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PROFIBUS -  Cuidados e recomendações com o aterramento e shield



César Cassiolato
Diretor de Marketing, Qualidade, Assistência Técnica e Instalações Industriais - SMAR Equipamentos Industriais Ltda.
cesarcass@smar.com.br

Introdução

Este breve material nos mostra pontos importantes em relação ao aterramento e blindagem (shield) de uma rede Profibus.

 

Profibus-DP

No campo é muito comum se ter problemas devido a EMC (Emissão Eletromagnética), a diferença de potencial de terra e estes geram inconvenientes intermitentes na comunicação e normalmente não são fáceis de se detectar.
Quando se tem o sinal de comunicação PROFIBUS-DP e o cabeamento distribuído entre as diversas áreas, o recomendado é equalizar o terra conforme a figura 1. Com isto, elimina-se a possível diferença de potencial entre o aterramento da área 01 e o sinal DP assim como, a diferença de potencial entre o aterramento da área 02.



Figura 1 – Sistema de aterramento com diferentes áreas em PROFIBUS-DP

 

O que é terra equipotencial?

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 o interligamento de todos os sistemas de aterramento da mesma através de um condutor de equalização de potencial. Essa condição é chamada na literatura técnica de terra equipotencial.

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 do shield 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 2.

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




Figura 2 – Linha de Equipotencial.

 

A Figura 3 apresenta detalhes de cabeamento, shield e aterramento quando se tem áreas distintas.



Figura 3 – 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 4 – Combinação Ideal de Shield e Aterramento.

 


Figura 5 – 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 6 – 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 7a 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 7b, 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 7a – Sinal Profibus-PA com shield aterrado na carcaça do equipamento

 


Figura 7b – 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 8 mostra um sinal Profibus-PA onde o aterramento da rede digital estava junto ao aterramento de um CCM.


Figura 8 – Sinal Profibus-PA com ruídos por indução

 

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 utilizar de 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 1.0 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.

Conclusão

Vimos neste artigo detalhes de aterramento e blindagem (shield) na rede Profibus. Vale lembrar que uma instalação adequada e dentro dos padrões é a base para o sucesso de um projeto com tecnologia digital.
Como o Profibus e o AS-i são tecnologias consolidadas em milhares de aplicações em todo o mundo, é essencial que os projetos de sistemas de automação que utilizam estas tecnologias possam contar com profissionais altamente capacitados e reconhecidos para garantir o sucesso do empreendimento.
Assim, a Smar possui a maior equipe do Brasil capacitada para análise de redes digitais de automação, configuração, comissionamento, startup e instalações. São milhares de pontos Profibus e AS-i certificados e verificados pela Smar em várias aplicações e nos mais diversos segmentos industriais, garantindo, além da conformidade com os padrões, vantagens como:

  • Aumento do desempenho e confiabilidade da rede;
  • Redução no tempo de comissionamento, startups e paradas;
  • Atuação preventiva e preditiva nas possíveis falhas em instalações e sinais de comunicação;
  • Aumento da segurança operacional com as melhorias sugeridas;
  • Elevação da performance operacional e redução dos custos globais de operação e manutenção, entre outros.

Com a Smar, o cliente tem acesso a relatórios detalhados das informações e análises técnicas, mostrando os pontos em desacordo com os padrões, as correções necessárias e as sugestões de melhorias.

Para informações sobre certificação de redes Profibus e AS-i, consulte: http://www.smar.com/brasil2/especialistas_profibus.asp

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.

 

Referências:

  • Manuais SMAR Profibus
  • Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação - César Cassiolato
  • EMI - Interferência Eletromagnética - César Cassiolato
  • www.smar.com.br
  • Material de Treinamento e artigos técnicos Profibus - César Cassiolato
  • Especificações técnicas e Guias de Instalações Profibus.
  • Utilização Eficiente de Canaletas Metálicas para a Prevenção de Problemas de Compatibilidade Eletromagnética em Instalações Elétricas", Ricardo L. Araújo, Leonardo M. Ardjomand, Artur R. Araújo e Danilo Martins, 2008, www.emfield.com.br
  • http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_interferencias_eletromagneticas.php
  • Mecatrônica Atual - Edição 48, 2010.

*   César Cassiolato é Engenheiro Certificado na Tecnologia Profibus e Instalações Profibus pela Universidade Metropolitan de Manchester –UK.

 

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