PROFIBUS: Aterramento, Blindagem, Ruídos, Interferências, Reflexões e muito mais...


César Cassiolato

Introdução

A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto é comum que se tenha problemas de compatibilidade eletromagnética.

A EMI é a energia que causa resposta indesejável a qualquer equipamento e que pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de circuitos de potência, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas, acionamentos de relés, chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores, ignições automotivas, descargas atmosféricas e mesmo as descargas eletrostáticas entre pessoas e equipamentos, aparelhos de microondas, equipamentos de comunicação móvel, etc. Tudo isto pode provocar alterações causando sobretensão, subtensão, picos, transientes, etc. e que em uma rede de comunicação, PROFIBUS ou qualquer outra rede digital, pode ter seus impactos. Isto é muito comum nas indústrias e fábricas, onde a EMI é muito freqüente em função do maior uso de máquinas (máquinas de soldas, por exemplo) e motores (CCMs) e em redes digitais e de computadores próximas a essas áreas.

O maior problema causado pela EMI são as situações esporádicas e que degradam aos poucos os equipamentos e seus componentes. Os mais diversos problemas podem ser gerados pela EMI, por exemplo, em equipamentos eletrônicos, podemos ter falhas na comunicação entre dispositivos de uma rede de equipamentos e/ou computadores, alarmes gerados sem explicação, atuação em relés que não seguem uma lógica e sem haver comando para isto e, queima de componentes e circuitos eletrônicos, etc. É muito comum a presença de ruídos na alimentação pelo mau aterramento e blindagem, ou mesmo erro de projeto.

A topologia e a distribuição do cabeamento, os tipos de cabos, as técnicas de proteções são fatores que devem ser considerados para a minimização dos efeitos de EMI. Lembrar que em altas freqüências, os cabos se comportam como um sistema de transmissão com linhas cruzadas e confusas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Mantenha em boas condições as conexões. Conectores inativos por muito tempo podem desenvolver resistência ou se tornar detectores de RF.

Um exemplo típico de como a EMI pode afetar o comportamento de um componente eletrônico, é um capacitor que fique sujeito a um pico de tensão maior que sua tensão nominal especificada, com isto pode-se ter a degradação do dielétrico (a espessura do dielétrico é limitada pela tensão de operação do capacitor, que pode produzir um gradiente de potencial inferior à rigidez dielétrica do material), causando um mau funcionamento e em alguns casos a própria queima do capacitor. Ou ainda, podemos ter a alteração de correntes de polarização de transistores levando-os a saturação ou corte, ou dependendo da intensidade a queima de componentes por efeito joule.

Veremos neste artigo alguns detalhes sobre Profibus, aterramento, blindagem, ruídos, interferências, reflexões e muito mais.

Em medições:

  • Não aja com negligência (omissão irresponsável), imprudência (ação irresponsável) ou imperícia (questões técnicas)
  • Lembre-se: cada planta e sistema têm os seus detalhes de segurança. Informe-se deles antes de iniciar seu trabalho.
  • Sempre que possível, consulte as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.
  • É necessário agir com segurança nas medições, evitando contatos com terminais e fiação, pois a alta tensão pode estar presente e causar choque elétrico.
  • Para minimizar o risco de problemas potenciais relacionados à segurança, é preciso seguir as normas de segurança e de áreas classificadas locais aplicáveis que regulam a instalação e operação dos equipamentos. Estas normas variam de área para área e estão em constante atualização. É responsabilidade do usuário determinar quais normas devem ser seguidas em suas aplicações e garantir que a instalação de cada equipamento esteja de acordo com as mesmas.
  • Uma instalação inadequada ou o uso de um equipamento em aplicações não recomendadas podem prejudicar a performance de um sistema e conseqüentemente a do processo, além de representar uma fonte de perigo e acidentes. Devido a isto, recomenda-se utilizar somente profissionais treinados e qualificados para instalação, operação e manutenção.

Muitas vezes a confiabilidade de um sistema de controle é frequentemente colocada em risco devido às suas más instalações. Comumente, os usuários fazem vistas grossas e em análises mais criteriosas, descobre-se problemas com as instalações, envovendo cabos e suas rotas e acondicionamentos, blindagens e aterramentos.

É de extrema importância que haja a conscienização de todos os envolvidos e mais do que isto, o comprometimento com a confiabilidade e segurança operacional e pessoal em uma planta.

Este artigo provê informações e dicas sobre aterramento e vale sempre a pena lembrar que as regulamentações locais, em caso de dúvida, prevalecem sempre.

Confiabilidade de um sistema de automação e controle

Existem vários requisitos que devem ser seguidos para assegurar os diversos níveis de confiabilidade, incluindo:

  • Aterramento em um único ponto;
  • Sinais AC e DC limpos de ruídos;
  • Redundâncias de fontes;
  • Redundância de controladores;
  • Redundância de sensores;
  • Redundância de cabeamento;
  • Etc.

E existe uma relação direta entre confiabilidade e custo e mais do que isto, segurança e custo e aí, por muitas vezes, há a negligência técnica. Existem condições mínimas regulamentadas e estas devem ser cumpridas em suas totalidades.

NBR 5410

A NBR-5410 é a norma brasileira para instalações elétricas em baixa tensão. Ela orienta como configurar e calcular os sistemas de aterramentos, assim como os pontos equipotenciais para conexão dos sistemas de proteção elétrica, eletrônicos e sistemas de para raios.

Normas complementares:

  • NBR 5456 – Eletrotécnica e eletrônica geral;
  • NBR 5444 – Símbolos gráficos para instalações elétricas prediais;
  • NBR 13570 – Instalações elétricas em locais de afluência de público;
  • NBR 13543 – Instalações elétricas em estabelecimentos de saúde;
  • NBR 5418 - Instalação de equipamentos elétricos em atmosferas potencialmente explosivas

Conceito de Aterramento

É a ligação intencional de um equipamento ou um sistema à terra de tal forma a proporcionar um caminho seguro e de baixa resistência.

Importante:

  • Para contatos indiretos existem outras formas de proteção além do aterramento!
  • Não altere ou viole as características construtivas de equipamentos construídos segundo normas!!Por exemplo, não use um equipamento que foi usado em aplicações à prova de explosão em áreas intrinsecamente segura, pois o zener de entrada pode ter se danificado e não garantir a proteção de acordo com os requisitos de segurança.
  • Antes de começar executar qualquer trabalho, conheça os detalhes e os critérios de segurança dentro das instalações elétricas industriais e ainda, uma planta é diferente de outra e tem suas peculiaridades sempre!!
  • Cuidado em áreas classificadas!!
  • Os acidentes também acontecem por excesso de confiança: quem não sabe nadar... dificilmente morre afogado!!
  • Cuidado nas medições em campo!!!

Fio terra

Todo circuito deve dispor de condutor de proteção em toda a sua extensão.

Aterramentos de Equipamentos Elétricos Sensíveis

Os sistemas de aterramento devem executar várias funções simultâneas: como proporcionar segurança pessoal e para o equipamento. Resumidamente, segue uma lista de funções básicas dos sistemas de aterramento em:

  1. Proporcionar segurança pessoal aos usuários;
  2. Proporcionar um caminho de baixa impedância (baixa indutância) de retorno para a terra, proporcionando o desligamento automático pelos dispositivos de proteção de maneira rápida e segura, quando devidamente projetado;
  3. Fornecer controle das tensões desenvolvidas no solo quando o curto fase-terra retorna pelo terra para uma fonte próxima ou mesmo distante;
  4. Estabilizar a tensão durante transitórios no sistema elétrico provocados por faltas para a terra;
  5. Escoar cargas estáticas acumuladas em estruturas, suportes e carcaças dos equipamentos em geral;
  6. Fornecer um sistema para que os equipamentos eletrônicos possam operar satisfatoriamente tanto em alta como em baixas freqüências;
  7. Fornecer uma referência estável de tensão aos sinais e circuitos;
  8. Minimizar os efeitos de EMI (Emissão Eletromagnética).

O condutor neutro é normalmente isolado e o sistema de alimentação empregado deve ser o TN-S (T: ponto diretamente aterrado, N: massas ligadas diretamente ao ponto de alimentação aterrado, S: condutores distintos para neutro e proteção).

O condutor neutro exerce a sua função básica de conduzir as correntes de retorno do sistema.

O condutor de proteção exerce a sua função básica de conduzir à terra as correntes de massa.  Todas as carcaças devem ser ligadas ao condutor de proteção.

O condutor de equipotencialidade deve exercer a sua função básica de referência de potencial do circuito eletrônico.

Figura 1 – Sistema TN-S

Figura 1 – Sistema TN-S

Para atender as funções anteriores destacam-se três características fundamentais:

  • Capacidade de condução;
  • Baixo valor de resistência;
  • Configuração de eletrodo que possibilite o controle do gradiente de potencial.

Independente da finalidade, proteção ou funcional, o aterramento deve ser único em cada local da instalação. Existem situações onde os  terras podem ser separados, porém precauções devem ser tomadas.

Em relação à instalação dos componentes do sistema de aterramento alguns critérios devem ser seguidos:

  • o valor da resistência de aterramento não deve se modificar consideravelmente ao longo do tempo;
  • os componentes devem resistir às condições térmicas, termomecânicas e eletromecânicas;
  • os componentes devem ser robustos ou mesmo possuir proteção mecânica adequada para atender às condições de influências externas;
  • deve-se impedir danos aos eletrodos e as outras partes metálicas por efeitos de eletrólise.

Equipotencializar

Definição: Equipotencializar é deixar tudo no mesmo potencial.

Na prática: Equipotencializar é minimizar a diferença de potencial para reduzir acidentes.

Em cada edificação deve ser realizada uma equipotencialização principal e ainda as massas das instalações situadas em uma mesma edificação devem estar conectadas a equipotencialização principal e desta forma a um mesmo e único eletrodo de aterramento. Veja figuras 2 e 3.

A equipotencialização funcional tem a função de equalizar o aterramento e garantir o bom funcionamento dos circuitos de sinal e a compatibilidade eletromagnética.

Condutor para Equipotencialização

Principal – deve ter no mínimo a metade da seção do condutor de proteção de maior seção e no mínimo:

  • 6mm2 (Cobre);
  • 16mm2(Alumínio);
  • 50mm2(Aço)

Figura 2 – Equipotencialização

Figura 2 – Equipotencialização

Figura 3 – Linha de Aterramento e Equipotencial em Instalações

Figura 3 – Linha de Aterramento e Equipotencial em Instalações



Figura 4 – Material para Equipotencializar

Considerações sobre equipotenciais

Observe a figura 5, onde temos uma fonte geradora de alta tensão e ruídos de alta freqüência e um sistema de medição de temperatura a 25 m da sala de controle e onde dependendo do acondicionamento dos sinais, podemos ter até 2.3kV nos terminais de medição. Conforme vai se melhorando as condições de blindagem, aterramento e equalização chega-se à condição ideal para a medição.



Figura 5 – Exemplo da importância do aterramento e equipotencialização e sua influência no sinal

Em sistemas distribuídos, como de controle de processos industriais, onde se tem áreas fisicamente distantes e com alimentação de diferentes fontes, a orientação é que se tenha o sistema de aterramento em cada local e que sejam aplicadas as técnicas de controle de EMI em cada percurso do encaminhamento de sinal, conforme representado na figura 2.

Implicações de um mau aterramento

As implicações que um mau ou mesmo inadequado aterramento pode causar não se limitam apenas aos aspectos de segurança. Os principais efeitos de um aterramento inadequado são choques elétricos aos usuários pelo contato, resposta lenta (ou intermitente) dos sistemas  de proteção (fusíveis, disjuntores, etc.).

Mas outros problemas operacionais podem ter origem no aterramento deficiente:

  • Falhas de comunicação
  • Drifts ou derivas, erros nas medições
  • Excesso de EMI gerado
  • Aquecimento anormal das etapas de potência (inversores, conversores, etc...) e motorização.
  • Em caso de computadores, travamentos constantes.
  • Queima de componentes eletrônicos sem razão aparente, mesmo sendo em equipamentos novos e confiáveis.
  • Intermitências.
  • Etc.

O sistema de aterramento deve ser único e deve atender a diferentes finalidades:

  • Controle de interferência eletromagnética, tanto interno ao sistema eletrônico (acoplamento capacitivo, indutivo e por impedância comum) como externo ao sistema (ambiente);
  • Segurança operacional, sendo a carcaça dos equipamentos ligadas ao terra de proteção e, dessa forma, qualquer sinal aterrado ou referenciado à carcaça ou ao painel, direta ou indiretamente, fica automaticamente referenciado ao terra de distribuição de energia;
  • Proteção contra raios, onde os condutores de descida do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) devem ser conectados às estruturas metálicas (para evitar centelhamento) e sistemas de eletrodos de terra interconectados com o terra de energia, encanamentos metálicos, etc., ficando o “terra dos circuitos” ligados ao “terra do pára-raios” (via estrutura ou sistema de eletrodos).

A conseqüência é que equipamentos com carcaças metálicas ficam expostos a ruído nos circuitos de aterramento (energia e raios).

Para atender aos requisitos de segurança, proteção contra raios e EMI, o sistema de aterramento deveria ser um plano com impedância zero, onde teríamos a mistura de diferentes níveis de corrente destes sistemas sem interferência. Isto é, uma condição ideal, onde na prática não é bem assim.

Aterramento em um único ponto

O sistema de aterramento por um único pode ser visto na figura 6, onde o ponto marcante é um único ponto de terra do qual se tem a distribuição do mesmo para toda a instalação. 

Figura 6 – Aterramento em um único ponto

Figura 6 – Aterramento em um único ponto

Esta configuração é mais apropriada para o espectro de freqüências baixas e ainda atende perfeitamente a sistemas eletrônicos de alta freqüência instalados em áreas reduzidas.

E ainda, este sistema dever ser isolado e não deve servir de caminho de retorno para as correntes de sinais, que devem circular por condutores de sinais, por exemplo, com pares balanceados.

Aterramento em multipontos

Para freqüências altas, o sistema multiponto é o mais adequado, conforme caracterizado na figura 7a, inclusive simplificando a instalação.


Figura 7a– Aterramento em multipontos

Figura 7b– Aterramento na Prática

Muitas conexões de baixa impedância entre os condutores PE e os eletrodos de aterramento em combinação com múltiplos caminhos de alta impedância entre os eletrodos e as impedâncias dos condutores cria um sistema de aterramento complexo com uma rede de impedância (ver figura 7b), e as correntes que fluem através dele provoca diferentes potenciais de terra nas interligações em vários desta rede.

Os sistemas com aterramentos multipontos que empregam circuitos balanceados geralmente não apresentam problemas de ruídos. Neste caso ocorre filtragem do ruído, onde o seu campo fica contido entre o cabo e o plano de terra.

Figura 8 –  Aterramento em multipontos inadequado



Figura 9 – Aterramento adequado, em um único ponto

Na figura 9, tem-se um aterramento adequado onde as correntes individuais são conduzidas a um único ponto de aterramento.

Loops de terra

Um loop de terra ocorre quando existe mais de um caminho de aterramento, gerando correntes indesejáveis entre estes pontos.

Estes caminhos formam o equivalente ao loop de uma antena que capta as correntes de interferência com alta eficiência.

Com isto a referência de tensão fica instável e o ruído aparece nos sinais.


Figura 10 –  Loop de terra

Aterramento ao nível dos equipamentos: Prática

Na prática, o que se faz é um “sistema misto”, separando circuitos semelhantes e segregando quanto ao nível de ruído:

  • “terra de sinais” para o aterramento de circuitos mais sensíveis;
  • “terra de ruído” para o aterramento de comandos (relés), circuitos de alta potência (CCMs, por exemplo);
  • “terra de equipamento” para o aterramento de racks, painéis, etc.,

Sendo estes três circuitos conectados ao condutor de proteção.



Figura 11–  Aterramento ao nível dos equipamentos na prática

Os sinais podem variar basicamente devido a:

  • Flutuação de tensão;
  • Harmônicas de corrente;
  • RF conduzidas e radiadas;
  • Transitórios (condução ou radiação);
  • Campos Eletrostáticos;
  • Campos Magnéticos;
  • Reflexões;
  • Crosstalk;
  • Atenuações;
  • Jitter (ruído de fase);
  • Etc.

As principais fontes de interferências são:

  • Acoplamento capacitivo (interação de campos elétricos entre condutores);
  • Acoplamento indutivo (acompanhadaspor um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo);
  • Condução através de impedância comum (aterramento): Ocorre quando as correntes de duas áreas diferentes passam por uma mesma impedância. Por exemplo, o caminho de aterramento comum de dois sistemas.

Acoplamento Capacitivo

O acoplamento capacitivo é representado pela interação de campos elétricos entre condutores. Um condutor passa próximo a uma fonte de ruído (perturbador), capta este ruído e o transporta para outra parte do circuito (vítima). É o efeito de capacitância entre dois corpos com cargas elétricas, separadas por um dielétrico, o que chamamos de efeito da capacitância mútua.

O efeito do campo elétrico é proporcional à freqüência e inversamente proporcional à distância.

O nível deperturbação depende das variações da tensão (dv/dt) e o valor da capacitância de acoplamento entre o “cabo perturbador” e o “cabo vítima”.
A capacitância de acoplamento aumenta com:

  • O inverso da freqüência: O potencial para acoplamento capacitivo aumenta de acordo com o aumento da freqüência (a reatância capacitiva, que pode ser considerada como a resistência do acoplamento capacitivo, diminui de acordo com a freqüência, e pode ser vista na fórmula: XC = 1/2πfC).
  • A distância entre os cabosperturbador e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo
  • Aaltura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo)
  • A impedância deentrada do circuito vítima (circuitos de alta impedância de entrada são mais vulneráveis)
  • Oisolamento do cabo vítima (εr do isolamento do cabo), principalemente para pares de cabos fortemente acoplados

As figuras 12a e 12b mostram exemplos de acoplamentos capacitivos.


Figura 12a - Efeito por acoplamento capacitivo



Figura 12b – Exemplo de efeito por acoplamento capacitivo

Na figura 13 podemos ver o acoplamento e suas fontes de tensão e corrente em modo comum e diferencial.


Figura 13 – Modo diferencial e modo comum – Acoplamento capacitivo

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento capacitivo

  • Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo  
  • Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima
  • Aterre uma das extremidades dos shields nos dois cabos    
  • Reduza o dv/dt do sinal perturbador, aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (baixando a freqüência do sinal)

Envolva sempre que possível o condutor ou equipamento com material metálico (blindagem de Faraday). O ideal é que  cubra cem por cento da parte a ser protegida e que se aterre esta blindagem para que a capacitância parasita entre o condutor e a blindagem não atue como elemento de realimentação ou de crosstalk. A figura 14 mostra a interferência entre cabos, onde o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão.Nesta situação a corrente de interferência é drenada ao terra pelo shield, sem afetar os níveis de sinais.

Figura 14 – Interferência entre cabos: o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão

A figura 15 mostra exemplo de proteção contra transientes.

 
Figura 15 - Exemplo de proteção contra transientes (melhor solução contra corrente de Foucault)

Interferências eletrostáticas podem ser reduzidas:

  • Aterramento e blindagens adequadas
  • Isolação Ótica
  • Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados

A figura 16 mostra a capacitância de acoplamento entre dois condutores separados por uma distância D.


Figura 16 – Acoplamento capacitivo entre condutores a uma distância D

Acoplamento Indutivo

O “cabo perturbador” e o “cabo vítima” são acompanhadas por um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo.
O acoplamento indutivo  aumenta com:

  • A freqüência: a reatância indutiva é diretamente proporcional à freqüência (XL = 2πfL)
  • A distância entre os cabosperturbador e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo
  • Aaltura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo)
  • A impedância decarga do cabo ou circuito perturbador.



Figura 17a – Acoplamento indutivo entre condutores

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabos

  • Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo  
  • Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima
  • Aterre uma das extremidades dos shields dos dois cabos    
  • Reduza o dv/dt do perturbador aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (Resistores conectados em série ou resistores PTC no cabo perturbador, anéis de ferrite nos perturbadores e / ou cabo vítima)



Figura 18 – Acoplamento indutivo entre cabo e campo

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e campo

  • Limite a altura h do cabo ao plano de terra 
  • Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica
  • Use cabos trançados
  • Use ferrites e filtros de EMI    

Figura 19 – Acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra

  • Reduza a altura (h) e o comprimento do cabo.
  • Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica.
  • Use cabos trançados.
  • Em altas freqüências aterre o shield em dois pontos (cuidado!) e em baixas freqüências em um ponto só.
 

Cabo de Comunicação Profibus

Cabos com e sem shield:

60Vdc ou  5Vac e < 400Vac

Cabos com e sem shield:

> 400Vac

Qualquer cabo sujeito à exposição de raios

Cabo de comunicação Profibus

  

 

10 cm

 

20 cm

 

50 cm

Cabos com e sem shield:

60Vdc ou  25Vac e< 400Vac

 

10 cm

  

 

10 cm

 

50 cm

Cabos com e sem shield:

> 400Vac

 

20 cm

 

10 cm

  

 

50 cm

Qualquer cabo sujeito à exposição de raios

 

50 cm

 

50 cm

 

50 cm

  

Tabela 1 – Distâncias entre cabos Profibus e outros tipos de cabos para garantir a proteção a EMI

Figura 20 – Interferência entre cabos: campos magnéticos através do acoplamento indutivo entre cabos induzem transientes (pickups eletromagnéticos) de corrente

As Interferências Eletromagnéticas podem ser reduzidas:

  • Cabo trançado
  • Isolação Ótica
  • Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados

Figura 21 – Indutância mútua entre dois condutores

Para minimizar o efeito de indução deve-se usar o cabo de par trançado que minimiza a área (S) e diminuem o efeito da tensão induzida Vb em função do campo B, balanceando os efeitos ( média dos efeitos segundo as distâncias):

 

 

O cabo de par trançado é composto por pares de fios. Os fios de um par são enrolados em espiral a fim de, através do efeito de cancelamento, reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio por toda a sua extensão.

O efeito de redução com o uso da trança tem sua eficiência em função do cancelamento do fluxo, chamada de Rt (em dB):

onde n é o número de voltas/m e l é o comprimento total do cabo.Veja figura 22a e figura 22b.

O efeito de cancelamento reduz a diafonia (crosstalk) entre os pares de fios e diminui o nível de interferência eletromagnética/radiofreqüência. O número de tranças nos fios pode ser variado a fim de reduzir o acoplamento elétrico. Com sua construção proporciona um acoplamento capacitivo entre os condutores do par.Tem um comportamento mais eficaz em baixas freqüências (< 1MHz).Quando não é blindado, tem a desvantagem com o ruído em modo-comum. Para baixas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é menor que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem (malha ou shield) apresentará o mesmo potencial em toda sua extensão, neste caso recomenda-se conectar a blindagem em um só ponto de terra. Em altas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é maior que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem apresentará alta suscetibilidade ao ruído e neste caso recomenda-se que seja aterrada nas duas extremidades.

No caso indutivo Vruído = 2πBAcosα  onde B é o campo e α é o ângulo em que o fluxo corta o vetor área(A) ou ainda em função da indutância mútua M: Vruído = 2πfMI onde I é a corrente no cabo de potência.

Figura 22a – Efeito de acoplamento indutivo em cabos paralelos



Figura 22b – Minimização do efeito de acoplamento indutivo em cabos torcidos

Figura 22c – Exemplo de ruído por indução

Figura 22d – Cabos Profibus próximos a cabo de potência

O uso de cabo de par trançados é muito eficiente desde que a indução em cada área de torção seja aproximadamente igual a indução adjacente.Seu uso é eficiente em modo diferencial, circuitos balanceados e tem baixa eficiência em baixas freqüências em circuitos desbalanceados. Em circuitos de alta freqüência com multipontos aterrados, a eficiência é alta uma vez que a corrente de retorno tende a fluir pelo retorno adjacente. Contudo, em altas freqüências em modo comum o cabo tem pouca eficiência.

A figura 23 detalha a situação do Profibus-DP e os loops de terra.

Figura 23 - Profibus-DP e os loops de terra

Proteção com o uso de canaletas metálicas

Veremos a seguir o uso de canaletas metálicas na minimização de correntes de Foucault.

O espaçamento entre as canaletas facilita a perturbação gerada pelo campo magnético. Além disso, esta descontinuidade pode facilitar a diferença de potencial entre cada segmento da canaleta e no caso de um surto de corrente, gerado, por exemplo, por uma descarga atmosférica ou um curto, a falta de continuidade não permitirá que  a corrente circule pela canaleta de alumínio, conseqüentemente não protegerá o cabo Profibus.

O ideal é que se una cada segmento com a maior área de contato possível o que terá uma maior proteção à indução eletromagnética e ainda que se tenha entre cada segmento um condutor de cada lado da canaleta, com comprimento o menor possível, para garantir um caminho alternativo às correntes caso haja um aumento de resistência nas junções entre os segmentos.

Com a montagem adequada da canaleta de alumínio, o campo, ao penetrar na placa de alumínio da canaleta, produz um fluxo magnético variável em função do tempo [f = a.sen(w.t)], dando origem a uma f.e.m. induzida [ E = - df/dt = a.w.cos(w.t)].

Em freqüências altas, a f.e.m. induzida na placa de alumínio será maior, dando origem a um campo magnético maior, anulando quase que completamente o campo magnético gerado pelo cabo de potência. Esse efeito de cancelamento é menor em baixas freqüências. Em altas freqüências o cancelamento é mais eficiente.

Esse é o efeito das placas e telas metálicas frente à incidência de ondas eletromagnéticas; elas geram seus próprios campos que minimizam ou mesmo anulam o campo através delas, funcionando assim como verdadeiras blindagens às ondas eletromagnéticas. Funcionam como uma gaiola de Faraday.

Certifique-se que as chapas e os anéis de acoplamento sejam feitos do mesmo material que as canaletas/bandejas de cabos. Proteja os ponto de conexões contra corrosão depois da montagem, por exemplo, com tinta de zinco ou verniz.

Embora os cabos sejam blindados, a blindagem contra campos magnéticos não é tão eficiente quanto é contra campos elétricos.

Em baixas freqüências, os pares trançados absorvem a maior parte dos efeitos da interferência eletromagnética.

Já em altas freqüências esses efeitos são absorvidos pela blindagem do cabo.

Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos ao sistema de linha equipotencial.

Figura 24 – Proteção de transientes com o uso de canaletas metálicas

Protetores de transientes e distâncias efetivas

Em nível de projeto e instalação devemos estar atentos quanto aos conceitos e técnicas de proteção de equipamentos de campo PROFIBUS DP e PROFIBUS PA em termos de sinais de alta tensão e correntes induzidas por raios ou outras fontes.

É de conhecimento que as instalações dos sistemas de controle podem ser constituídas pela distribuição aérea e subterrânea de cabos, bandejamentos, cabos próximos a cabos de alta tensão e que podem estar suscetíveis à exposição de raios, descargas eletrostática e interferência eletromagnética(EMI). A interferência eletromagnética pode ser radiada (via ar), conduzida (via condutores), induzida (normalmente acima de 30MHz) ou combinação das mesmas. Para termos uma idéia da tensão gerada pela descarga eletrostática, se considerarmos um condutor com 50nH de indutância podemos falar de picos de tensão da ordem de 200V(V = L*di/dt) ou mais, uma vez que um pulso de corrente gerado pela descarga eletrostática tem um tempo de subida muito curto, da ordem de 4A/ns.

Esta exposição pode afetar o comportamento de sinais e mesmo danificar equipamentos, uma vez que os mesmos possuem componentes de baixa potência (low power) e que facilmente podem queimar com a sobretensão.

 O que é um protetor de transiente?

O protetor de transiente é um dispositivo de proteção, um hardware, que adequadamente posicionado (veremos a seguir) e instalado pode proteger os equipamentos, limitando os níveis de transientes que possam atingir os mesmos. Atua praticamente instantaneamente “desviando” o transiente para o terra e controlando a tensão a um nível que não danifica o equipamento a ele conectado. Quando a corrente chega a um nível aceitável, a operação normal é automaticamente restabelecida.

No mercado existe uma variação muito grande de modelos. Estes dispositivos de proteção são baseados em uma combinação de componentes como os tubos de descarga de gás (GDTs, surge arresters), diodos de cortes (Clamping Voltage) e varistores de óxido-metal (MOVs) que se caracterizam pela operação rápida, controle de tensão preciso e retorno automático uma vez que a sobretensão cesse.


Figura 25 – Surge Arrester.

Protegendo as redes e equipamentos PROFIBUS PA

Em instalações PROFIBUS PA, as tensões que ultrapassam as condições normais de operação, são conhecidas como “surge” e aparecem de forma transitória, podendo afetar o comportamento da rede. Vale lembrar que, como toda rede fieldbus, tem-se a troca de dados e o mais importante é se garantir a integridade dos dados, garantindo a segurança operacional da planta.

Quanto maior o tronco e as derivações da rede PROFIBUS PA, maior será a amplitude de transientes justamente pela exposição à diferença de potencial de terra. Dano significante também pode ser causado em equipamento conectado por cabos relativamente curtos se os circuitos ou componentes forem particularmente sensíveis. Em algumas situações, dependendo da energia, pode-se ter danos sérios instalações e equipamentos.

O cabo padrão para a rede PROFIBUS PA é o cabo de par trançados, onde se tem justamente a trança dos condutores para minimizar as tensões entre as linhas, porém, como citado anteriormente, a diferença de potencial de terra pode causar dano em componentes e conseqüentemente afetar o comportamento, tornando o sistema sensível. Devemos lembrar ainda que o cabo, sua distribuição, são fatores a serem considerados em favor da minimização de ruídos e transientes. É recomendado o uso da blindagem que age basicamente como uma gaiola de Faraday e tem sua eficiência maximizada contra ruídos em modo-comum quando é aterrada na fonte de sinal. Além disso, garante a maior proteção à EMI.

Figura 26 – Cabo de par trançados PROFIBUS PA.

Em termos do protetor de transiente, recomenda-se que a tensão limite não  seja muito maior que a tensão de trabalho do equipamento e na prática é comum usar esta tensão como duas vezes a tensão de trabalho do equipamento. Em termos de raios, estudos mostram que as descargas podem gerar correntes de 2 kA a 200 kA com correntes de pico com duração de menos de 10μs.

A escolha do protetor de transiente deve ser criteriosa, pois este pode degradar o sinal PROFIBUS PA e ainda limitar o número de equipamentos. Dependendo do fabricante, este dispositivo pode acrescentar capacitância e resistência na rede PROFIBUS PA e estas afetar a forma de onda do sinal de comunicação. Além disso, alguns diodos de corte podem não ser transparentes para a rede e também podem afetar os níveis de sinais. Na prática, o usuário deve buscar dispositivos que atendam a IEC 61643-21 e ofereçam altas correntes de surge(da ordem de 10 kA) e acrescentem menos de 1?e menos de 40pF ao cabeamento.

Figura 27 – Distâncias mínimas recomendadas no cabeamento PROFIBUS.

O grau de interferência em cabos vai depender de uma série de fatores como projeto, construção e características dos mesmos, bem como de sua interação com outros elementos da rede PROFIBUS (conectores, equipamentos, terminais, outros cabos, blindagem, etc.), além de certos parâmetros do sistema e propriedades do ambiente. Há uma variedade de fatores que limitam o desempenho de transmissão de sinais digitais associados aos cabos e que devem ser considerados no projeto e utilização destes, tais como:

o    atenuação;

o    ruído, que pode ser dos seguintes tipos:

♦  ruído diferencial (característico do circuito);

♦  ruído longitudinal (por interferência devida a cabos de alimentação elétrica);

♦  ruído impulso;

♦  diafonia (crosstalk);

♦  distorções por atraso de propagação;

♦  jitter(ruído de fase);

Figura 28 – Grau de interferência em um sinal Profibus

O que é distância efetiva?

Chamamos de distância efetiva a separação física entre dois dispositivos aterrados na instalação da rede.
Toda vez que se tiver uma distância efetiva maior que 100m na horizontal ou 10m na vertical entre dois pontos aterrados, recomenda-se o uso de protetores de transientes, no ponto inicial e final da distância. Na prática, na horizontal, entre 50 e 100m, recomenda-se o uso.

Figura 29 – Uso de protetor de transiente e distância efetiva.

Figura 30 – Exemplo de protetor de transiente para a rede PROFIBUS PA.

Protegendo as redes e equipamentos PROFIBUS DP

As regras de distância efetiva também são aplicadas à rede e equipamentos PROFIBUS DP.

De acordo com a figura 31, haverá proteção se houver uma queda de tensão ou quando houver um surge que exceda a tensão de breakdown ou mesmo qualquer surge diferencial. De acordo com a figura 32, esta proteção é indicada quando não é possível o aterramento e assim sendo, qualquer surge diferencial será convertido em modo comum.

Figura 31 – Proteção com isolação para o terra.

Figura 32 – Proteção com isolação em modo comum.

Na prática, o usuário deve buscar dispositivos que atendam a IEC 61643-21 e ofereçam correntes de surge da ordem de 700 A.

Interferências

As interferências em cabos de redes digitais e instrumentação podem acontecer por:

  • Acoplamento capacitivo
  • Acoplamento Eletromagnético

As Interferências Eletrostáticas podem ser reduzidas:

  • Aterramento e shielding adequados
  • Isolação Ótica
  • Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados

As Interferências Eletromagnéticas podem ser reduzidas:

  • Cabo trançado
  • Isolação Ótica
  • Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados
  • Repetidores em CCMs com isolação galvânica, isolando os terras

Basicamente temos 4 tipos de interferências:

  • Ruído de Linha
    -   Gerado por uma fonte eletromagnética
    -   Efeito Corona, Ruído de Linha e Centelhamento
     
  • Overload (Sobrecarga)
    -   Gerado pela fundamental do sinal
     
  • Emissões Espúrias
    -   Harmônicas de um sinal ou sinais indesejados
     
  • Geradas pela Arquitetura e Projeto

Vamos comentar sobre o efeito Corona. Cabos de inversores carregam a energia do sistema de controle de velocidade até o motor AC. Estes cabos devem suportar não somente a alta potência dos sinais MLP ( Modulação de Largura de Pulso ), mas também a alta tensão que ocorre quando ondas estacionárias se desenvolvem nos condutores, devido ao não casamento de impedância do cabo com a do motor e a velocidade de chaveamento dos inversores modernos. Esta alta tensão pode ocasionar descargas por efeito corona entre os condutores dos cabos convencionais, causando estragos não somente nos cabos, mas também no acionamento variável com o inversor.

Atualmente existem cabos especiais que usam uma isolação de espessura maior, mais estável eletricamente nos condutores. Esta isolação aumenta a distância física entre os condutores e conseqüentemente diminuem as chances de uma descarga por efeito corona. Adicionalmente, com a redução desta capacitância, as amplitudes das ondas estacionárias são reduzidas bem como a transferência de ruídos para a malha de terra.

Aterramento, shield e equipotencialização em Profibus

A condição ideal de aterramento para uma planta e suas instalações é quando se obtém o mesmo potencial em qualquer ponto. Isso pode ser conseguido com a ligação de todos os sistemas de aterramento da mesma através de um condutor de equalização de potencial. Essa condição é chamada de equipotencialização, como já citado anteriormente.

 Assim, para qualquer pessoa dentro das edificações, mesmo se houver um aumento das tensões presentes não haverá o risco de choque elétrico, uma vez que todos os elementos estarão com o mesmo potencial de terra.

Quando se fala em shield e aterramento, na prática existem outras maneiras de tratar este assunto, onde há muitas controvérsias, como por exemplo, o aterramento do shield pode ser feito em cada estação através do conector 9-pin sub D, onde a carcaça do conector dá contato com o shield neste ponto e ao conectar na estação é aterrado. Este caso, porém, deve ser analisado pontualmente e verificado em cada ponto a graduação de potencial dos terras e se necessário, equalizar estes pontos. O sistema de linha equipotencial é usado para nivelar o potencial de terra em diferentes locais da planta de forma que nenhuma corrente circule sobre a blindagem do cabo.

  • Use cabos de cobre ou fitas de aterramento galvanizadas para a linha equipotencial no sistema e entre componentes do sistema.
  • Conecte a linha equipotencial ao terminal de aterramento ou à barra com uma área de superfície ampla.
  • Conecte todas as conexões terra e de blindagem (se existirem) do instrumento ao sistema de linha equipotencial.
  • Conecte a superfície de montagem (por exemplo, o painel do gabinete ou trilhos de montagem) ao sistema de linha equipotencial.
  • Sempre que possível, conecte o sistema de linha equipotencial das redes ao sistema de linha equipotencial do prédio
  • Se as partes são pintadas, remova a tinta do ponto de conexão antes de conectá-lo.
  • Proteja o ponto de conexão contra corrosão depois da montagem, por exemplo, com tinta de zinco ou verniz.
  • Proteja a linha equipotencial contra corrosão. Uma opção é pintar os pontos de contato.
  • Use parafuso de segurança ou conexões de terminal para todas as conexões de terra e superfície. Use arruelas de pressão para evitar que as conexões fiquem frouxas por causa de vibração ou movimento.
  • Use terminais nos cabos flexíveis da linha equipotencial. As extremidades do cabo não devem nunca ser estanhadas (não é mais permitido)!
  • Faça o roteamento da linha equipotencial o mais perto possível do cabo.
  • Conecte as partes individuais de bandejas de cabos metálicas umas as outras. Use anéis de acoplamento (bonding links) especiais ou jumpers específicos. Certifique-se que os anéis de acoplamento são feitos do mesmo material que as bandejas de cabos. Os fabricantes das bandejas de cabos podem fornecer os anéis de acoplamento apropriados.
  • Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos feitas de metal ao sistema de linha equipotencial.
  • Use anéis de acoplamento flexíveis (flexible bonding links) para expansão das juntas. Esses anéis de acoplamento são fornecidos pelos fabricantes de cabos.
  • Para conexões entre prédios diferentes ou entre partes de prédios, a rota da linha equipotencial deve ser traçada paralela ao cabo. Mantenha as seguintes seções transversais mínimas, de acordo com a IEC 60364-5-54:
  • ♦    Cobre:6 mm²
    ♦    Alumínio:16 mm²
    ♦    Aço:50 mm²

Em áreas perigosas deve-se sempre fazer o uso das recomendações dos órgãos certificadores e das técnicas de instalação exigidas pela classificação das áreas. Um sistema intrinsecamente seguro deve possui componentes que devem ser aterrados e outros que não. O aterramento tem a função de evitar o aparecimento de tensões consideradas inseguras na área classificada. Na área classificada evita-se o aterramento de componentes intrinsecamente seguros, a menos que o mesmo seja necessário para fins funcionais, quando se emprega a isolação galvânica. A normalização estabelece uma isolação mínima de 500 Vca. A resistência entre o terminal de aterramento e o terra do sistema deve ser inferior a 1Ω. No Brasil, a NBR-5418 regulamenta a instalação em atmosferas potencialmente explosivas.

Quanto ao aterramento, recomenda-se agrupar circuitos e equipamentos com características semelhantes de ruído em distribuição em série e unir estes pontos em uma referência paralela. Recomenda-se aterrar as calhas e bandejamentos.

Um erro comum é o uso de terra de proteção como terra de sinal. Vale lembrar que este terra é muito ruidoso e pode apresentar alta impedância. É interessante o uso de malhas de aterramento, pois apresentam baixa impedância. Condutores comuns com altas freqüências apresentam a desvantagem de terem alta impedância. Os loops de correntes devem ser  evitados. O sistema de aterramento deve ser visto como um circuito que favorece o fluxo de corrente sob a menor impedância possível.  O valor de terra recomendado é que seja menor do que 10 Ω.

O shield (a malha, assim como a lâmina de alumínio) deve ser conectado ao terra funcional do sistema via conector PROFIBUS-DP, de tal forma a proporcionar uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada.

Ao passar o cabo, deve-se ter o cuidado de que o acabamento doshield esteja bem feito e não dando contato com outros pontos a não ser os pontos de terra. A máxima proteção se dá com os pontos aterrados, onde se proporciona um caminho de baixa impedância aos sinais de alta freqüência.

Em casos onde se tem um diferencial de tensão entre os pontos de aterramento, por exemplo, áreas distintas em prédios separados recomenda-se passar junto ao cabeamento uma linha de equalização de potencial (a própria calha metálica pode ser usada ou, por exemplo, um cabo AWG 10-12). Veja Figura 33.

Desta forma se tem a proteção é mais efetiva para uma ampla faixa de freqüência.

Figura 33 – Linha de Equipotencial.

A Figura 34 apresenta detalhes de cabeamento, shield e aterramento quando se tem áreas distintas.



Figura 34 – Detalhe de Cabeamento em Áreas Distintas com Potenciais de Terras Equalizados.

Rede Profibus-PA

Ao considerar a questão de shield e aterramento em barramentos de campo, deve-se levar em conta:

  • A compatibilidade eletromagnética (EMC).
  • Proteção contra explosão.
  • Proteção de pessoas.

De acordo com a IEC61158-2, aterrar significa estar permanentemente conectado ao terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade de condução suficiente para prevenir qualquer tensão que possa resultar em danos de equipamentos ou pessoas. Linhas de tensão com 0 Volts devem ser conectadas ao terra e serem galvanicamente isoladas do barramento fieldbus. O propósito de se aterrar o shield é evitar ruídos de alta freqüência.

Preferencialmente, o shield deve ser aterrado em dois pontos, no início e final de barramento, desde que não haja diferença de potencial entre estes pontos, permitindo a existência e caminhos a corrente de loop. Na prática, quando esta diferença existe, recomenda-se aterrar shield somente em um ponto, ou seja, na fonte de alimentação ou na barreira de segurança intrínseca. Deve-se assegurar a continuidade da blindagem do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo.

O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção.
Nunca se deve utilizar o shield como condutor de sinal. É preciso verificar a continuidade do shield até o último equipamento PA do segmento, analisando a conexão e acabamento, pois este não deve ser aterrado nas carcaças dos equipamentos.

Em áreas classificadas, se uma equalização de potencial entre a área segura e área perigosa não for possível, o shield deve ser conectado diretamente ao terra (Equipotencial Bonding System) somente no lado da área perigosa. Na área segura, o shield deve ser conectado através de um acoplamento capacitivo (capacitor preferencialmente cerâmico (dielétrico sólido), C<= 10nF, tensão de isolação >= 1.5kV).


Figura 35 – Combinação Ideal de Shield e Aterramento.



Figura 36 – Aterramento Capacitivo.

A IEC 61158-2 recomenda que se tenha a isolação completa. Este método é usado principalmente nos Estados Unidos e na Inglaterra. Neste caso, o shield é isolado de todos os terras, a não ser o ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro. O shield tem continuidade desde a saída do coupler DP/PA, passa pelas caixas de junções e distribuições e chega até os equipamentos. As carcaças dos equipamentos são aterradas individualmente do lado não seguro. Este método tem a desvantagem de não proteger os sinais totalmente dos sinais de alta freqüência e, dependendo da topologia e comprimento dos cabos, pode gerar em alguns casos a intermitência de comunicação. Recomenda-se nestes casos o uso de canaletas metálicas.

Outra forma complementar à primeira seria ainda aterrar as caixas de junções e as carcaças dos equipamentos em uma linha de equipotencial de terra, do lado não seguro. Os terras do lado não seguro com o lado seguro são separados.

A condição de aterramento múltiplo também é comum, onde se tem uma proteção mais efetiva às condições de alta freqüência e ruídos eletromagnéticos. Este método é preferencialmente adotado na Alemanha e em alguns países da Europa. Neste método, o shield é aterrado no ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro e, além disso, no terra das caixas de junções e nas carcaças dos equipamentos, sendo estas também aterradas pontualmente, no lado não seguro. Outra condição seria complementar a esta, porém os terras seriam aterrados em conjunto em uma linha equipotencial de terra, unindo o lado não seguro ao lado seguro.

Para mais detalhes, sempre consultar as normas de segurança do local. Recomenda-se utilizar a IEC60079-14 como referência em aplicações em áreas classificadas.


Figura 37 – Várias Formas de Aterramento e Shield.

Em síntese, pode-se adotar as seguintes formas de aterramento do shield:

  • Aterramento do shield somente em uma extremidade, do lado do coupler DP/PA, no negativo da fonte que alimenta o coupler DP/PA e que é aterrado no painel. 
  • Aterramento capacitivo de um lado do shield (do lado do coupler DP/PA, no negativo da fonte que alimenta o coupler DP/PA e que é aterrado no painel) e no outro lado conexão do shield ao terra: - Cerâmico, < 10 nF, isolação > 1500V
  • Aterramento do shield nas duas extremidades (somente nos casos onde a diferença em tensão, entre ambos os extremos for no máximo de 1 V (rms) para que os efeitos dos loops de terra sejam minimizados)

Quando se tem os aterramentos em dois pontos a resistência do aterramento deve ser a mais baixa possível em ambos os extremos para minimizar os loops de terra, principalmente em baixas freqüências. A figura 38 mostra uma situação em campo onde o shield estava aterrado em vários pontos, nas carcaças de vários equipamentos Profibus-PA e nesta condição o sinal ficava com ruído e atenuado. Na figura 39, temos o mesmo sinal, ao se desconectar o shield e deixando-o somente aterrado em um ponto no terra do painel (no coupler DP/PA).


Figura 38 – Sinal Profibus-PA com shield aterrado na carcaça do equipamento

 

 
Figura 39 – Sinal Profibus-PA com shield aterrado somente em um ponto

 

Em baixas freqüências, de níveis de CC até 1 MHz, a blindagem do cabo pode ser aterrada em uma única extremidade do cabo e oferecer uma boa resposta quanto aos efeitos da interferência eletromagnética. Em freqüências mais altas, recomenda-se aterrar a blindagem do cabo em ambas as extremidades do cabo. Nesses casos, é muito importante que as diferenças de potencial de terra em ambos os pontos de conexão ao aterramento sejam as mínimas possíveis. A diferença em tensão, entre ambos os extremos deve ser, no máximo, de 1 V (rms) para que os efeitos dos loops de terra sejam minimizados. É também importante considerar que em altas freqüências há a capacitância parasita de acoplamento que tende a completar o loop quando a blindagem está aterrada em um único extremo do cabo.

A figura 40 mostra um sinal Profibus-PA onde o aterramento da rede digital estava junto ao aterramento de um CCM.

Uso de Cabos Blindados na minimização de ruídos

Na questão da melhor eficiência de proteção a ruídos, a dupla blindagem (trança e folha) tem sido aplicada com melhora significativa na relação sinal/ruído e podemos comentar que:

  • Com dupla proteção com certeza a eficiência é maior. Existem cabos até com mais de 3 proteções. Quanto mais fechada a malha, melhor é a proteção.
  • Pode-se utilizar o shield (trança) e a folha de maneiras distintas,  aplicando-os para baixas e altas freqüências.

No caso das baixas freqüências pode-se aterrar o cabo em apenas uma das extremidades e espera-se neste caso que nestas freqüências a blindagem apresente o mesmo potencial. Com isto teríamos uma maior proteção em ruídos de baixas freqüências.

No caso das altas freqüências, a blindagem apresentará alta suscetibilidade ao ruído e neste caso, recomenda-se que seja aterrada nas duas extremidades (aqui alguns cuidados devem ser tomados na prática por questões da equipotencialidade e mesmo segurança).

Com esta alternativa da dupla proteção, protegeria a comunicação das baixas e altas freqüências, sendo melhor na proteção a EMI.

A eficácia da malha(trança) é geralmente mais eficaz em baixas freqüências, enquanto que a folha é mais eficaz em freqüências mais altas.

Cabos com shield em espiral precisam ser avaliados, pois podem apresentar efeitos indutivos e serem ineficientes em altas freqüências.

Em relação a inversores, que normalmente serão geradores de ruídos, um ponto importante é que a maioria dos inversores possui freqüência de comutação que pode ir desde 1 kHz a 30 kHz. Além disso, alguns fabricantes de inversores comentam que atendem as normas CE, mas que em instalações envolvendo inversores deve-se:

1. Aterrar adequadamente e segundo os seus manuais (shield aterrado nos dois extremos e as carcaças de motores aterradas são recomendações de fabricantes)

2. Potência de saída, fiação de controle (E/S) e sinal devem ser de cabo blindado, trançado com cobertura igual ou superior a 75%, conduíte metálico ou atenuação equivalente.

3. Todos os cabos blindados devem ter sua terminação num conector blindado apropriado.

4. Os cabos de controle e sinais devem ficar afastados no mínimo 0.3 m fios de força/potência.

Entendo as reflexões de sinais em Profibus

O meio físico RS485: Neste padrão temos dois canais independentes conhecidos como A e B, que transmitem níveis de tensão iguais, porém com polaridades opostas (VOA e VOB ou simplesmente VA e VB).

Por esta razão, é importante que a rede seja ligada com a polaridade correta.

Embora os sinais sejam opostos, um não é o retorno do outro, isto é, não existe um loop de corrente.

Cada sinal tem seu retorno pela terra ou por um terceiro condutor de retorno, entretanto, o sinal deve ser lido pelo receptor de forma diferencial sem referência ao
terra ou ao condutor de retorno.

Quanto ao aterramento neste sistema de comunicação, esta é a grande vantagem do sinal diferencial: note na figura 41 que o sinal está trafegando com fases invertidas nos condutores do cabo enquanto o ruído trafega com mesma fase.
Nos terminais de entrada do amplificador diferencial, o sinal de comunicação Profibus chega em modo diferencial e o ruído em modo comum, rejeitando-o. Sendo assim, todo ruído que for induzido no cabo, em geral de origem eletromagnética, será em sua maioria rejeitado.

Figura 41 – Sinal Profibus-DP – RS485

Figura 42 – Rede Profibus-DP – RS485

Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a  diferença de potencial existente entre os dois condutores do par trançado, independente da diferença de potencial que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra).

O que é reflexão de sinal?

A reflexão do sinal ocorre quando um sinal é transmitido ao longo de um meio de transmissão, tal como um cabo de cobre ou fibra óptica e parte da energia do sinal pode ser refletido de volta para sua origem. Isso pode acontecer por imperfeições no cabo, mudança de impedância ao longo da linha de comunicação(splices), falta do terminador, spur além do permitido, comprimento total além do permitifo, etc.

Os pontos  mais prováveis para reflexões são nas conexões ou junções do cabo, ou ainda em pontos onde se tem violada a curvatura mínima do cabo.

Figura 43 – Sinal Profibus sem reflexão (à esquerda) e com reflexão por falta de terminador (à direita)

Figura 44 – Sinal Profibus com  reflexão por splices na instalação (à esquerda) e sem reflexão (à direita)

Observe na figura 45 que quanto maior for a taxa de comunicação maior será a influência da reflexão, pois o tempo de bit é menor.

Figura 45 – Sinal Profibus com  reflexões em diferentes baud rates

A figura 47 mostra um exemplo de instalação onde a curvatura mínima foi violada e com isto o sinal Profibus se comporta como o da figura 48.

Curvatura mínima

Flexão, alongamento, torções, esmagamentos durante o processo de instalação do cabo Profibus podem forçar os condutores ou mesmo alterarem suas seções transversais. Isso perturba o eixo comum dos condutores e blindagem, e mostra-se como uma mudança na impedância no ponto de stress do cabo. Através da captura de sinais, estes pontos podem ser facilmente identificados pelas reflexões nos sinais. Em todos os casos, o raio mínimo especificado refere-se à superfície interna do cabo, e não ao eixo do cabo.

Figura 46 – Raio de Curvatura Mínimo

Freqüentemente os danos não são visíveis e a própria isolação e integridade do cabo podem ficar comprometidas.

Figura 47 - Exemplos de Curvaturas Mínimas Inadequadas e de Cabos Danificados

Figura 48 – Sinal Profibus com reflexão devido à violação da curvatura mínima do cabo

A Figura 49 apresenta um diagrama de uma linha básica de transmissão “single-ended”. Uma fonte de tensão (Vs) gera uma sinal digital com uma impedância Zs. A linha de transmissão tem a  impedância AC (Z0) em relação ao terra e, no final do cabo tem-se a  impedância (ZT), casadora de impedância. No caso do Profibus, temos o terminador no ínicio e término de cada segmento, garantindo a melhor condição de sinais.

Figura 49 - Diagrama de uma linha de transmissão básica (single-ended)

O que é um terminador de rede?

O terminador é uma impedância que se acrescenta na rede Profibus com a função de casar a impedância da rede. Quanto maior for o comprimento da rede, maior poder ser a distorção dos sinais. O terminador elimina erros de comunicação por distorções de sinais. Vale a pena ainda lembrar que se não colocarmos o terminador, o cabeamento funciona como uma antena, facilitando a distorção de sinais e aumentando a susceptibilidade a ruídos. A impedância característica é o valor da carga, que colocada no final desta linha, não reflete nenhuma energia. Ou em outras palavras, é o valor da carga que proporciona um coeficiente de reflexão zero, ou ainda, uma relação de ondas estacionárias igual a um.

Se não há os terminadores no segmento Profibus, o sinal resultante na carga é distorcido no tempo (jitter) e amplitude (oscilações). Toda vez que a geometria do cabo for alterada resultará em desequilíbrios de impedância e haverá reflexões resultantes.

Tanto a rede Profibus-DP quanto a rede Profibus-PA exigem os terminadores. É obrigatório o uso dos terminadores de barramento, onde sua ausência causa o desbalanceamento, provocando atraso de propagação, assim como a oscilações ressonantes amortecidas causando transposição dos níveis lógicos (thresholds). Além disso, melhora a margem de ruído estático. No Profibus-DP, os terminadores são ativos, isto é, são alimentados. Veja a figura 50.

Figura 50 – Terminador de barramento Profibus-DP.

Há necessidade da terminação ativa no barramento no começo e no fim de cada segmento, para manter a integridade do sinal de comunicação, ambos terminadores devem ser energizados. Vide figura 51.

Figura 51 – Terminador ativo de barramento Profibus-DP.

No Profibus-PA, deve-se ter terminadores no barramento (resistor de 100 Ohms e um capacitor de 1 uF em série), um no início e outro no final. Não se deve ligar a blindagem ao terminador e sua impedância deve ser 100 Ohms +/-20% entre 7.8 a 39 kHz. Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas freqüências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão, assim como para converter o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000 mV.

Figura 52a – Forma de onda típica na rede PA e a influência dos terminadores

Figura 52b – Terminador PA com  sinais de umidade: terminação indevida

Os cuidados necessários com os terminadores na rede Profibus-DP

Pelo fato dos terminadores serem ativos, um erro comum que se comete é colocar como escravo DP as estações de trabalho onde em uma queda de energia ou reset do microcomputador, as linhas de alimentação balançam, desbalanceando a rede, causando intermitência e paradas indesejadas.

Blindagem

Aterramento e blindagem são requisitos mandatórios para garantir a integridade dos dados de uma planta. É muito comum na prática encontrarmos funcionamento intermitente e erros grosseiros em medições devido às más instalações.

Os efeitos de ruídos podem ser minimizados com técnicas adequadas de projetos, instalação, distribuição de cabos, aterramento e blindagens. Aterramentos inadequados podem ser fontes de potenciais indesejados e perigosos e que podem comprometer a operação efetiva de um equipamento ou o próprio funcionamento de um sistema.

 A blindagem (shield) deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo, vide figura 53.

Figura 53 -  Blindagem conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo

Quando se tem múltiplos segmentos deve-se mantê-los conectados, garantindo o mesmo potencial de referência, conforme a figura 54.

Figura 54 -  Blindagem me múltiplos segmentos conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo

Efeito Blindagem x aterramento em um único ponto

Neste caso a corrente não circulará pela malha e não cancelará campos magnéticos.

Deve-se minimizar o comprimento do condutor que se estende fora da blindagem e garantir uma boa conexão do shield ao terra.

Figura 55 -  Efeito Blindagem x aterramento em um único ponto

Efeito Blindagem x aterramento em dois pontos

Ocorre uma distribuição das correntes, em função das suas freqüências, pois a corrente tende a seguir o caminho de menor impedância.

Até alguns kHz: a reatância indutiva  é desprezível e a corrente circulará  pelo caminho de menor resistência.

Acima de kHz: há predominância da reatância indutiva e com isto a corrente circulará  pelo caminho de menor indutância.

O caminho de menor impedância é aquele cujo percurso de retorno é próximo ao percurso de ida, por apresentar maior capacitância distribuída e menor indutância distribuída.

Deve-se minimizar o comprimento do condutor que se estende fora da blindagem e garantir uma boa conexão do shield ao terra.

Figura 56-  Efeito Blindagem x aterramento em dois pontos

Vale citar neste caso:

  • Não há proteção contra loops de terra.
  • Danos aos equipamentos ativos possivelmente significativos quando a diferença de potencial de terra entre ambos os extremos ultrapassar 1 V (rms).
  • A resistência elétrica do aterramento deve ser a mais baixa possível em ambos os extremos do segmento para minimizar os loops de terra, principalmente em baixas freqüências.

A blindagem de cabos é usada para eliminar interferências por acoplamento capacitivo devidas a campos elétricos.

A blindagem só é eficiente quando estabelece um caminho de baixa impedância para o terra.

Uma blindagem flutuante não protege contra interferências.

A malha de blindagem deve ser conectada ao potencial de referência (terra) do circuito que está sendo blindado.

Aterrar a blindagem em mais de um ponto pode ser problemático.

Minimizar comprimento da ligação blindagem-referência, pois funciona como uma bobina.

Figura 57- Deve-se minimizar o comprimento da ligação blindagem-referência pois funciona como uma bobina.

Campos elétricos são muito mais fáceis de blindar que campos magnéticos e o uso de blindagens em um ou mais pontos funciona contra campos elétricos.

O uso de metais não magnéticos em volta de condutores não blinda contra campos magnéticos.

A chave para blindagem magnética é reduzir a área de loop. Utiliza-se um par trançado ou o retorno de corrente pela blindagem.

Para prevenir a radiação de um condutor, uma blindagem aterrada em ambos os lados é geralmente utilizada acima da freqüência de corte, porém alguns cuidados devem ser tomados.

Apenas uma quantidade limitada de ruído magnético pode ser blindada devido ao loop de terra formado.

Qualquer blindagem na qual flui corrente de ruído não deve ser parte do caminho para o sinal.

Utilize um cabo trançado blindado ou um cabo triaxial em baixas freqüências.

A efetividade da blindagem do cabo trançado aumenta com o número de voltas por cm.

Aterramento em áreas classificadas

Recomenda-se verificar  a NBR 5418 para aterramento e ligação com sistema equipotencial de sistemas intrinsecamente seguros.

Um circuito intrinsecamente seguro deve estar flutuando ou estar ligado ao sistema equipotencial  associado com a área classificada em somente um ponto.

O nível de isolação requerido (exceto em um ponto) deve ser projetado para suportar 500 V no ensaio de isolação de acordo com 6.4.12 da IEC 60079-11.

Quando este requisito não for atendido, então o circuito deve ser considerado aterrado naquele ponto. Mais de uma conexão ao terra é permitida no circuito, desde que o circuito seja dividido em sub circuitos galvanicamente isolados, e cada qual esteja aterrado somente em um ponto.

Blindagens devem ser conectadas a terra ou à estrutura de acordo com a ABNT NBR IEC 60079-14.

Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos ao sistema de linha equipotencial.

As malhas(Shield) devem ser aterradas em um único ponto no condutor de equalização de potencial. Se houver necessidade, por razões funcionais, de outros pontos de aterramento é permitido que sejam feitos por meio de pequenos capacitores, tipo cerâmico, inferiores a 1 nF e para 1500V, desde que a somatória das capacitâncias não ultrapasse 10 nF.

Nunca instale um dispositivo que tenha sido instalado anteriormente sem uma barreira intrinsecamente segura em um sistema intrinsecamente seguro, pois o zener de proteção pode estar queimado e não vai atuar em áreas intrinsecamente segura.

Layout e Painéis de automação e elétricos

  • Não aproximar o cabo de redes 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.
  • 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.

Inversores – Dicas

  • Recomenda-se o uso de filtro RFI e que sempre se conecte este filtro o mais próximo possível da fonte de ruído (entre o filtro RFI e o drive).
  • 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.
  • Sempre que possível utilizar trafo isolador para a alimentação do sistema de automação.
  • Utilize repetidores em CCMs isolando galvanicamente, evitando diferenciais de terra.
  • 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.
  • 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.
  • 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 freqüência de chaveamento a mais baixa possível. 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.
  • 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 se recomenda 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.
  • 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 se recomenda 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.
  • Minimize o comprimento de cabos entre os inversores e os motores. Quanto maior a distância de cabo, maior a chance de reflexões.
  • Minimize sempre que possível as frequências de chaveamento dos invesores.
  • Sempre que possível use cabos armados. Este tipo de cabo provê baixa impedâncias de acoplamento AC.
  • Sempre que possível use trafos isoladores para os inversores, assim se isola a aliementação e terra.
  • Em termos da rede Profibus DP, distanciá-la do inversor, onde os sinais vão para os motores e colocar repetidores isolando as áreas.
  • O ideal é usar conectores com indutores de 110 nH em série com os sinais A e B, onde a taxa de comunicação for maior que 1.5 Mbits/s para evitar reflexões.Estes indutores compensam o efeito capacitivo quando se tem menos de 1m entre as estações DP.
  • Evite deixar conexões sem a proteção do cabo, os chamados 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. Uma alternativa é usar os conectores com indutores citados anteriormente. Estes indutores compensam o efeito capacitivo.
  • Verificar se os inversores possuem capacitores de modo comum no Barramento CC. Verificar as orientações dos manuais do fabricante.
  • Quando se tem OLM (Optical Link Module), verificar a topologia, pois a programação dos mesmos pode afetar a performance da rede gerando timeouts.

Conclusão

Vimos neste artigo vários detalhes sobre aterramento, blindagens, ruídos, interferências e reflexões. Todo projeto de redes deve levar em conta os padrões para garantir níveis de sinais adequados, assim como, a segurança exigida pela aplicação.

Recomenda-se que anualmente ações preventivas de manutenção sejam tomadas, verificando cada conexão ao sistema de aterramento, onde deve-se assegurar a qualidade de cada conexão em relação à robustez, confiabilidade e baixa impedância (deve-se garantir que não haja contaminação e corrosão).

Este artigo não substitui a NBR 5410, a NBR 5418, os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida,as normas, 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.

Referência Bibliográfica

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* César Cassiolato foi Diretor de Marketing, Qualidade e Engenharia de Projetos & Serviços da Nova Smar S/A, foi Presidente da Associação PROFIBUS Brasil América Latina de 2006 a 2010, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil, Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester. 

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