên 5V0

Người tiêu dùng trên 5V0

Cũng trên mạng lưới này, tất cả các phạm vi điện áp đều phù hợp (J19-1 cung cấp 5V0, trong khi U1-1 cần 2V7~6V0, và U26-2, 10 và 15 cần 4V5~5V0).

Trên 3V3, cùng một kiểm tra có thể được thực hiện:

Nhà sản xuất trên 3V3

Người tiêu dùng trên 3V3

Cũng trên mạng 3V3, các phạm vi điện áp hoạt động phù hợp (3.2V~3.4V, 1.2V~ 3.4V, 2.7V~3.6V, 2.7V~3.6V)

Dựa trên cách tiếp cận được sửa đổi này, tôi bắt đầu thấy một lộ trình rõ ràng để triển khai một giải pháp hiệu quả giải quyết những vấn đề cơ bản này, trong vài tháng.

Cũng nên có khả năng làm nổi bật toàn bộ mạng lưới điện khi cần, với một số chỉ dẫn về tính chính xác của chúng.

Tương tự, một cơ chế đơn giản để nhóm các nhà sản xuất lại với nhau, sử dụng chỉ số nhóm trong Power Tag, sẽ cho phép chúng tôi chỉ ra những nhà sản xuất nào sẽ hoạt động cùng một lúc (và do đó nên được cộng lại), ví dụ như cho các hệ thống điện dự phòng. Hệ thống có thể xem xét điều này khi thực hiện các kiểm tra.

Quản lý và phân tích điện năng tiên tiến

Tôi cũng muốn giải quyết vấn đề phức tạp hơn của việc quản lý ngân sách điện năng được hỗ trợ.

Tôi hiểu rằng một công cụ rất hữu ích sẽ là công cụ có thể, dựa trên toàn bộ đặc tính điện của các thành phần liên quan và cách chúng được kết nối với nhau, thực hiện tất cả các phép toán và báo cáo liệu tất cả các ràng buộc được khai báo có được thoả mãn, mọi lúc. Tôi đồng ý với quan điểm này.

Để thực hiện điều đó một cách thỏa đáng, động cơ mô phỏng Spice sẽ phải được đưa vào, điều này rõ ràng là có thể.

Ngoài việc thêm các mô hình mô phỏng phù hợp vào thư viện và thiết kế, tôi vẫn chưa chắc chắn liệu tất cả các trường hợp có thể được bao phủ một cách đáng tin cậy hay không. Mức tiêu thụ năng lượng của nhiều thiết bị phụ thuộc vào cách chúng thực sự hoạt động ngoài thực địa. Để đáp ứng điều này, động cơ mô phỏng Spice cần phải được trang bị phương tiện để tính đến cách thiết bị được lập trình, và cách những thiết bị được lập trình này tương tác với môi trường xung quanh.

Điều này nghe có vẻ như một dự án rất thú vị, nhưng phù hợp với một quan điểm dài hạn. Tôi cảm thấy đây là điều đáng để suy ngẫm, điều tra và thảo luận thêm - có thể trong một bài đăng blog tương lai!

Cuối cùng, các chủ đề nâng cao về việc tạo ra các quy tắc tự động và mô phỏng thiết kế cuối cùng có vẻ hữu ích nếu chúng có thể được giải quyết một cách hiệu quả. Tuy nhiên, con đường đến với việc triển khai cuối cùng của chúng dường như còn mơ hồ hơn.

Về việc tạo ra quy tắc tự động, một số vấn đề kiến trúc sẽ cần được giải quyết trong phần mềm, như khả năng định nghĩa quy tắc nhị phân ở cấp độ sơ đồ chẳng hạn. Sau đó, các hướng dẫn cho việc tạo ra quy tắc tự động cần phải được điều tra và xác định một cách rõ ràng, có thể, với việc giới thiệu các quy tắc mới ở cấp độ PCB.

Ngoài ra, trong thế giới mô phỏng kết quả cuối cùng, một số công nghệ hoàn toàn mới sẽ phải được phát triển hoặc mua lại. Một số bước chiến lược sẽ phải được thực hiện trước tiên để giải quyết các khía cạnh này một cách hiệu quả.

Bài viết này khá dài, nhưng tôi nghĩ sự quan tâm được bày tỏ đối với chủ đề này đòi hỏi một phân tích cẩn thận, và một câu trả lời chi tiết và trung thực tương tự. Mục tiêu của tôi là đề ra một lộ trình rõ ràng đến một giải pháp hữu ích có thể được triển khai một cách hiệu quả trong vòng vài tháng.

Ngay cả đối với giải pháp cơ bản mà tôi đề xuất, một số đầu vào sẽ rất hữu ích.

Ví dụ, tôi cứ nói về ‘Mạng lưới điện’ nhưng tôi thấy thuật ngữ này mơ hồ nhất là. Ở đây chúng tôi đã bàn luận về thuật ngữ ‘Đường dây điện’. Bạn nghĩ sao?

Ngoài ra, việc biểu diễn đồ họa phần nhìn xuyên qua, và Power Tags chắc chắn sẽ đòi hỏi sự cân nhắc rất kỹ lưỡng. Những gì được vẽ trong hình minh họa ở trên chỉ là bản nháp. Ý kiến đề xuất của bạn sẽ được chào đón.

Như mọi khi, tôi rất muốn đọc ý kiến và ý tưởng của bạn ở đây.

Vui lòng đăng chúng trong phần bình luận bên dưới.