PROFIBUS: Puesta a tierra, blindaje, ruidos, interferencias, reflexiones y mucho mas...

Introducción

La coexistencia de equipos de diverdas tecnologías diferentes sumada a la deficiencia de instalaciones facilita la emission de energía electromagnética y esto puede causar problemas de compatibilidad electromagnética.

La EMI es la energía que causa respuesta indeseable a cualquier equipo y puede generarse por el surgimento de chispas en los cepillos de motores, llaveado de circuitos de potencia, activación de cargas inductivas y resistivas, activación de llaves, disyuntores, lámparas fluorescentes, calentadores, bujías automotivas, descargas atmosférias y también la descarga electrostáctica entre personas y equipos, aparatos de microondas, equipos de comunicación movil, etc. Todo eso puede causar cambios y alto voltaje, baja tensión, picos, transientes, etc. y que pueden tener impacto negativo en redes de comunicación. Esto es común en industrias y fábricas donde EMI es muy frecuente debido al uso de máquinas (por ejemplo, de soldadura), y motores (CCMs), además de redes digitales y de computadoras cercanas.

El mayor problema causado por EMI son las situaciones esporádicas que degradan despacio los equipos y componentes. Incontables problemas pueden generarse por EMI, por ejemplo, en equipos electrónicos, originando fallos en la comunicación entre dispositivos de una red de equipos o computadoras, alarmes generados sin explicación, lógica o comando en relés, la quema de componentes y circuitos electrónicos, etc. Es muy común la ocurrencia de ruidos en la alimentación eléctrica debido a mala puesta a tierra y blindaje, o aún error de proyecto. 

La topología y la distribución del cableado, los tipos de cables, las técnicas de protección son factores que se deben considerar para minimizar los efectos de EMI. No olvidar que en altas frecuencias los cables funcionan como un sistema de transmisión de líneas cruzadas y confusas, reflejando energía y difundiendola entre todos los circuitos. Mantener las conexiones en buenas condiciones, pues conectores inactivos por mucho tiempo pueden desarrollar resistencia o volverse detectores de RF.

Un ejemplo típico de la influencia de EMI en el funcionamiento de un componente electrónico, es un capacitor sometido a un pico de tensión mayor que su tensión nominal especificada, arriesgándose a degradar el dieléctrico, cuya espesura es limitada por la tensión operativa del capacitor, lo que puede producir un gradiente de potencial inferior a la rigidez dieléctrica del material, causando la disfunción o mismo quemar el capacitor. O entonces pueden generarse corrientes de polarización de transistores, llevándolos a saturación o corte, o aún, dependiendo de la intensidad, a la quema de componentes por efecto joule.

Este artículo les mostrará algunos detalles sobre Profibus, puesta a tierra, blindaje, ruidos, interferencias y mucho más.

En mediciones:

  • No sé negligente, imprudente o actue con impericia en cuestiones técnicas.
  • Recuérdate: cada fábrica y sistema tiene sus detalles de seguridad. Infórmate de ellos antes de iniciar tu trabajo.
  • Siempre que posible, consulta las reglamentaciones físicas y las prácticas de seguridad de cada área.
  • Actua con seguridad en las mediciones, evitando contactos entre terminales y el cableado pues la alta tensión puede causar choque eléctrico.
  • Minimiza el riesgo de posibles problemas cumpliendo con los estándares de seguridad y de areas clasificadas que regulan la instalación y operación de los equipos. Estos estándares varían según el área y siguen siendo actualizadas. El usuario es responsable en determinar cuales normas seguir en sus aplicaciones y garantizar que cada aplicación esté de acuerdo con ellas.
  • Una instalación inadecuada o un equipo utilizado en aplicación no recomendadas pueden perjudicar la performance del sistema y por lo tanto el proceso, además de representar una fuente de peligro y accidentes. Debido a esto, se recomienda utilizar solo profesionales entrenados y calificados para instalación, manejo y mantenimiento.

Muchas veces la confiabilidad de un sistema de control se pone en riesgo debido a sus malas instalaciones. Por lo general, los usuarios son transigentes y, tras análisis más criteriosas, se descubren problemas involucrando cables y sus rutas y embalajes, blindajes y puesta a tierra.

Es de suma importancia haber la concientización de todos participantes y más que todo, el compromiso con la confiabilidad y la seguridad de funcionamiento de máquinas y de personas en una planta.

Este artículo brinda informaciones y pistas sobre sistemas de puesta a tierra, destacando  que las regulaciones locales siempre prevalecen en caso de duda.

Confiabilidad de un sistema de automatización y control

Muchos requisitos deben cumplirse para garantizar los diversos niveles de confiabilidad, incluyendo:

  • Puesta tierra en un solo punto;
  • Señales AC y DC libres de ruidos;
  • Fuentes redundantes;
  • Controladores redundantes;
  • Sensores redundantes;
  • Cableado redundante;
  • Etc.

Existe también una relación directa entre confiabilidad y costo, y además de esto, seguridad y costo, donde  muchas veces ocurre negligencia técnica. Hay condiciones mínimas reglamentadas que se deben cumplir en su totalidad.

 NBR 5410

La NBR-5410 es el estándar brasileño para instalaciones eléctricas de baja tensión. El orienta como configurar y calcular los sistemas de puesta a tierra, además de los puntos equipotenciales para conexión de los sistemas de protección eléctrica, electrónicos y contra rayos.

Estándares complementares:

  • NBR 5456 – Electrotécnica y electrónica;
  • NBR 5444 – Símbolos gráficos para instalaciones eléctricas prediales;
  • NBR 13570 – Instalaciones eléctricas en lugares públicos;
  • NBR 13543 – Instalaciones eléctricas en establecimientos de salud;
  • NBR 5418 – Instalaciones de equipos eléctricos en atmósferas potencialmente explosivas.

Concepto de Puesta a Tierra

Es la conexión intencional de un equipo o sistema a tierra de manera a proporcionar un camino seguro y de baja resistencia.

Importante:

  • Para contactos indirectos existen otras formas de protección además de la puesta a tierra!
  • No modifique o viole características de construcción de equipos producidos bajo normas!! Por ejemplo, un equipo usado en aplicaciones a prueba de explosión en áreas intrínsecamente seguros , pues el zener de entrada puede haberse dañado y no garantizar la protección según los requisitos de seguridad.
  • Antes de empezar cualquier trabajo, conozca los detalles y criterios de seguridad en instalaciones industriales y, además, una fábrica es diferente de otra y tiene siempre sus peculiaridades!
  • Cuidado en áreas clasificadas!
  • Accidentes también ocurren por exceso de confianza: quien no sabe nadar… difícilmente muere ahogado!
  • Cuidado en la mediciones en el campo!

Hilo a tierra

Todo circuito debe tener un conductor para protección a lo largo de su extensión.

Puestas a tierra de Equipos Eléctricos Sensibles

Los sistemas de puesta a tierra deben ejecutar varias funciones simultáneas, como proporcionar seguridad a personas y a todo el equipo. En seguida está una lista de funciones básicas de los sistemas de puesta a tierra como:Proveer seguridad personal a los usuarios;

  • Proveer un camino de baja impedancia (o inductancia) de retorno a tierra, posibilitando el apagado automático por los dispositivos de protección de manera rápida y segura, cuando debidamente proyectado;
  • Controlar las tensiones desarrolladas en el suelo cuando el corto circuito fase-tierra retorna a través de la puesta a tierra a una fuente cercana o mismo distante;
  • Estabilizar la tensión durante transitórios en el sistema eléctrico causados por faltas a la tierra;
  • El escape de cargas estáticas acumuladas en estructuras, soportes y alojamientos de los equipos en general;
  • Proveer un sistema para que los equipos electrónicos puedan funcionar satisfactóriamente en alta y en bajas frecuencias;
  • Proveer una referencia estable de tensión a señales y circuitos;
  • Minimizar los efectos de EMI (Emisión Electromagnética).

 El conductor neutro está normalmente aislado y el sistema de alimentación debe ser el TN-S (T: punto directamente puesto a tierra, N: masas conectadas directamente al punto de alimentación puesto a tierra, S: conductores separados para neutro y protección.

El conductor neutro ejerce su función básica de conducir las corrientes de retorno del sistema.

El conductor de protección ejerce su función básica de conducir a tierra las corrientes de masa. Todos los alojamientos deben conectarse al conductor de protección.

El conductor de equipotencialidad debe ejercer su función básica de referencia de potencial del circuito electrónico.


Figura 1 – TN-S System

Sistema TN-S(Red externa pública) (instalación

Fuente de Suministro Instalación

Equipos de Instalación

Fuente de Suministro Partes conductoras expuestas

Red de Origen

 Para satisfacer las funciones anteriores destácanse  tres características fundamentales:

1.     Capacidad de conducción;

2.     Bajo valor de resistencia;

3.     Configuración de eléctrodo que posibilite el control del gradiente de potencial.

Independientemente de la finalidad, sea protección o funcional, la puesta a tierra debe ser única en cada lugar de instalación. Existen situaciones donde las conexiones a tierra pueden ser separadas, pero es necesario tomar precauciones. 

Relativamente a la instalación de componentes del sistema de puesta a tierra, deben adoptarese algunos criterios:

  • el valor de la resistencia de puesta a tierra no debe cambiarse considerablemente a  lo largo del tiempo;
  • los componentes deben soportar las condiciones térmicas, termomecánicas y electromagnéticas;
  • los componentes deben ser robustos y  tener protección mecánica adecuada para enfrentar las influencias externas;
  • se deben impedir daños causados por  la electrólisis a los eléctrodos y otras partes metálicas.

Equipotencializar

Definición: Equipotencializar es ubicar todo debajo del mismo potencial.

En la práctica: Equipotencializar es reducir la diferencia de potencial para minimizar accidentes.

En cada edificación debe realizarse una equipotencialización principal y aún conectar las masas de las instalaciones ubicadas en la misma edificación y, por lo tanto, al mismo y único eléctrodo de la puesta a tierra. Ver figuras 2 y 3.

La equipotencialización funcional tiene la función de ecualizar la puesta a tierra y garantizar el buen funcionamiento de los circuitos de señal y la compatibilidad electromagnética.

Conductor de Equipotencialización

Principal: Debe tener al mínimo la mitad de la sección del conductor de protección de mayor sección y:

  • 6mm2 (Cobre);
  • 16mm2 (Alumínio);
  • 50mm2 (Acero) . 

Para otros pisos , Computadoras

Paneles Eléctricos y distribución de energía

Instrumentación

Tamaño máximo de los lazos: 4 m 

Figura 2 – Equipotencialización

Figura 3 – Línea  de Puesta a Tierra y Equipotencial de Instalaciones

Figura 4 – Material para Equipotencializar

Consideraciones sobre equipotenciales

Observa la figura 5, donde hay una fuente generadora de alta tensión y ruidos de alta frecuencia y un sistema de medición de temperatura a 25m de la sala de control y donde, dependiendo del embalaje de causados por  la electrólisis señales, se puede alcanzar hasta 2.3kV en los terminales de medición. Según se mejoran las condiciones de blindaje, puesta a tierra y equalización  se puede alcanzar la condición ideal para medición.

CONSIDERACIONES SOBRE EQUIPOTENCIALES

Fuente generadora de alta tensión y de ruidos de alta frecuencia Sensor de Temperatura Sala de control 25m de cable Tierra

Efecto en la señal según el tratamiento de puesta a tierra

Figura 5 – Ejemplo de la importancia de la puesta a tierra y la equipotencialización y su influencia en la señal

En sistemas distribuidos, tales como el control de procesos industriales, cuyas areas están fisicamente distantes y alimentadas por fuentes diferentes, la orientación es tener el sistema de tierra en cada lugar y aplicar las técnicas de control de EMI en cada ruta de señal, de acuerdo con la figura 2. 

 Implicaciones de puesta a tierra inadecuada

La puesta a tierra inadecuada tiene implicaciones que no se limitan a los aspectos de seguridad. Los principales efectos de mala puesta a tierra son choques eléctricos a los usuarios por contacto, respuesta lenta o intermitente de los sistemas de protección, tales como fusibles, disyuntores, etc.

Pero aún otros problemas operativos pueden originarse de puesta a tierra deficiente:

  • Fallas de comunicación
  • Drifts o derivaciones, errores de medición
  • Exceso de EMI
  • Calientamiento anormal de las etapas de potencia (inversores, conversores, etc.) y motorización[
  • Trabamiento constante de computadoras
  • Quema  de componentes electrónicos sin motivo aparente, mismo en aparatos nuevos y confiables
  • Intermitencias
  • Otros

El sistema de puesta a tierra debe ser único y satisfacer a diferentes finalidades:

  • Control de interferencia electromagnética, tanto interno (acoplamiento capacitivo, inductivo y por impedancia común) como externo al sistema electrónico (ambiente);
  • Seguridad operativa, cuando el alojamiento de los equipos se conecta  a tierra y, por lo tanto, cualquiera señal puesto a tierra o referenciado directa o indirectamente al alojamiento o al panel, queda automáticamente referenciado a la tierra de distribución de energía;
  • Protección contra rayos, donde los conductores del Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA) deben conectarse a las estructuras metálicas para evitar chispas y a los sistemas de electrodos de puesta a tierra interconectados con la puesta a tierra de energía, tubería metálica, etc. quedando la puesta a tierra de los circuitos conectados al pararrayos vía estructura o sistema de electrodos.

Como consecuencia, los equipos con alojamientos metálicos quedan expuestos a ruidos en los circuitos de puesta a tierra de energía y rayos.

Para satisfacer a los requisitos de seguridad, protección contra rayos y EMI, el sistema de puesta a tierra debería ser un plano con impedancia cero, cuya  mescla de diferentes niveles de corriente no tendría interferencia. O sea, una corriente ideal, pero que no se confirma en la realidad.

Puesta a tierra en un solo punto

Se puede ver este sistema por un solo punto en la figura 6, donde el punto marcante es una única puesta a tierra distribuida a toda la instalación.

Sistema A B C D

Puesta a tierra de punto único

Figura 6 –Puesta a tierra de punto único

Esta configuración es más adecuada al espectro de frecuencias bajas y satisfaz perfectamente a los sistemas electrónicos de alta frecuencia instalados en áreas reducidas.

Además, este sistema debe aislarse y no servir de camino de retorno para corrientes de señales, las cuales deben circular por conductores de señales de pares equilibrados, por ejemplo.

Puesta a tierra multipuntos

Para frecuencias altas, el sistema multipunto es lo más indicado, según se ve en la figura 7 a, incluso simplificando la instalación.

Sistema A B C D

Puesta a tierra multipunto

Figura 7 a – Puesta a tierra multipunto

Electrodos

Neutro

carga 1 carga 2

impedancia de puesta a tierra

carga 2 y carga 3

Figura 7 b – Puesta a tierra en la práctica

Muchas conexiones de baja impedancia entre los conductores PE y los electrodos de puesta a tierra mescladas com diferentes caminos de alta impedancia entre los electrodos y las impedancias de los conductores crean un sistema complejo con una red de impedancia (ver figura 7 b),  y las corrientes que  fluyen a través de el genera diferentes potenciales de puesta a tierra en las conexiones de esta red.

Los sistemas de puesta  a tierra multipuntos con circuitos equilibrados, por lo general, no presentan problemas de ruidos. En este caso ocurre el filtraje del ruido, cuyo campo queda contenido entre el cable y el plan de tierra.

Figure 8 – Puesta a tierra multipunto inadecuado

Figura 9 – Puesta a tierra en punto único inadecuado

En la figura 9 se ve una puesta a tierra adecuada cuyas corrientes individuales se mueven hacia un punto único.

Lazos de puesta a tierra

Un lazo de puesta a tierra ocurre cuando existe más de un camino de aislamiento, generando corrientes indebidas entre estos puntos.

Estos caminos forman el equivalente al lazo de una antena que capta las corrientes de interferencia con mucha eficiencia.

En consecuencia, la referencia de tensión se instabiliza y el ruido surge en las señales.

Equipo 1

Señal Z

Equipo 2

Señal de cable

Figura 10 - Lazo de puesta a tierra

Puesta a tierra a nivel de los equipos: Práctica

En la práctica, lo que sucede es un “sistema mixto” separando circuitos semejantes y aislándolos  en cuanto  a ruidos:

  • 1. “puesta a tierra de señales” para aislar los circuitos más sensibles;
  • 2. “puesta a tierra de ruidos” para aislar comandos (relés), circuitos de alta potencia (por ejemplo, CCMs);
  • 3. “puesta a tierra de equipos” para aislar soportes, paneles, etc.

Estos tres circuitos se conectan al conductor de protección.

Equipo 1 Equipo 2

Cable de señal Fallo Corriente Rayos

Interferencia

Corriente de lazo

Diferencia de Potencial (DDP)

Figura 11 – Puesta a tierra a nival de los equipos, en la práctica

 Las señales pueden variar básicamente debido a:

  • Flotación de tensión;
  • Harmónicas de corriente;
  • RF conducidas y radiadas;
  • Transitorios (conducción o radiación);
  • Campos Electrostácticos;
  • Campos Magnéticos;
  • Reflejos;
  • Crosstalk;
  • Atenuación;
  • Jitter (ruido de fase);
  • Otros.

Las principales fuentes de interferencia son:

  • Acoplamiento capacitivo (interacción de campos eléctricos entre conductores);
  • Acoplamiento inductivo (seguidas de un campo magnético. El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di / dt) y de la inductancia de acoplamiento mútuo);
  • Conducción a través de impedancia común (puesta a tierra): ocurre cuando las corrientes de dos áreas diferentes pasan por la misma impedancia. Por ejemplo, la conexión a tierra común de los dos sistemas.

Aclopamiento Capacitivo

El acoplamiento capacitivo está representado por la interacción de campos eléctricos entre conductores. Un conductor pasa próximo a una fuente de ruido (el perturbador), capta este ruido y lo transporte a otra parte del circuito (la víctima).  Es el efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas eléctricas, separadas por un dieléctrico, lo que llamamos de efecto de capacitancia mútua.

El efecto del campo eléctrico es proporcional a la frecuencia y inversamente proporcional a la distancia.

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”.

El nivel de perturbación depende de las variaciones de tensión (dv / dt) y el valor de la capacitancia de acoplamiento entre el “cable perturbador” y el “cable víctima”.

La capacitancia de acoplamiento aumenta con:

  • El inverso de la frecuencia: el potencial de acoplamiento capacitivo aumenta según el aumento de frecuencia (la reactancia capacitiva, que puede considerarse como la resistencia del acoplamiento capacitivo, disminuye  de acuerdo con la frecuencia y puede verse en la fórmula: XC = 1/2πfC).
  • La distancia entre los cables perturbadores y víctimas y la largura de los cables que corren en paralelo.
  • La altura de los cables relativamente al plan de referencia (en relación al suelo).
  • La impedancia de entrada del circuito victima (circuitos de alta impedancia de entrada son más vulnerables).
  • El aislamiento del cable víctima εr do isolamento do cabo), principalmente para pares de cables fuertemente acoplados.

Figuras 12a y 12b muestran ejemplos de acoplamientos capacitivos

Fuente Rs Fuente RL Victima RL

Fuente V Víctima Rs

Plan de puesta a tierra

Crosstalk por acoplamiento capacitivo

Cables paralelos sobere el plan de puesta a tierra

Figura 12 a – Efecto de acoplamiento capacitivo

Fuente V

Víctima V

Figra 12b – Ejemplo de efecto por acoplamiento capacitivo

La figura 13 muestra el acoplamiento y sus fuentes de tensión y corriente en modo común y diferencial.

Modo Diferencial Modo Común Fuente Víctima

Fuente Víctima

VsDM: (modo diferencial) – Fuente de disturbio de tensión

IvDM: (modo diferencial) – Corriente de disturbio en el circuito víctima

VsDm: (modo común) – Fuente de disturbio de tensión

IvCm: (modo común) – Corriente de disturbio en el circuito víctima

Figura 13 – Modo diferencial e modo comum – Acoplamento capacitivo

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento capacitivo

1.     Limitar la largura de los cables corriendo en paralelo

2.     Aumentar la distancia entre el cabo perturbador y el cable víctima

3.     Conectar a tierra una de las extremidades del blindaje de los dos cables

4.     Reduza el dv/dt de la señal perturbadora, aumentando el tiempo de pico de la señal, bajando la frecuencia, cuando necesario

Siempre que posible proteger el conductor o equipo con material metálico (blindaje de Faraday). Lo ideal es cobrir 100% de la parte a protegerse y poner a tierra este blindaje para que la capacitancia parásita entre el conductor y la blindaje no actue como elemento de realimentación o crosstalk. La figura 14 muestra la interferencia entre cables, en que el acoplamiento capacitivo entre cables induce transientes (picos electrostácticos) de tensión. En esta situación la corriente de interferencia se drena a la puesta a tierra por el blindaje, sin afectar los niveles de señales.

Cable de Alimentación ALTO VOLTAJE

Cable Profibus El transientes  se acopla a la puesta a  tierra  a  través del blindaje

 

Figura 14 – Interferencia entre cables:el acoplamiento capacitivo entre cables induce transientes (picos electrostácticos) de tensión.

La figura 15 muestra ejemplo de protección contra transientes

Figura 15 – Ejemplo de protección contra transientes (mejor solución contra corriente de Foucault)

Como reducir interferencias electrostácticas:

  • Puesta a tierra y blindaje adecuada
  • Aislamiento óptico
  • Uso de canaletas y cajas de pase metálicas puestas a tierra

En la figura 16 se ve la capacitancia en el acoplamiento entre dos conductores separados por una distancia D.

Figura 16 – Acoplamiento capacitivo entre conductores a una distancia D

Acoplamiento Inductivo

El cable “perturbador” y el cable “víctima”  siguense por un campo magnético. El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di / dt) y de la inductancia de acoplamiento mútuo. El acomplamiento inductivo aumenta con:

  • frecuencia (XL = 2πfL)
  • La distancia entre los cables perturbadores y víctimas y la largura de los cables que corren en paralelo
  • La altura de los cables con relación al plan  de referencia (en relación al suelo)

Cable de potencia Cable de potencia

Víctima (par de datos) Víctima (lazo)

Víctima (par de datos) Víctima (lazo)

Modo diferencial Modo común

Figura 17 a – Acoplamiento inductivo entre conductores

Medidas para reducir el efecto del acomplamiento inductivo entre cables

  • Debe limitarse la largura de los cables que corren en paralelo.
  • Aumentar la distancia entre el cable perturbador y el cable víctima
  • Conectar a tierra una de las extremidades del  blindaje de los dos cables
  • Reducir el dv/dt del cable perturbador aumentando el tiempo de pico de la señal, si necesario (Resistores conectados en serie o resistores PTC en el perturbador, juntas de ferrite en los perturbadores o en el cable víctima)

Campo electromagnético Dispositivo Cable de Señal

Acoplamiento Campo-Cable

Figura 18 – Acoplamiento inductivo entre cable y campo

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cable y campo

1.     Limita la altura (h) del cable al plano de tierra

2.     Siempre que posible ubica el cable junto a la superficie metálica

3.     Usa cables cruzados

4.     Usa ferrites y filtros de EMI

Campo Electromagnético

Dispositivo 1 Cable de Señal Lazo de Tierra Dispositivo 2

Acomplamiento Campo-Lazo

Figura 19 – Acoplamiento inductivo entre cable y lazo de tierra

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cable y lazo de tierra

      1.     Reducir la altura (h) y la largura del cable.

      2.     Siempre que posible ubicar el cable junto a la superficie metálica.

      3.     Usar cables cruzados.

      4.     En altas frecuencias poner el blindaje a tierra en dos puntos (cuidado!) y en bajas frecuencias en un solo punto.

Cable de Comunicación Digital Cables con y sin Blindaje: 60Vcd o 5Vca y < 400Vca Cables con y sin blindaje: >400Vca Cualquier cable expuesto a rayos

Cable  de Comunicación Digital

Cables con y sin  blindaje: 60Vcd o 25Vca y < 400Vca

Cables con y sin  blindaje: > 400Vca

Cualquier cable expuesto a rayos

Tabla 1 – Distancias entre cables de comunicación digital y otros tipos de cables para garantizar protección contra EMI

 Cable de Potencia Cable Profibus PICKUP

Con el cable cruzado, las corrientes inducidas tienden cancelarse en los lazos cercanos

Figura 20 – Interferencia entre cables: campos magnéticos a través de acoplamiento inductivo entre cables transientes (pickups electromagnéticos) de corriente

Interferencias Electromagnéticas pueden reducirse con:

  • Cable cruzado
  • Aislamiento óptico
  • Uso de canaletas y cajas metálicas

Considerando que la espesura del cable es insignificante y que L>>D:

Figura 21 – Inductancia mútua entre dos conductores

Para minimizar el efecto de inducción se debe  usar el cable de par trenzado que minimiza el área (S) y reduce el efecto de tensión induzida Vb en función del campo B, equilibrando los efectos (media de los efectos según las distancias):

El cable de par trenzado se compone de dos pares de hilo. El cable de par único es enrollado en espiral y a través del efecto de cancelación reduce el ruido y mantiene las propiedades eléctricas del medio a lo longo de toda su extensión. El  efecto de reducción usando cables trenzados funciona por la cancelación del flujo llamada Rt (en dB):

Donde  n es el número de vueltas/m y l es la largura total del cable. Ver figuras 22a y 22b.

El efecto de cancelación reduce la diafonía (crosstalk) entre los pares de cables y dizminuye el nivel de interferencia eléctromagnética y radiofrecuencia. El número de trenzas en los cables puede variar a fin de reducir el acoplamiento eléctrico. Su construcción posibilita el acoplamiento capacitivo entre los conductores del par.  El comportamiento es más eficaz en bajas frecuencias (< 1MHz). Cuando no es blindado, tiene la desventaja del ruido en modo común. Para bajas frecuencias, o sea, cuando la largura del cable es menor que 1/20 de la largura de onda de la frecuencia de ruido, el blindaje (malla o blindaje) presentará el mismo potencial en toda su extensión, cuando se recomienda conectar el blindaje en un único punto a tierra. En altas frecuencias, o sea, cuando la largura del cable es mayor que 1/20 de la largura de onda de la frecuencia del ruido, el blindaje presentará alta suscetibilidad al ruido y así se recomienda poner  a tierra en ambas extremidades.

En el acoplamiento inductivo, se tiene Vruido = 2πBAcosαdonde B es el campo y αes el ángulo en que el flujo corta el vector área (A) o aún en función de la inductancia mútua M: Vruido = 2πfMI donde I es la corriente en el  cable de alimentación.

Figura 22 a – Efecto de acoplamiento inductivo en cables paralelos

 Figura 22 b – Minimización del efecto de acoplamiento inductivo en cables trenzados

Figura 22c – Ejemplo de ruido por inducción

 Figura 22d – Ejemplo de Cables de Profibus cerca de cable de alimentación

Los pares trenzados son muy eficientes desde que la inducción en cada área de torción sea aproximadamente igual a la inducción cercana.  Su uso es eficiente en modo diferencial, circuitos equlibrados y tiene baja eficiencia en bajas frecuencias y circuitos desequilibrados. En circuitos de alta frecuencia con multipuntos de puesta a tierra, la eficiencia es alta porque la corriente de retorno tiende a fluir a través del retorno cercano. Sin embargo, en altas frecuencia en modo común el cable tiene poca eficiencia.

La figura 23 detalla la situación del Profibus-DP y los lazos de puesta a tierra.

Figura 23 – Profibus – DP y los lazos de puesta a tierra

Protección con canaletas metálicas

En seguida veremos el uso de canaletas metálicas en la reducción de corrientes de Foucault.

El espacio entre las canaletas facilita la perturbación generada por el campo magnético. Además, esta interrupción facilita la diferencia de potencial entre cada sección de la canaleta y, en el caso de aumento de corriente generado, por ejemplo, por una descarga atmosférica o un cortocircuito, la falta de continuidad no permitirá que la corriente circule por la canaleta de aluminio y  por consiguiente no protegerá el cable Profibus.

Lo ideal es que se conecte cada sección de mayor área de contacto posible, lo que dará más protección contra la inducción electromagnética y también  que haya entre cada sección un conductor lo  menos largo posible de cada lado de la canaleta para garantizar un camino alternativo a las corrientes en caso de aumento de resistencia en las juntas de las secciones.

Con el montaje adecuado de la canaleta de aluminio, el campo, al penetrar en la placa de aluminio de la canaleta, produce un flujo magnético variado en función del tiempo  [f = a.sen(w.t)], originando una f.e.m. inducida [ E = - df/dt = a.w.cos(w.t)].

En frecuencias altas, la f.e.m. inducida en la placa de aluminio será mayor, originando un campo magnético mayor y anulando casi totalmente el campo magnético generado por el cable de alimentación. Ese efecto de cancelación es menor en bajas frecuencias. En alta frecuencias la cancelación será más eficiente.

Ese es el efecto de las placas y pantallas metálicas delante de ondas electromagnéticas; ellas generan sus propios campos y reducen o mismo anulan el campo a través de ellas, funcionando entonces como verdaderos blindajes contra las ondas electromagnéticas. Funcionan como una jaula de Faraday.

Esté seguro que las placas y las juntas sean hechos del mismo material que las canaletas y bandejas. Proteja los puntos de conexión contra corrosión después del montaje con tinta de zinc o verniz, por ejemplo.

Aunque los cables sean blindados, el blindaje contra los campos magnéticos no es tan eficiente como contra campos eléctricos. En bajas frecuencias, los pares trenzados absorben la mayor parte de los efectos de la interferencia electromagnética.  Por otro lado, las altas frecuencias absorben eses efectos por el blindaje del cable. Siempre que posible, conectar las cajas de cables al sistema de líneas equipotencial.

Campo Magnético 

Cable de Alimentación Cable Profibus Profibus Alimentación

placas de aluminio

cable conductor

Figura 24 – Protección contra transientes con canaletas metálicas

Protectores de transientes y distancias efectivas

Los proyectos e instalaciones deben tener en cuenta los conceptos y técnicas de protección de equipos de campo PROFIBUS DP e PROFIBUS PA en cuanto a señales de alta tensión y corrientes inducidas por rayos u otras fuentes.

Se sabe que las instalaciones de sistemas de control pueden consistir en la distribución aérea y subterránea de cables, bandejas o cajas, cables cerca de fuentes de alta tensión y puedan ser susceptibles a la exposición de rayos, descargas electrostáticas e interferencia electromagnética (EMI). Esta puede transmitirse (vía aire), conducida (vía conductores), inducida (en general por encima de 30MHz) o una combinación de todas. Para imaginarse  la tensión generada por la descarga electrostática, teniéndose en cuenta un conductor con 50nH de inductancia podemos tener picos de tensión alrededor de 200V (V = L*di/dt) o mas), pues  el pulso de corriente generado por la descarga electrostática tiene un tiempo de subida muy corto, alrededor de 4 A /ns.

Esta exposición puede afectar el comportamiento de señales y mismo damnificar los quipos pues los mismos tienen componentes de baja potencia que pueden fácilmente quemarse con la sobretensión.

¿Qué es un protector de transientes?

El protector de transientes es un dispositivo de protección – un hardware – que adecuadamente posicionado (veremos en seguida) e instalado protege los equipos, limitando los niveles de transientes que pueden atingirlos. Actúa casi instantáneamente, desviando los transientes para el tierra y controlando la tensión en un  nivel que no damnifica el equipo conectado a el. Cuando la corriente llega a nivel aceptable, la operación normal se restablece automáticamente.

Figura 25 – Surge Arrester

Como proteger redes y equipos PROFIBUS PA

En instalaciones PROFIBUS PA, las tensiones que superan las condiciones normales de operación se conocen como “surge” (picos) y aparecen de manera transitoria, pudiendo afectar el comportamiento de la red. Como en todas las redes fieldbus, ocurre el cambio de datos, garantizándose la integridad de ellos y la seguridad operacional de la planta.

Cuanto mayores el tronco y las derivaciones de la red PROFIBUS PA, mayor será la amplitud de transientes debido a la exposición a la diferencia de potencial de tierra. Daño semejante también puede causarse en equipos conectados por cables relativamente cortos, si los circuitos o componentes fueran especialmente sensibles. En algunas situaciones, puede damnificarse seriamente las instalaciones y los equipos, dependiendo de la energía.

El cable estándar para la red PROFIBUS PA es el conductor de pares retorcidos, cuyas vueltas minimizan la tensión entre las líneas, aunque, como mencionado anteriormente, la diferencia del potencial de tierra puede damnificar los componentes y perjudicar el comportamiento, al tornar el sistema muy sensible. Hay que notar también que el cable, su distribución, son factores a considerar a favor de la minimización de ruidos y transientes. Se recomienda el uso del blindaje, que actúa básicamente como una jaula de Faraday y maximiza su eficiencia contra ruidos en modo común, cuando se pone a tierra en la fuente de señal. Además, garantiza más protección contra la EMI.

Figura 26  - Cable de pares retorcidos PROFIBUS PA.

Con relación al protector contra transientes, la tensión límite no debe ser muy mas grande que la tensión operacional del equipo, y en la práctica es común usarse esta tensión como el doble de  la tensión de funcionamiento del equipo. En términos de rayos, los estudios indican que las descargas pueden generar corrientes de 2 kA a 200 kA con corrientes de pico con duración de menos que 10μs.

Al elegir  el protector de transientes se debe ser juicioso, pues este puede degradar la señal PROFIBUS PA y también limitar la cantidad de los equipos. Según el fabricante, este dispositivo puede acrecentar  capacitancia y resistencia a la red PROFIBUS PA y estas pueden afectar la forma de la onda de señal de comunicación. Además, algunos diodos de corte pueden no ser transparentes para la red y también afectar los niveles de las señales. En la práctica, el usuario debe buscar dispositivos que cumplan con la IEC 61643-21 y ofrezcan altas corrientes de pico (alrededor de 10 kA) y añadan menos que 1?(!) y menos que 40pF al cableado.

Figura 27 – Distancias mínimas recomendadas en el cableado PROFIBUS. 

El grado de interferencia en los cables varía según una serie de factores tales como proyecto, construcción y características, además de su interacción con los demás elementos de la red PROFIBUS (conectores,

equipos, terminales, otros cables, blindaje, etc.), además de ciertos parámetros del sistema y propiedades del ambiente. Una gran variedad de factores limitan el desempeño de transmisión de las señales digitales asociadas a los cables y deben considerarse en el proyecto y la utilización de estos, tales como:

  • Atenuación;
  • Ruido, que pueden ser los siguientes:
  • Diferencial (característico del circuito);
  • Longitudinal (por interferencia de los cables de alimentación de fuerza);
  • Impulso;
  • Diafonía (crosstalk);
  • Distorsiones por atraso de propagación;
  • Jitter (ruido de fase).

Figura 28 – Grado de interferencia en una señal Profibus

¿Qué es distancia efectiva?

Se llama distancia efectiva a la separación física entre dos dispositivos puestos a tierra en la instalación de la red. Siempre que una distancia sea mas larga que 100m en la horizontal o 10m en la vertical entre dos puntos a tierra, recomiéndase usar protectores de transientes en el punto inicial y el final de la distancia. En la práctica, entre 50 y 100m.

Figura 29 – Uso de protector de transientes y distancia efectiva.

30 – Ejemplo de protector de transientes para la red PROFIBUS PA.

Como proteger las redes y equipos PROFIBUS DP

Las reglas de distancia efectiva también se aplican a la red y equipos PROFIBUS DP.

Según la figura 31, habrá protección si hubiera una caída de tensión o cuando haya un pico que exceda a la tensión de interrupción (breakdown) o mismo cualquier pico diferencial. En la figura 32, indicase  la protección cuando la puesta a tierra no es posible y, por lo tanto, cualquier diferencial se convertirá en modo común.

Figura 31 – Protección con aislamiento a la tierra.

Figura 32 – Protección con aislamiento en modo común.

En la práctica, el usuario debe buscar dispositivos que cumplan con el IEC 61643-21 y ofrezcan corrientes de pico alrededor de 700 A.

Interferencias

Las interferencias en cables de redes digitales e instrumentación pueden deberse a:

  • Acoplamiento capacitivo
  • Acoplamiento electromagnético

Las Interferencias Electrostáticas pueden atenuarse por:Puesta a tierra y blindaje adecuados

  • Aislamiento óptico
  • El uso de canaletas y bandejas metálicas a tierra

 Las Interferencias Electromagnéticas pueden atenuarse por:

  • Cable retorcido
  • Aislamientoóptico
  • Puesta a tierra y blindaje adecuados
  • Uso de canaletas y bandejas metálicas a tierra
  • Repetidores en CCM con aislamiento galvánico aislando los tierras

Básicamente existen 4 tipos de interferencia:

  • Ruido de línea 
  • Generado por fuente electromagnética
  • Efecto Corona, Ruido de Línea y Centelleo
  • Sobrecarga
  • Generada por la fundamental de la señal
  • Emisiones Espurias
  • Harmónicas de una señal o de señales indeseables
  • Harmónicas generadas por la arquitectura y el proyecto    

Comentaremos ahora  el efecto Corona. Los cables de inversores cargan la energía del sistema de control de velocidad al motor AC. Estos cables deben soportar no solo la alta potencia de las señales MLP (Modulación de Anchura de Pulso), pero también la alta tensión que ocurre cuando ondas estacionarias se producen en los

conductores, debido a la incompatibilidad de la  impedancia del cable con la del motor y a la velocidad de cambio entre los inversores modernos. Esta alta tensión puede causar descargas por efecto Corona entre los conductores de los cables convencionales, damnificando no solo los cables  pero también el accionamiento variable con el inversor.

Actualmente existen cables especiales con aislamiento de espesura más grande, más estable eléctricamente en los conductores. Este aislamiento aumenta la distancia física entre los conductores y por consecuencia disminuye la chance de una descarga por efecto Corona. Por otro lado, reduciéndose esta capacitancia, las amplitudes de las ondas estacionarias también se reducen y también la transferencia de ruidos al circuito de tierra.

Puesta a tierra, blindaje y equipotencialización en Profibus

La condición ideal de puesta a tierra para una planta y sus instalaciones es cuando se logra el mismo potencial en cualquier punto. Esto se puede obtener conectándose todas las señales de tierra a través de un conductor de ecualización de potencial. Esta condición se nombra equipotencialización, como se dijo anteriormente.

Por lo tanto, para cualquiera en el interior de los edificios, mismo bajo el aumento de las tensiones presentes, no habrá riesgo de choque eléctrico, pues todos los elementos tendrán el mismo potencial de tierra.

Cuando se refiere a blindaje y puesta a tierra, en la práctica existen otras maneras de manejar este asunto, muy controvertido, como por ejemplo si se pude instalar la puesta a tierra del  blindaje en cada estación a través del conector Sub-D de 9 pinos en el punto de contacto del alojamiento cuya conexión con la estación se pone a tierra. Sin embargo, debe analizarse este caso puntualmente verificándose la gradación de potencial de tierra en cada punto, ecualizándose estos puntos, si necesario. Se usa el sistema de línea equipotencial para  nivelar el potencial de tierra en diferentes ubicaciones de la planta de manera que ninguna corriente circule sobre el blindaje del cable.

  • Use cables de cobre o cintas de tierra galvanizadas para la línea equipotencial del sistema y entre los componentes.
  • Conecte la línea equipotencial al terminal de tierra o al barramiento con una superficie amplia.
  • Conecte todas las conexiones a tierra y de blindaje del instrumento al sistema de línea equipotencial.
  • Conecte la superficie de montaje (por ejemplo, el panel del gabinete o los rieles de montaje) al sistema de línea equipotencial.
  • Siempre que posible, conecte el sistema de línea equipotencial de las redes al sistema de línea equipotencial del edificio.
  • Si las partes están pintadas, quite la tinta del punto de conexión antes de conectar.
  • Proteja el punto de conexión contra corrosión con tinta de zinc o barniz después de montar.
  • Proteja la línea equipotencial contra la corrosión, por ejemplo, pintando los puntos de contacto.
  • Use tornillos de seguridad o conexiones de terminal para todas las conexiones a tierra y de superficie.
  • Use juntas  de presión para evitar que las conexiones queden holgadas por vibración o movimiento.
  • Use terminales en los cables flexibles de la línea equipotencial. Las extremidades del cable no más pueden estañarse debido a nueva regulación.
  • Ejecute el ruteo de las líneas equipotenciales lo mas cerca posible del cable.
  • Conecte las partes individuales de bandejas de cables metálicos unas a las otras. Use anillos de acoplamiento (bonding links) especiales o puentes (jumpers) específicos. Certifíquese que ellos son hechos del mismo material de las bandejas de cables. Los fabricantes de bandejas de cables pueden proveer los anillos de acoplamiento adecuados.
  • Siempre que posible, conecte las bandejas de cables de metal al sistema de línea equipotencial.
  • Use anillos de acoplamiento flexibles (flexible bonding links) para separación de las juntas. Estos anillos son suministrados por los fabricantes de cables.
  • Para conexiones entre edificios diferentes o entre ubicaciones de edificios, la ruta de la línea equipotencial debe trazarse paralela al cable. Mantenga las siguientes secciones transversales mínimas, según el estándar 60364-5-54:

♦    Cobre:  6 mm²
♦    Aluminio:             16 mm²
♦    Acero:   50 mm²

En áreas peligrosas se debe seguir siempre las recomendaciones de los órganos de certificación y las técnicas de instalación exigidas por la clasificación de áreas. Un sistema intrínsecamente seguro debe tener componentes para ponerse a tierra y otros no. La puesta a tierra objetiva evitar el surgimiento de tensiones consideradas inseguras en el área clasificado. En este, se evita la puesta a tierra de componentes intrínsecamente seguros, excepto si fuere necesario por detalles funcionales, cuando se emplea la aislamiento galvánico. La regulación establece la aislamiento mínimo de 500 Vca. La resistencia entre el terminal de tierra y la tierra de sistema debe ser inferior a 1Ω. En Brasil, el estándar NBR-518 regula la instalación en atmósferas potencialmente explosivas.

En cuanto a la puesta a tierra, se recomienda agrupar los circuitos y equipos con características semejantes de ruido en serie y unir estos puntos en referencia paralela. Se recomienda la aislamiento a tierra de canaletas y bandejas.

Un error frecuente es usar el tierra de protección como tierra de señal, siendo oportuno recordar que el primero es muy ruidoso y puede presentar alta impedancia. Recomiéndase el uso de circuitos de tierra, pues presentan baja impedancia. Conductores comunes con altas frecuencias presentan la desventaja de tener alta impedancia. Se debe evitar también los circuitos de corriente. El sistema de tierra funciona como un circuito que favorece el flujo de corriente bajo la menor impedancia posible. El valor de tierra recomendado é que sea inferior a 10 Ω.

Se debe conectar  el blindaje (tanto el loop como la lámina de aluminio) al tierra funcional del sistema vía conector PROFIBUS-DP de manera a propiciar amplia área de conexión con la superficie conductiva puesta a tierra.

Al introducir el cable, débese observar que el acabado del blindaje esté bien hecho y no haber contacto con otros puntos sino los puntos a tierra. Se alcanza la protección máxima con los puntos puestos a tierra, a través de un camino de baja impedancia para las señales de alta frecuencia.

Cuando existe un diferencial de tensión entre los puntos a tierra, tales como áreas distintas en edificios separados, recomiéndase pasar junto al cableado una línea de ecualización de potencial (puede usarse la propia canaleta metálica o, por ejemplo, un cable AWG 10-12). Vea la Figura 33.

De esta manera habrá protección más efectiva para una  amplia banda de frecuencia.

Figura 33 – Línea de Equipotencial

La Figura 34 presenta detalles de cableado, blindaje y puesta a tierra en  áreas separadas.

Figura 34 – Detalle de cableado en áreas separados con potenciales de tierra equalizados.

Al considerar la cuestión de la puesta a tierra y de  blindaje en barramientos de campo, debe  tenerse en cuenta:

  • La compatibilidad electromagnética (EMC).
  • La protección contra explosión.
  • La protección de las personas.

Según la norma IEC 61158-2, poner a tierra significa conectarse permanentemente al suelo a través de una impedancia y conductividad suficientemente baja a fin de evitar cualquier tensión que pueda causar daños a equipos y personas. Líneas de tensión con 0 Volt deben conectarse a tierra y aislarse galvánicamente del barramiento fieldbus.  Se debe conectar a tierra el blindaje para evitar ruidos de alta frecuencia.

De preferencia, ponese a tierra el blindaje en dos puntos, en el inicio y en el final del barramiento, siempre que no haya diferencia de potencial entre estos puntos, posibilitando la existencia de caminos a la corriente de lazos. En la práctica, cuando hay esta diferencia se recomienda poner a tierra en un solo punto, o sea, en la fuente de alimentación o en la barrera de seguridad intrínseca. Se debe asegurar la continuidad del blindaje del cable en más de 90% de la largura total del cable.

 El blindaje debe cobrir totalmente los circuitos eléctricos a través de conectores, acopladores, sílices y cajas de paso o junción.

Nunca se debe utilizar el blindaje como conductor de señal. Es necesario confirmar la continuidad del blindaje hasta el último equipo PA de la sección, analizando la conexión y terminación, pues no se debe poner a tierra los alojamientos de los equipos.

En áreas clasificadas, si no suele haber ecualización de potencial entre el área segura y el área peligrosa, el blindaje debe conectarse a través de un acoplamiento capacitivo, de preferencia cerámico (dieléctrico sólido), C<= 10nF, tensión de aislamiento  >= 1.5kV).

Fuente de alimentación Tronco Derivación Equipo de campo

Caja de Junción Derivación Equipo de campo

Equipotencial que une el sistema

Área Segura

Area Potencialmente explosiva

Figura 35 – Combinación Ideal de Blindaje y Puesta a Tierra.

Figura 36 – Puesta a Tierra Capacitiva

La norma IEC 61158-2 determina que el aislamiento sea completo. Se usa este método principalmente en los EE.UU. y en Inglaterra. En este caso, el blindaje se aisla de todas las puestas a tierra, con excepción de la conexión del negativo del fuente o de la barrera de seguridad intrínseca en el lado seguro. El blindaje tiene continuidad desde la salida del acoplador DP/PA por la cajas de paso y hacia los equipos. Los alojamientos de los equipos se ponen a tierra individualmente del lado no seguro. Este método tiene la desventaja de no proteger totalmente contra las señales de alta frecuencia y, según la topología y la largura de los cables, puede generar a veces intermitencia en la comunicación. Se recomienda en estos casos usar canaletas metálicas.

Otra manera complementaria es poner a tierra las cajas de paso y los alojamientos de los equipos en una línea  de equipotencial de tierra, del lado no seguro. Las puestas a tierra del lado no seguro y del lado no seguro están separadas.

La puesta en tierra múltiple también es común, proporcionando protección más efectiva a las condiciones de alta frecuencia y de ruidos eletromagnéticos. Este método es adoptado en Alemania y otros países de Europa. El blindaje se pone a tierra en el punto del negativo de la fuente de alimentación o de la barrera de seguridad intrínseca en el lado seguro y además en el tierra de las cajas de paso y en los alojamientos de los equipos, siendo estas bandejas también conectadas en varios puntos en el lado no seguro. En otra manera complementaria, las puestas a tierra se conectan en conjunto en una línea  equipotencial de aislamiento, uniendo el lado seguro al lado no seguro.

Para más detalles, siempre consultar las normas de seguridad locales. Se recomienda consultar la IEC 60079-14 para aplicaciones en áreas clasificadas.

Instalación aislada

Interface DP o PA Caja de Junción o Caja de distribución

Derivación

Sala de Control Campo

Transmisor Posicionador

Instalaclión adecuada a EMC con línea de equalización de potencial y puesta a tierra del blindaje capacitivo

LEP = Línea de equalización de potencial

(legendas 2ª coluna)

Instalación adecuada a EMC con línea de equalización potencial

 LEP = Linea de Equalización de Potential

Instalación con punto central a tierra

Figura 37 – Puesta a Tierra y Blindaje – Varias formas

En resumen, se pueden adoptar las siguientes formas de puesta a tierra del shield:

  • Puesta a tierra en solo una extremidad, en el lado del acoplador DP/PA, en el negativo de la fuente de alimentación del acoplador que se pone a tierra en el panel.
  • Puesta a tierra capacitiva de un lado del shield (en el lado del acoplador DP/PA, en el negativote la fuente de alimentación el acoplador DP/PA que se pone a tierra en el panel) y en el otro lado la conexión del Shield con la tierra:- Cerámico, < 10 nF, aislamiento > 1500V.
  • Puesta a tierra del Shield en las dos extremidades (solamente cuando la diferencia de tensión entre ambos sea en el máximo 1 V (rms) para que los efectos de los lazos de tierra se minimizen.

En la puesta a tierra de dos puntos la resistencia del aislamiento debe ser  la más baja posible en ambos extremos para minimizar los loops de tierra, principalmente en bajas frecuencias. En la figura 38 se ve una situación en el campo donde el Shield se conectaba a tierra en varios puntos, en los alojamientos de varios equipos Profibus-PA, y en esta situación la señal quedaba con ruido y atenuado. En la figura 39  vemos la misma señal al desconectarse el Shield, dejándolo puesto a tierra en solo un punto del panel (en el acoplador DP/PA).

Figura 38 – Señal Profibus-PA con shield puesto a tierra en el alojamiento del equipo 

Figura 39 – Señal Profibus-PA com shield puesto a tierra em solo um punto

En bajas frecuencias de niveles de CC hasta 1MHz, puede ponerse a tierra el blindaje del cable en una sola extremidad y proveer buena respuesta en cuanto a los efectos de la interferencia magnética. En frecuencias más altas, se recomienda ponerse a tierra el blindaje del cable en ambas extremidades del cable. En estos casos, es muy importante que las diferencias de potencial de tierra en ambos extremos debe ser al máximo de

1 V (rms) para que los efectos de los loops de tierra se minimizen. Es también importante tener en cuenta que en altas frecuencias hay la capacitancia parásita de acoplamiento que tiende a completar el lazo cuando el blindaje está puesto a tierra en un único extremo del cable.

 

El uso de cables blindados en la minimización de ruidos

Con relación a la búsqueda de más eficiencia en la protección contra ruidos, el doble blindaje (trenza y hoja) se viene aplicando con mejora significativa en la relación señal/ruido y podemos comentar que:

  • Con doble protección la eficiencia es seguramente mejor. Existen cables con hasta más de 3 protecciones. Cuanto más cerrado el loop, mejor es la protección.
  • Se puede usar el blindaje (trenza) y la hoja de distintas maneras, aplicándolos en bajas y altas frecuencias.

En bajas frecuencias, se puede aplicar el cable en solo una extremidad y, en este caso, se espera que el blindaje presente el mismo potencial. Eso posibilitaría mejor protección en ruidos.

En altas frecuencias, el blindaje presentará alta susceptibilidad al ruido y, en este caso, se recomienda la puesta a tierra en las dos extremidades, bajo algunos cuidados en la práctica debido a la equipotencialidad y la seguridad.

Esta alternativa de doble protección protegerá la comunicación de bajas y altas frecuencias, brindando mejor protección contra la EMI.

La eficacia de trenza es por lo general mejor en bajas frecuencias, mientras la de hoja lo es en las más altas.

Los cables con blindaje en espiral se necesitan avaliar, pues pueden presentar efectos inductivos y ser ineficientes en altas frecuencias.

Con relación a los inversores, que normalmente son generadores de ruidos, lo importante es que en su mayoría tienen frecuencia de conmutación que varía de 1 kHz a 30 kHz. Además, algunos fabricantes comentan que satisfacen a las normas CE, pero en instalaciones de inversores se debe:

1. Poner a tierra adecuadamente y según los manuales de los fabricantes (blindaje a tierra en las dos extremidades y alojamiento de motores).

2. Potencia de salida, cableado de control (E/S) y de señal deben ser de cable blindado, trenzado con cobertura igual o superior a 75%, canaleta metálica o atenuación equivalente.

3. Todos los cables blindados deben terminar en un conector blindado adecuado.

4. Los cables de control y señales deben estar separados en lo mínimo de 3 cm de los hilos de fuerza.

Para entender las reflexiones de señales en Profibus

El medio físico RS485 es el estándar que ofrece dos canales independientes conocidos como A y B que transmiten niveles de tensión iguales, pero con polaridades opuestas (VOA y COB o simplemente VA y VB).

Por esta razón, es importante que la red esté conectada con la polaridad correcta.

Aunque las señales sean opuestas, una no es el retorno de la otra, o sea, no existe un loop de corriente.

Cada señal retorna por la tierra o a través de un tercero conductor, pero la señal debe  leerse por el receptor de manera diferencial sin referencia a la tierra o al conductor de retorno.

La gran ventaja de la señal diferencial es la puesta a tierra del sistema: observe que la figura 41 muestra la señal transitando con fases invertidas en los conductores del cable, mientras el ruido transita con la misma fase.

En los terminales de entrada del amplificador diferencial la señal de comunicación Profibus llega en modo diferencial y el ruido en modo común, rechazándolo. Por lo tanto, todo ruido inducido en el cable, por lo general de origen electromagnético, será rechazado en su mayoría.

Figura 41 – Señal Profibus-DP- RES485

Figura 42 – Red  Profibus-DP- RES485

Líneas de transmisión diferenciales solo usan como información la diferencia de potencial existente entre los dos conductores de par trenzado, independiente de la diferencia de potencial presentada con relación al  referencial de tensión (común o de tierra).

¿Qué es reflexión de señal?

La reflexión de señal ocurre cuando la señal se transmite a lo largo de un medio de comunicación, como un cable de cobre o fibra óptica, y parte de la energía de la señal puede reflexionarse de vuelta a su origen. Eso suele ocurrir por imperfecciones en el cable, cambio de impedancia en la línea de comunicación (sílices), falta del terminador, spur  más allá del permitido, largura total excesiva, etc.

Los puntos más probables de reflexiones son las conexiones o juntas del cable, o aún donde la curvatura mínima de cable esté violada.

Figura 43 – Señal Profibus sin reflexión (a izquierda) y con reflexión (a derecha) por falta de terminador.

Figura 44 – Señal Profibus con reflexión por splices en la instalación (a izquierda) y sinreflexión (a derecha).

Observe en la figura 45 que cuanto más grande la tasa de comunicación, más grande será la influencia de la reflexión, pues el tiempo de bit es más pequeño. 

Figura 45 – Señal Profibus con reflexiones en diferentes baud rates

La figura 47 muestra un ejemplo de instalación donde la curvatura mínima fue violada y la señal Profibus se comporta como en la figura 48.

Curvatura mínima

Flexión, estiramiento, torsiones, aplastamientos durante el proceso de instalación de cable Profibus pueden forzar los conductores o mismo alterar sus secciones transversales. Eso perturba el eje común de los conductores y el blindaje, y se muestra como un cambio en la impedancia en el punto de stress del cable. A través de la captura de señales, se puede  identificar  fácilmente estos puntos por las reflexiones en las señales. Sin embargo, el rayo mínimo especificado se refiere a la superficie interna del cable y no al eje del  cable.

Figura 46 – Rayo mínimo de curvatura

Frecuentemente los daños no están visibles y el propio aislamiento e integridad del cable pueden quedar comprometidos.

Figura 47 – Ejemplos de curvaturas mínimas inadecuadas y de cables damnificados

Figura 48 – Señal Profibus con reflexión debido a la violación de la curvatura mínima del cable

La figura 49 presenta un diagrama de línea básica de transmisión solo en una punta (single-ended). Una fuente de tensión (Vs) genera una señal digital con impedancia Zs. La línea de transmisión tiene la impedancia AC (Z0) en relación a tierra y, en el final del cable está la impedancia (ZT), adaptadora de impedancia. En el caso del Profibus se tiene el terminador en el inicio y término de cada sección, garantizando la mejor condición de señales.

Figura 49 – Diagrama de línea de transmisión básica en solo de una punta

¿Qué es un terminador de red?

El terminador es una impedancia que se acrece a la red Profibus con la función de harmonizar la impedancia de la red. Cuanto más grande la largura de la red, mas grande podrá ser la distorsión de las señales. El terminador elimina errores de comunicación causados por distorsiones de señales. Vale la pena recordar que sin el terminador, el cableado funciona como una antena, facilitando la distorsión de señales y aumentando la susceptibilidad a ruidos. La impedancia característica es el valor de la carga, la cual ubicada en el final de las líneas, no reflexiona ninguna energía. O sea, es el valor de la carga que provee el coeficiente de reflexión cero, o aún, una relación de ondas estacionarias iguales a uno.

En la ausencia de terminadores en el segmento Profibus, la señal resultante en la carga se distorsiona en el tiempo (jitters) y la amplitud (oscilaciones). Siempre que la geometría del cable se altera resultarán desequilibrios de impedancia y habrá reflexiones.

Tanto la red Profibus-DP como la red Profibus-PA requieren terminadores. Es obligatorio el uso de los terminadores de barramiento, cuya ausencia causa el desequilibrio, el atraso de propagación y también oscilaciones resonantes amortiguadas causando la transposición de los niveles lógicos (thresholds). Además, disminuyen el margen de ruido estático. En el Profibus-DP los terminadores son activos, o sea, se alimentan. Vea la figura 50.

Figura 50 – Terminador de barramiento Profibus-DP 

Es necesario hacer  la terminación activa del barramiento en el inicio y el final de cada segmento a fin de mantener la integridad de la señal de comunicación, energizándose ambos terminadores. Vea figura 51.

 

Figura 51 – Terminador activo de barramiento Profibus-DP.

El Profibus-PA debe tener terminadores en el barramiento, respectivamente, un resistor de 100 Ohms y un capacitor de 1 uF en serie, un en el inicio y otro en el final. No se debe conectar el blindaje al terminador y su impedancia debe ser 100 Ohms ± 20% entre 7.8 a 39 kHz. Este valor es aproximadamente el valor medio de

la impedancia característica del cable en las frecuencias de trabajo y se lo elige para minimizar las reflexiones en la línea de transmisión y también para convertir la señal a niveles aceptables de 750 a 1000 mV.

Figura 52 a– Forma de onda típica en la red PA y la influencia de los terminadores. 

 Figura 52 b – Terminador PA con señales de humedad: terminación indebida

Cuidados necesarios con los terminadores en red Profibus-DP

Por el hecho de que los terminadores son activos, un error común es ponerse como esclavo DP las estaciones de trabajo donde las líneas de alimentación oscilan, desequilibrando la red por caída de energía, causando intermitencia y paradas no deseadas.

Blindaje

Puesta a tierra y blindaje con requisitos obligatorios para garantizar la integridad de los datos de una fábrica. Es muy común en la práctica  encontrarse funcionamiento intermitente y errores groseros en mediciones debido a malas instalaciones.

Los efectos de ruidos pueden minimizarse con técnicas adecuadas de proyectos, instalación, distribución de cables, puesta a tierra y blindajes. Puestas a tierra inadecuadas pueden ser fuentes de potenciales indeseables y peligrosos que pueden comprometer  el funcionamiento eficiente de un equipo o del propio sistema.

El blindaje (shield) debe conectarse con el potencial de referencia de la señal que está protegiendo ( vea la figura 53 ).

Blindaje conectado al potencial de referencia de la señal que está protegendo

Cuando existen varias secciones debese mantenerlas conectadas para garantizar el mismo potencial de referencia, como se ve en la figura 54.

Figura 54 - Blindaje en varias secciones conectado al potencial de referencia de la señal que está protegendo

 Efecto Blindaje x puesta a tierra en un solo punto

La corriente no circulará por la malla y no cancelará los campos magnéticos. Débese minimizar la largura del conductor que se extende fuera del blindaje y garantizar su buena conexión a la puesta a tierra.

Puesta a tierra 1 Puesta a tierra 2

Figura 55 - Efecto Blindaje x puesta a tierra en un solo punto

Efecto Blindaje x puesta a tierra en dos puntos

Ocurre la distribución de corrientes en función de sus frecuencias, pues la corriente figure el camino de menor impedancia.

Hasta algunos kHz: la reactancia inductiva es insignificante y la corriente circulará por el camino de menor resistencia.

Por encima de kHz: predomina la reactancia inductiva y la corriente circulará por el camino de menor inductancia.

El camino de menor impedancia es aquel cuyo percurso de retorno está cerca del percurso de ida, por presentar mayor capacitancia distribuida y menor inductancia distribuida.

Se debe minimizar la largura del conductor que se extende fuera del blindaje y garantizar la buena conexión del shield y la puesta a tierra.

Puesta a tierra 1 Puesta a tierra 2

Camino a bajas frecuencias

Camino a altas frecuencias

Figura 56- Efecto Blindaje x puesta a tierra en dos puntos

En este caso, merece mención a parte:

1.     No hay protección contra lazos de puesta a tierra.

2.     Posibilidad de daños significativos cuando la diferencia de potencial de tierra entre los dos extremos ultrapasar 1 V (rms).

3.     La resistencia eléctrica de la puesta a tierra debe ser la más baja posible en ambas extremidades de la sección para minimizar los lazos a tierra, principalmente en bajas frecuencias.

Se usa el blindaje de cables para eliminar interferencias por acoplamiento capacitivo debidas a campos eléctricos.

El blindaje solo es eficaz cuando establece una ruta de baja impedancia a la puesta a tierra.

El blindaje flotante no protege contra interferencias.

La malla de blindaje debe conectarse al potencial de referencia (tierra) del circuito que se está blindando.

Puestas a tierra en más de un punto puede causar problemas.

Se debe minimizar la largura del blindaje de referencia, pues el funciona como una bobina.

Se debe minimizar para evitar espirales

Figura 57-Minimizar la largura de la conexión blindaje-referencia pués funciona como bobina

Campos eléctricos son mucho más fáciles de blindar que campos magnéticos y el uso de blindajes en un o más puntos funciona contra campos eléctricos.

La pista para blindaje magnética es reducir el área del lazo. Se debe utilizar un par trenzado o el retorno de corriente a través del blindaje.

Para evitar la radiación de un conductor, por lo general se utiliza blindaje con puestas a tierra en ambos lados por encima de la frecuencia de corte, pero bajo algunos cuidados.

Solo puede blindarse una cantidad limitada de ruido magnético debido al lazo de tierra formado.

Cualquier blindaje en la cual fluye corriente de ruido no debe integrar el camino de la señal.

Utilizar un cable trenzado blindado o un cable triaxial en bajas frecuencias.

La eficiencia del blindaje del cable trenzado aumenta con en número de vueltas por centímetro.

Puesta a tierra en áreas clasificadas

Se recomienda consultar la NBR 5418 para puesta a tierra y conexión con el sistema equipotencial de sistemas intrínsecamente seguros.

El circuito intrínsecamente seguro debe flotar o estar conectado al sistema equipotencial asociado al área clasificada en un solo punto.

El nivel de aislamiento requerido (excepto en un punto) debe proyectarse para soportar 500 V en el ensayo de aislamiento cumpliendo con 6.4.12 de la norma IEC 60079-11.

Cuando no se cumple con este requisito, el circuito debe considerarse puesto a tierra en aquel punto. Y permite más de una conexión a tierra, siempre que el circuito se divida en subcircuitos galvánicamente aislados y cada uno esté puesto a tierra en un solo punto.

Blindajes deben conectarse a tierra o a la estructura de acuerdo a la norma ABNT NBR IEC 60079-14.

Siempre que posible, conecte las bandejas de cables al sistema de líneas equipotencial.

Las mallas de blindaje deben ponerse a tierra en un solo punto en el conductor de ecualización de potencial. Si necesario, por razones funcionales, se permite que se conecten otros puntos a tierra a través de pequeños capacitores cerámicos inferiores a 1 nF y para 1500V, desde que la suma de las capacitancias no ultrapase 10 nV.

Nunca instalar un dispositivo utilizado anteriormente sin una barrera intrínsecamente segura en un sistema intrínsecamente seguro, pues el zener de protección puede estar quemado y no actuará en áreas intrínsecamente seguras.

Diseño y Paneles de automatización y eléctricos

  • No acercar el cable de redes a los cables de alimentación y salida de los inversores, evitando la corriente de modo común. Cuando posible, limitar el tamaño de los cables, evitandose cables muy largos. Las conexiones deben ser las menores posibles.
  • Cables largos y paralelos actuan como un gran capacitor.
  • El buen proyecto de paneles debe permitir que la corriente de ruido fluya entre los ductos de salida y entrada  quedando fuera de la ruta de las señales de comunicación y los controladores.
  • Todas las partes metálicas del armario o gabinete deben conectarse eléctricamente a través de la mayor área de contacto.
  • Se deben utilizar juntas y poner a tierra las mallas de blindaje de los cables.
  • Cables de control, comando y alimentación deben estar separados físicamente (> 30cm).
  • Siempre que posible, utilizar placas de separación puestas a tierra.
  • Contactores, solenoides y otros instrumentos electromagnéticos deben  instalarse con dispositivos supresores, tales como snubbers (RCsm los snubbers pueden amotiguar oscilaciones, controlar la tasa de variación de tensión o corriente e identificar sobretensiones), díodos o varistores.
  • Evitar larguras desnecesarias de hilado, pues las capacitancias y inductancias de acoplamiento se reducen.
  • Al utilizarse fuente auxiliar de 23Vcc para el drive, este debe aplicarse exclusivamente al inversor local. No alimente  otros dispositivos DP con el fuente que alimenta el inversor. El inversor y los equipos de automatización no deben contactarse directamente con la misma fuente.

Inversores – Pistas

  • Se recomienda usar filtro RFI y siempre conectado lo mas próximo posible del fuente de ruido (entre el filtro RFI y el drive)
  • Nunca mesclar los cables de entrada y los de salida.
  • Todos los motores activados por inversores deben alimentarse más bien con cables blindados puestos a tierra en las dos extremidades. Esto es recomendado por todos los fabricantes de inversores. Vale lembrar que las frecuencias de conmutación varían de 1k a 35KHz, normalmente 30KHz, lo que puede influir mucho en el FF y el PROFIBUS-PA
  • Siempre que posible utilize un aislador trafo para  alimentar el sistema de automatización.
  • Usar repetidoras en CCMs para aislamiento galvánico, evitando diferenciales de puesta a tierra.
  • Para cumplir con las normas de protección contra EMI todos los cables externos deben estar blindados, con excepción de los cables de alimentación de la red. La malla de blindaje debe ser continuada y no interrumpida.
  • Esté seguro que los cables de zonas diferentes estén roteados en ductos separados. Dentro del panel, criar zonas distintas y prever mismo chapas separadoras usadas como blindaje.
  • Los cables deben cruzarse en ángulos rectos a fin de reducir los acoplamientos.
  • Usar cables de impedancia de transferencia  con valores los más bajos posibles.
  • En los cables de control recomiéndase instalar un pequeño capacitor (100 nF a 220 nF) entre el blindaje y la puesta a tierra para evitar circuito CA de retorno a tierra. Este capacitor funciona como un supresor de interferencia, pero se debe consultar siempre los manuales de los fabricantes de inversores.
  • Elegir inversores con toroides o adicionar toroides (common-mode choke) en la salida del inversor.
  • Utilizar cables aislados y blindados (4 vías) entre el inversor y el motor, y entre el sistema de alimentación hasta el inversor.
  • Trabajar con la frecuencia de conmutación la más baja posible.
  • Siempre poner a tierra el alojamiento del motor. Ubicar el punto en el panel, donde el inversor está instalado, o en el propio inversor.
  • Inversores generan corrientes de escape y se puede introducir un reactor de línea en la salida del inversor.
  • Los reactores de líneas son una manera sencilla y barata para aumentar la impedancia de la fuente de carga aislada (como un comando de frecuencia variada, en el caso de inversores).
  • Los reactores se conectan en serie a la carga generadora de harmónicas y al aumentar la impedancia de la fuente, la magnitud de la distorción harmónica puede reducirse a la carga en la cual el reactor se adiciona. Consultar el manual del inversor y verificar sus recomendaciones.
  • Lo ideal es incorporar un inductor de entrada y un filtro RFI/EMC para funcionar como protección adicional al equipo y como filtro de harmónicas a la red eléctrica donde lo mismo está conectado.
  • La principal función del filtro RFI de entrada es reducir las emisiones por radiofrecuencia a las principales líneas de distribución y a los puntos de puesta a tierra. El Filtlro RFI de entrada se conecta entre la línea de alimentación CA de entrada y los terminales de entrada del inversor.
  • Ondas refletidas: si la impedancia del cable no esté conectada a la del motor, ocurrirán reflexiones. Recuerdese que el cable entre el inversor y el motor presenta una impedancia a los pulsos de salida del inversor (Surge Impedance). En estos casos también se recomiendan reactores.
  • Cables especiales: otro recurso importante que ayuda a minimizar los ruidos magnéticos en instalaciones con inversores y motores CA son los cables especiales que evitan el efecto corona de descargas que pueden deteriorar la rigidez dieléctrica del aislamiento, permitiendo la presencia de ondas estacionarias y la transferencia de ruidos al lazo de puestas a tierra. Otra característica constructiva de algunos cables es el doble blindaje, que es más eficiente en la protección contra EMI.
  • Reduzca la largura de cables entre los inversores y los  motores. Cuanto más grande la distancia del cable, mas grande será la chance de reflexiones.
  • Reduzca siempre que posible las frecuencias de cambio de los inversores.
  • Siempre que posible use cables blindados, que proveen baja impedancia de acoplamiento CA.
  • Siempre que posible use trafos aisladores para los inversores, aislándose la alimentación y la puesta a tierra.
  • Mantener la red Profibus DP lejos del inversor, cuyas señales van  a los motores y ubicar repetidores aislando las áreas.
  • El ideal es usar conectores con inductores de 110 nH en serie con señales A y B, donde la tasa de comunicación sea mas grande que 1.5 Bits/s para evitar reflexiones. Estos inductores compensan el efecto capacitivo cuando la distancia entre las estaciones DP sea inferior a 1 m.
  • Evite dejar las conexiones del cable desprotegidas, con las llamadas stub lines que pueden favorecer reflexiones.
  • Dejar siempre más de 1 m de cale entre las estaciones DP, para que no haya efecto capacitivo entre las estaciones, y la impedancia del cable elimine este efecto. La alternativa es usar los conectores con inductores, como citado anteriormente. Estos inductores compensan el efecto capacitivo.
  • Verificar si los inversores tienen capacitares de modo común en el barramiento CC. Verificar las instrucciones de los manuales técnicos.
  • Cuando se tiene OLM (Optical Link Module), verificar la topología, pues la propagación de los mismos puede afectar la performance de la red generando paradas del proceso.

Conclusión

Hemos visto en este artículo detalles sobre puesta a tierra, blindaje, ruidos, interferencias y reflexiones. Todo proyecto de redes debe tener en cuenta los estándares que garantizan niveles adecuados de señales y también la seguridad exigida por la aplicación.

Se recomienda adoptarse acciones preventivas de mantenimiento anualmente, verificándose cada conexión a la tierra, asegurándose la calidad de cada conexión en cuanto a robustez, confiabilidad y baja impedancia, garantizándose la ausencia de contaminación y corrosión.

Este artículo no sustituye las normas NBR 5410, NBER 5418, los estándares IEC 61158 y IEC 61784 ni  los perfiles y  guías técnicos de PROFIBUS. En caso de discrepancia o  duda, las normas, los estándares IEC 61158 e IEC 61784, perfiles, guías técnicos y manuales de fabricantes deben prevalecer. Siempre que posible, consulte la EN50170 para las reglamentaciones físicas, como también las prácticas de seguridad de cada área.

Referencia Bibliográfica

Artículos técnicos – César Cassiolato