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Interferência Eletromagnética e Instalações PROFIBUS

 

César Cassiolato

Diretor de Marketing, Qualidade e Assistência Técnica - SMAR Equipamentos Industriais Ltda.

 

 

A interferência eletromagnética

 

A interferência eletromagnética pode ser radiada (via ar), conduzida (via condutores), induzida (normalmente acima de 30MHz) ou combinação das mesmas.

 

A EMI é a energia que causa resposta indesejável a qualquer equipamento e que pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de circuitos de potência, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas, acionamentos de relés, chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores, ignições automotivas, descargas atmosféricas e mesmo as descargas eletrostáticas entre pessoas e equipamentos, aparelhos de microondas, equipamentos de comunicação móvel, etc. Tudo isto pode provocar alterações causando sobretensão, subtensão, picos, transientes, etc. e que em uma rede de comunicação PROFIBUS pode ter seus impactos.

 

A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações, facilitam a emissão de energia eletromagnética e com isto podemos ter problemas de compatibilidade eletromagnética (também chamada e EMC, é a habilidade de um equipamento funcionar satisfatoriamente sem interferir eletromagneticamente nos equipamentos próximos e ser imune à interferência externa de outros equipamentos e do ambiente), onde o funcionamento de um equipamento pode afetar o outro. Isto é muito comum nas indústrias e fábricas, onde a EMI é muito freqüente em função do maior uso de máquinas (máquinas de soldas, por exemplo) e motores e em redes digitais e de computadores próximas a essas áreas.

 

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

 

A EMI é muito importante principalmente em sistemas digitais e analógicos onde estamos falando de freqüências de 30 a 300MHz, ou seja, superiores a VHF. Vale lembrar que estamos falando de pulsos rápidos da ordem de ns e qualquer condutor, como por exemplo a trilha de uma placa de circuito impresso passa a ser uma antena, sem contar os efeitos por irradiação de sinais e acoplamentos parasitas.

 

Em geral, em freqüências elevadas, os condutores se aproximam ainda mais do comportamento de uma antena, o que nos ajuda a entender porque os problemas de emissão de EMI se agravam em redes que operam em altas velocidades.

 

E ainda, qualquer circuito eletrônico é capaz de gerar algum tipo de campo magnético ao seu redor e seu efeito vai depender de sua amplitude e duração.

 

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

 

A eletricidade estática é uma carga elétrica em repouso que é gerada principalmente pelo desbalanceamento de elétrons localizado sob uma superfície ou no ar do ambiente. Este desbalanceamento de elétrons gera assim um campo elétrico que é capaz de influenciar outros objetos que se encontram a uma determinada distância. O nível de carga é afetado pelo tipo de material, velocidade de contato e separação dos corpos, umidade e diversos outros fatores. Quando um objeto é carregado eletrostaticamente, um campo elétrico associado a esta carga é criado em torno dele e um dispositivo sujeito a este campo que não esteja aterrado poderá ser induzido, causando uma transferência das cargas entre os dois corpos. Esta transferência de cargas poderá resultar em falhas que reduzem a vida útil, prejudicam o funcionamento ou até mesmo destroem o dispositivo permanentemente.

 

 

Fatores que contribuem para a interferência eletromagnética

 

Os principais fatores são:

  • Tensão
  • Freqüência
  • Aterramento
  • Os componentes eletrônicos
  • Circuitos impressos
  • Desacoplamentos

 

Existem três caminhos de EMI entre a fonte e o dispositivo a ser influenciado (a vítima):

  • Irradiação
  • Condução
  • Indução

 

A EMI irradiada se propaga a partir da fonte, através do espaço, para a vítima. Um sinal conduzido viaja através de fios conectados à fonte e a vítima. O meio conduzido pode envolver qualquer cabo de alimentação, entrada de sinal e terminais de terra de proteção. Já a indução ocorre quando dois circuitos estão magneticamente acoplados.

 

A maioria das ocorrências de EMI se dá através de condução ou combinação de irradiação e condução.

 

A EMI por indução é mais difícil de ocorrer e o modo de acoplamento vai depender da freqüência e do comprimento de onda, sendo que as baixas freqüências propagam-se muito facilmente por meios condutivos, mas não tão eficientemente pelo meio irradiado. Já as altas freqüências se propagam com eficiência pelo ar e são bloqueadas pelas indutâncias do cabeamento. 
As perturbações conduzidas normalmente estão na faixa de 10kHz a 30MHz e se classificam em:

 

  • modo-comum, onde a interferência acontece entre as linhas de sinal e o terra. O ruído é provocado pela resistência existente e comum ao sinal e ao retorno. Os sinais de radiofreqüência são fontes comuns de ruído de modo-comum. O ruído em modo-comum é o maior problema em cabos devido a impedância comum entre o sinal e seu retorno.
  • modo-diferencial, onde a interferência acontece entre as linhas de sinal.

 

As perturbações induzidas normalmente estão acima de 30MHz e dependem das técnicas de aterramento, blindagem e mesmo da posição física em relação a fonte de indução.

 

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

 

Em geral, quanto maior a distância entre os cabos e quanto menor o comprimento do cabo PROFIBUS que corre paralelamente a outros cabos, menor o risco de interferência (crosstalk).

 

 


Figura 1 – Espaçamento entre cabos.

 

Os cabos PROFIBUS-DP instalados em canaletas ou dutos podem estar sujeitos a fontes geradoras de perturbações quando são instalados paralelamente com cabos de energia, compartilhando a mesma infra-estrutura, tendo como efeito interferências eletromagnéticas indesejáveis como o crosstalk (diafonia). Neste sentido deve-se ter uma maior atenção e cuidado na fase de instalação, objetivando-se adotar medidas para atenuar ou mesmo eliminar seus efeitos. O mercado de equipamentos e acessórios para instalação de redes de campo dispõe basicamente de canaletas e dutos fabricados com os seguintes materiais:

 

  • Plástico – é um excelente isolante elétrico, mas não oferece proteção contra campos eletromagnéticos;
  • Alumínio – é um bom condutor de eletricidade, mas não oferece proteção elétrica. Porém oferece boa blindagem eletromagnética;
  • Aço (zincado ou pintado) – não é bom condutor de eletricidade, não oferece proteção elétrica, mas proporciona boa blindagem eletromagnética.

 

Dentre os tipos apresentados, os acessórios fabricados com alumínio são os que apresentam uma melhor blindagem eletromagnética interna e externa. As canaletas de alumínio são praticamente imunes às correntes de Foucaut devido a sua condutibilidade elétrica.

 

 

Aterramento

 

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 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 2. 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. 

 

 


Figura2 – 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.

 

Existem algumas regras que devem ser seguidas em termos do cabeamento e separação entre outros cabos, quer sejam de sinais ou de potência. Deve-se preferencialmente utilizar bandejamentos ou calhas metálicas, observando as distâncias conforme Tabela 1. Nunca se deve passar o cabo PROFIBUS PA ao lado de linhas de alta potência, pois a indução é uma fonte de ruído e pode afetar o sinal de comunicação.

 

 

Cabo de comunicação PROFIBUS

Cabos com e sem shield:
60Vdc ou 25Vac e < 400Vac

Cabos com e sem shield:
> 400Vac

Qualquer cabo sujeito à exposição de raios

Cabo de comunicação PROFIBUS

 

10 cm

20 cm

50 cm

Cabos com e semshield:
60Vdc ou 25Vac e < 400Vac

10 cm

 

10 cm

50 cm

Cabos com e semshield:
> 400Vac

20 cm

10 cm

 

50 cm

Qualquer cabo sujeito à exposição de raios

50 cm

50 cm

50 cm

 

Tabela 1 – Distâncias de Separação entre Cabeamentos.

 

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. Do ponto de vista funcional, o propósito da blindagem dos cabos é criar uma zona equipotencial de acoplamento capacitivo ao redor do cabo. Mas isso só é verdadeiro se a blindagem for conectada ao referencial de terra equipotencial. Nesta condição, a recomendação é que ambas as extremidades da blindagem dos cabos sejam aterradas.

 

Porém, se a condição de terra equipotencial não for garantida é recomendado aterrar apenas uma das extremidades da blindagem, preferencialmente no lado do sistema. Caso contrário, se a blindagem for conectada em ambas as extremidades sem equalização do terra, haverá a circulação de uma corrente parasita pela blindagem que pode provocar problemas funcionais, além de perigo potencial de choques elétricos na extremidade não blindada. Desta forma, recomenda-se o uso de cabo blindado com isolação extra na blindagem para evitar choques elétricos acidentais por contato.

 

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.

 

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
  • www.smar.com.br
  • Material de Treinamento e artigos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato Especificações técnicas PROFIBUS.


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