Minimizando Ruídos em Instalações PROFIBUS

Introdução

Este artigo descreve alguns pontos  que devem ser analisados nas instalações e que podem ajudar na minimização de ruídos gerados por inversores de frequência. É muito comum se ter centros de controle de motores operando em Profibus-DP e alguns cuidados são necessários para que a rede não seja afetada por intermitências, causando paradas indesejadas.

Vale sempre lembrar que:

• Em áreas perigosas, deve-se sempre fazer o uso das recomendações dos órgãos certificadores e das técnicas de instalação exigidas pela classificação das áreas.
• Aja sempre com segurança nas medições. Evite contatos com terminais e fiação. A alta tensão pode estar presente e pode causar choque elétrico.
• Lembre-se cada planta e sistema tem os seus detalhes de segurança. Se informe deles antes de iniciar seu trabalho ou de fazer qualquer intervenção.

Boas práticas de aterramento e eliminação dos efeitos dos loops de terra (Ponto Comum)

O Loop de Terra deve sempre ser evitado ou minimizado, pois favorece que uma corrente flua através do condutor, criada pela diferença de potencial entre dois pontos de aterramento, como por exemplo, duas áreas conectadas via cabo Profibus-DP, o que é muito comum nas instalações. Deve-se sempre evitar o acoplamento de campos magnéticos em cabos de sinal.
Quando dois dispositivos são conectados e seus potenciais de terra são diferentes, a corrente flui do potencial mais alto para o mais baixo, através do cabeamento Profibus. Se o potencial de tensão for alto o suficiente, o equipamento conectado não será capaz de absorver o excesso de tensão e conseqüentemente será danificado ou poderá responder inadequadamete à comunicação.

Mesmo em situações em que o potencial de tensão não atinja níveis suficientes para causar danos nos equipamentos, o loop de terra pode ser prejudicial para as transmissões de dados, gerando erros, devido as oscilações causadas.Este tipo de intermitência é comum em instalações e muito complicado de ser diagnosticado.Para evitar  os efeitos de loop de terra, pode-se utilizar isoladores ópticos (repetidores) ou links de fibra óptica nas linhas de dados mais longas. Manter todos os pontos de terra vinculados por cabos independentes, garantindo a equipotencialidade dos mesmos. 

Ateramento e  inversores

 Os requisitos de aterramento dependem do tipo de inversor. Inversores com terra verdadeiro (TE) devem necessariamente ter uma barra de potencial  0V separado do barra de terra de proteção (PE). Tem-se duas possibilidades, conectar os barramentos em um único ponto no gabinete da sala elétrica ou levar separadamente estas barras até a malha de terra.Vale sempre consultar os manuais dos fabricantes e suas recomendações.

Layout e Painéis de automação e elétricos

Não aproximar o cabo da rede Profibus com os cabos de alimentação e saída dos inversores, evitando-se assim, a corrente de modo comum. Sempre que possível limitar o tamanho dos cabos, evitando comprimentos longos e ainda, as conexões devem ser as menores possíveis. Cabos longos e paralelos atuam como um grande capacitor.

A boa prática de layout em painéis permite que a corrente de ruído flua entre os dutos de saída e de entrada ficando fora da rota dos sinais de comunicação e controladores:

• Todas as partes metálicas do armário/gabinete devem estar eletricamente conectadas com a maior área de contato.Deve-se utilizar braçadeira e aterrar as malhas(shield) dos cabos.
• Cabos de controle, comando e de potência devem estar fisicamente separados (> 30cm). Sempre que  possível, utilizar placas de separação e aterradas.
•  Contatores, solenóides e outros dispositivos/assessórios eletromagnéticos devem ser instalados com dispositivos supressores, tais como: snubbers (RCs, os snubbers podem amortecer oscilações, controlar a taxa de variação da tensão e/ou corrente, e grampear sobretensões), diodos ou varistores.
• Cabos de controle e comandos devem estar sempre em um mesmo nível e de um mesmo lado.
• Evitar comprimentos de fiação desnecessários, assim diminuem-se as capacitâncias e indutâncias de acoplamento.
• Se utilizada uma fonte auxiliar 24Vcc para o drive, esta deve ser de aplicação exclusiva ao inversor local.Não alimente outros dispositivos DP com a fonte que alimenta o inversor.O inversor e os equipamentos de automação não devem ser conectados diretamente em uma mesma fonte.
• Recomenda-se o uso de filtro RFI e que sempre se conecte este filtro o mais próximo possível da fonte de ruído.
• Nunca misture cabos de entrada e de saída.
• Todos os motores acionados por inversores devem ser alimentados com cabos blindados aterrados nas duas extremidades.Consulte as recomendações dos fabricantes.
• Um reator de linha deve ser instalado entre o filtro RFI e o drive.
• Sempre que possível utilizar trafo isolador para a alimentação do sistema de automação.

Os reatores de linha constituem um meio simples e barato para aumentar a impedância da fonte de uma carga isolada (como um comando de freqüência variável, no caso dos inversores).  Os reatores são conectados em série a carga geradora de harmônicas e ao aumentar a impedância da fonte, a magnitude da distorção harmônica pode ser reduzida para a carga na qual o reator é adicionado. Aqui recomenda-se consultar o manual do inversor e verificar suas recomendações.

O ideal é ter indutor de entrada incorporado e filtro RFI/EMC para funcionar como uma proteção a mais para o equipamento e como um filtro de harmônicas para a rede elétrica, onde o mesmo encontra-se ligado.

A principal função do filtro RFI de entrada é reduzir as emissões conduzidas por radiofreqüência às principais linhas de distribuição e aos fios-terra. O Filtro RFI de entrada é conectado entre a linha de alimentação CA de entrada e os terminais de entrada do inversor.Deve-se consultar o manual do fabricante do inversor e seguir os detalhes recomendados.

• Os cabos do motor devem estar separados dos cabos da rede. Instalar o inversor e seus acionamentos auxiliares como relés e contatores em gabinetes independentes de outros dispositivos, não mistruando cabos de sinais com cabos de controle/comando, principalmente de controladores e mestre Profibus-DP.
• Para atender as exigências de proteção de EMI todos os cabos externos devem ser blindados, exceto os cabos de alimentação da rede. A malha de blindagem deve ser contínua e não pode ser interrompida.
• Separe em zonas diferentes os sinais de entrada de potência, controle/comandos, saída de potência, etc. Utilize blindagem entre as diferentes zonas.
• Certifique-se de que cabos de diferentes zonas estão roteados em dutos separados.
• Certifique-se de que os cabos se cruzam em ângulos retos a fim de minimizar acoplamentos.
• Use cabos que possuam valores de impedância de transferência os mais baixos possíveis.
• Nos cabos de controle recomenda-se, instalar um pequeno capacitor  (100 nF a 220 nF) entre a blindagem e o terra para evitar circuito AC de retorno ao terra. Esse capacitor atuará como um supressor de interferência.Mas a orientação é sempre consultar os manuais dos fabricantes dos inversores.

Atenuando ruídos

• Escolher inversores com toroídes ou adicionar toróides (Common mode choke) na saída do inversor . A orientação é verificar o manual do fabricante e suas recomendações.
• Utilizar cabo isolado e shieldado(4 vias) entre o inversor e o motor e entre o sistema de alimentação até o inversor.
• Tentar trabalhar com a frequência de chaveamento a mais baixa possivel. A orientação é verificar o manual do fabricante e suas recomendações.
• Conecte a blindagem em cada extremidade ao ponto de aterramento do inversor e à carcaça do motor. A orientação é verificar o manual do fabricante e suas recomendações.
• Sempre aterre a carcaça do motor. Faça o aterramento do motor no painel onde o inversor está instalado ou no próprio inversor. A orientação é verificar o manual do fabricante e suas recomendações.
• Inversores geram correntes de fuga e nestes casos, de acordo com os fabricantes, pode-se introduzir um reator de linha na saída do inversor.
• Ondas refletidas: se a impedância do cabo utilizado não estiver casada com a do motor, acontecerá reflexões.  Vale lembrar que o cabo entre o inversor e o motor apresenta uma impedância para os pulso de saída do inversor(a chamada Surge Impedance).  Nestes casos também recomenda-se reatores. A orientação é verificar o manual do fabricante e suas recomendações.
• Cabos especiais: outro detalhe importante e que ajuda a minimizar os efeitos dos ruídos eletromagnéticos gerados em instalações com inversores e motores AC é o uso de cabos especiais que evitam o efeito corona de descargas que podem deteriorar a rigidez dielétrica da isolação, permitindo a presença de ondas estacionárias e a transferência de ruídos para a malha de terras. Outra característica construtiva de alguns cabos é a dupla blindagem que é mais eficiente na proteção à EMI.
• Em termos da rede Profibus DP, distânciá-la do inversor, onde os sinais vão para os motores e colocar repetidores isolando as áreas. O ideal é usar conectores com indutores de 110nH em série com os sinais A e B, onde a taxa de comunicação for maior que 1.5Mbits/s.Evite deixar conexões sem a proteção do cabo, os chamdos stub-lines e que podem favorecer reflexões.
• Deixar sempre mais de 1 m de cabo entre as estações DPs, para que não haja efeito capacitivo entre as estações e a impedância do cabo elimine este efeito.
• Verificar se os inversores possuem capacitores de modo comum no Barramento CC. Verificar as orientações dos manuais do fabricante.
• Colocar repetidores isolando as áreas de inversores das demais áreas em uma rede Profibus.
• Quando se tem OLM(Optical Link Module), verificar a topologia, pois a programação dos mesmos pode afetar a performance da rede gerando timeouts.
• Um ponto muito importante e que pode gerar interferência pela mudança física do cabo Profibus  é quando se dobra o cabo ou se tem curvatura além da permitida pelo fabricante, isto forma um splice.Isto é muito comum nas instalações.Verifique se existem curvaturas acentuadas no cabo Profibus  que ultrapassem o raio de curvatura mínimo recomendado pelo fabricante. Uma curva muito acentuada no cabo pode esmagá-lo, alterando sua seção transversal e consequentemente, mudando a sua impedância e facilitando a ocorrência de reflexões, especialmente em altas velocidades de transmissão.

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Este artigo não substitui os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e  guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida, os padrões  IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

Autor

• César Cassiolato

Referências:

• Manuais SMAR Profibus
• Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação - César Cassiolato
• EMI – Interferência Eletromagnética - César Cassiolato
• https://www.smar.com/pt
• Especificações técnicas e Guias de Instalações Profibus.
• Material de Treinamento e artigos técnicos Profibus - César Cassiolato
• Manual Inversor WEG
• Manual Inversor, Drive Siemens
• Revista Mecatrônica Atual Edição 46, Minimizando Ruídos em Instalações PROFIBUS, César Cassiolato, 2010.

Links Relacionados:

• Confira a lista de Artigos Técnicos da SMAR: https://www.smar.com/pt/artigos-tecnicos
• PROFIBUS: https://www.smar.com/pt/artigos-tecnicos-profibus