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EXPEDIENTE

PROFINEWS BRASIL
Edição nº 23 - Julho 2010

PROFINEWS BRASIL é uma publicação eletrônica bimestral da ASSOCIAÇÃO PROFIBUS, distribuída a seus associados, fornecedores e usuários das tecnologias PROFIBUS e AS-i.

 

DIRETORIA EXECUTIVA

César Cassiolato (SMAR)
Diretor Presidente

Robert Gries (Siemens)
Diretor Vice-presidente

Marco Padovan (Sense)
Diretor Vice-presidente

Adriano Oliveira (SMAR)
Diretor de Comunicação e Informática

Erik Maran (WESTCON)
Diretor de Instação de Redes

Leandro Torres (SMAR)
Diretor PROFIBUS PA

Gerson Murari (ALTUS)
Diretor PROFIBUS DP

Paulo Lattaro (ATMA)
Diretor de Marketing

Fernando CapelarI (SCHNEIDER)
Diretor de Controladores

Cavour Marinelli Neto (IFM)
Diretor ASinterface

Daniel Coppini (SIEMENS)
Diretor Profinet

Silas Anchieta
Diretor Executivo

 

CONSELHO FISCAL

Eduardo Mello
(Phoenix Contact)

Paulo Bachir
(Wika)

Luciano de Oliveira (Schneider/Atos)

 

JORNALISTA RESPONSÁVEL

Sílvia Bruin Pereira
(MTb 11.0065 / MS 5936)

Os artigos assinados são de exclusiva responsabilidade de seus autores. É vedada a reprodução total ou parcial dos textos e ilustrações desde newsletter, sob pena de sanções legais. São tomados todos os cuidados razoáveis na preparação do conteúdo das matérias e, caso haja enganos em textos ou desenhos, será publicada errata na primeira oportunidade.

 


Associação PROFIBUS
Caixa Postal 11.063-9 - CEP 05422-970
São Paulo, SP. Telefone/Fax: (11) 2849-3202
e-mail: profibus@profibus.org.br
site: www.profibus.org.br.

 

ARTIGO TÉCNICO

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 √© a energia que causa resposta indesej√°vel a qualquer equipamento e que pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de circuitos de pot√™ncia, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas, acionamentos de rel√©s, chaves, disjuntores, l√Ęmpadas fluorescentes, aquecedores, igni√ß√Ķes automotivas, descargas atmosf√©ricas e mesmo as descargas eletrost√°ticas entre pessoas e equipamentos, aparelhos de microondas, equipamentos de comunica√ß√£o m√≥vel, etc. Tudo isto pode provocar altera√ß√Ķes causando sobretens√£o, subtens√£o, picos, transientes, etc. e que em uma rede de comunica√ß√£o PROFIBUS pode ter seus impactos.

A conviv√™ncia de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada √† inadequa√ß√£o das instala√ß√Ķes, facilitam a emiss√£o de energia eletromagn√©tica e com isto podemos ter problemas de compatibilidade eletromagn√©tica (tamb√©m chamada e EMC, √© a habilidade de um equipamento funcionar satisfatoriamente sem interferir eletromagneticamente nos equipamentos pr√≥ximos e ser imune √† interfer√™ncia externa de outros equipamentos e do ambiente), onde o funcionamento de um equipamento pode afetar o outro. Isto √© muito comum nas ind√ļstrias e f√°bricas, onde a EMI √© muito freq√ľente em fun√ß√£o do maior uso de m√°quinas (m√°quinas de soldas, por exemplo) e motores e em redes digitais e de computadores pr√≥ximas a essas √°reas.

O maior problema causado pela EMI s√£o as situa√ß√Ķes espor√°dicas e que degradam aos poucos os equipamentos e seus componentes. Os mais diversos problemas podem ser gerados pela EMI, por exemplo, em equipamentos eletr√īnicos, podemos ter falhas na comunica√ß√£o entre dispositivos de uma rede de equipamentos e/ou computadores, alarmes gerados sem explica√ß√£o, atua√ß√£o em rel√©s que n√£o seguem uma l√≥gica e sem haver comando para isto e, queima de componentes e circuitos eletr√īnicos, etc. √Č muito comum a presen√ßa de ru√≠dos na alimenta√ß√£o pelo mau aterramento e blindagem, ou mesmo erro de projeto.

A EMI √© muito importante principalmente em sistemas digitais e anal√≥gicos onde estamos falando de freq√ľ√™ncias de 30 a 300MHz, ou seja, superiores a VHF. Vale lembrar que estamos falando de pulsos r√°pidos 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 irradia√ß√£o de sinais e acoplamentos parasitas.

Em geral, em freq√ľ√™ncias elevadas, os condutores se aproximam ainda mais do comportamento de uma antena, o que nos ajuda a entender porque os problemas de emiss√£o de EMI se agravam em redes que operam em altas velocidades.

E ainda, qualquer circuito eletr√īnico √© capaz de gerar algum tipo de campo magn√©tico ao seu redor e seu efeito vai depender de sua amplitude e dura√ß√£o.

Um exemplo t√≠pico de como a EMI pode afetar o comportamento de um componente eletr√īnico, √© um capacitor que fique sujeito a um pico de tens√£o maior que sua tens√£o nominal especificada, com isto pode-se ter a degrada√ß√£o do diel√©trico (a espessura do diel√©trico √© limitada pela tens√£o de opera√ß√£o do capacitor, que deve produzir um gradiente de potencial inferior √† rigidez diel√©trica do material), causando um mau funcionamento e em alguns casos a pr√≥pria queima do capacitor. Ou ainda, podemos ter a altera√ß√£o de correntes de polariza√ß√£o de transistores levando-os a satura√ß√£o ou corte, ou dependendo da intensidade a queima de componentes por efeito joule.

A eletricidade est√°tica √© uma carga el√©trica em repouso que √© gerada principalmente pelo desbalanceamento de el√©trons localizado sob uma superf√≠cie ou no ar do ambiente. Este desbalanceamento de el√©trons gera assim um campo el√©trico que √© capaz de influenciar outros objetos que se encontram a uma determinada dist√Ęncia. O n√≠vel de carga √© afetado pelo tipo de material, velocidade de contato e separa√ß√£o dos corpos, umidade e diversos outros fatores. Quando um objeto √© carregado eletrostaticamente, um campo el√©trico associado a esta carga √© criado em torno dele e um dispositivo sujeito a este campo que n√£o esteja aterrado poder√° ser induzido, causando uma transfer√™ncia das cargas entre os dois corpos. Esta transfer√™ncia de cargas poder√° resultar em falhas que reduzem a vida √ļtil, prejudicam o funcionamento ou at√© mesmo destroem o dispositivo permanentemente.

 

Fatores que contribuem para a interferência eletromagnética

Os principais fatores s√£o:

  • Tens√£o
  • Freq√ľ√™ncia
  • Aterramento
  • Os componentes eletr√īnicos
  • Circuitos impressos
  • Desacoplamentos

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

  • Irradia√ß√£o
  • Condu√ß√£o
  • Indu√ß√£o

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 indu√ß√£o √© mais dif√≠cil de ocorrer e o modo de acoplamento vai depender da freq√ľ√™ncia e do comprimento de onda, sendo que as baixas freq√ľ√™ncias propagam-se muito facilmente por meios condutivos, mas n√£o t√£o eficientemente pelo meio irradiado. J√° as altas freq√ľ√™ncias se propagam com efici√™ncia pelo ar e s√£o bloqueadas pelas indut√Ęncias do cabeamento.
As perturba√ß√Ķes conduzidas normalmente est√£o na faixa de 10kHz a 30MHz e se classificam em:

  • modo-comum, onde a interfer√™ncia acontece entre as linhas de sinal e o terra. O ru√≠do √© provocado pela resist√™ncia existente e comum ao sinal e ao retorno. Os sinais de radiofreq√ľ√™ncia s√£o fontes comuns de ru√≠do de modo-comum. O ru√≠do em modo-comum √© o maior problema em cabos devido a imped√Ęncia comum entre o sinal e seu retorno.
  • modo-diferencial, onde a interfer√™ncia acontece entre as linhas de sinal.

As perturba√ß√Ķes induzidas normalmente est√£o acima de 30MHz e dependem das t√©cnicas de aterramento, blindagem e mesmo da posi√ß√£o f√≠sica em rela√ß√£o a fonte de indu√ß√£o.

A topologia e a distribui√ß√£o do cabeamento s√£o fatores que devem ser considerados para a prote√ß√£o de EMI. Lembrar que em altas freq√ľ√™ncias, os cabos se comportam como um sistema de transmiss√£o com linhas cruzadas e confusas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Mantenha em boas condi√ß√Ķes as conex√Ķes. Conectores inativos por muito tempo podem desenvolver resist√™ncia ou se tornar detectores de RF.

Em geral, quanto maior a dist√Ęncia entre os cabos e quanto menor o comprimento do cabo PROFIBUS que corre paralelamente a outros cabos, menor o risco de interfer√™ncia (crosstalk).

 


Figura 1 ‚Äď Espa√ßamento entre cabos.

Os cabos PROFIBUS-DP instalados em canaletas ou dutos podem estar sujeitos a fontes geradoras de perturba√ß√Ķes quando s√£o instalados paralelamente com cabos de energia, compartilhando a mesma infra-estrutura, tendo como efeito interfer√™ncias eletromagn√©ticas indesej√°veis como o crosstalk (diafonia). Neste sentido deve-se ter uma maior aten√ß√£o e cuidado na fase de instala√ß√£o, objetivando-se adotar medidas para atenuar ou mesmo eliminar seus efeitos. O mercado de equipamentos e acess√≥rios para instala√ß√£o de redes de campo disp√Ķe basicamente de canaletas e dutos fabricados com os seguintes materiais:

  • Pl√°stico ‚Äď √© um excelente isolante el√©trico, mas n√£o oferece prote√ß√£o contra campos eletromagn√©ticos;
  • Alum√≠nio ‚Äď √© um bom condutor de eletricidade, mas n√£o oferece prote√ß√£o el√©trica. Por√©m oferece boa blindagem eletromagn√©tica;
  • A√ßo (zincado ou pintado) ‚Äď n√£o √© bom condutor de eletricidade, n√£o oferece prote√ß√£o el√©trica, mas proporciona boa blindagem eletromagn√©tica.

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 comunica√ß√£o PROFIBUS-DP e o cabeamento distribu√≠do entre as diversas √°reas, o recomendado √© equalizar o terra conforme a figura 2. Com isto, elimina-se a poss√≠vel diferen√ßa de potencial entre o aterramento da √°rea 01 e o sinal DP assim como, a diferen√ßa de potencial entre o aterramento da √°rea 02. 

 


Figura2 ‚Äď Sistema de aterramento com diferentes √°reas em PROFIBUS-DP.

O que é terra equipotencial?

A condi√ß√£o ideal de aterramento para uma planta e suas instala√ß√Ķes √© quando se obt√©m o mesmo potencial em qualquer ponto. Isso pode ser conseguido com o interligamento de todos os sistemas de aterramento da mesma atrav√©s de um condutor de equaliza√ß√£o de potencial. Essa condi√ß√£o √© chamada na literatura t√©cnica de terra equipotencial.

Assim, para qualquer pessoa dentro das edifica√ß√Ķes, mesmo se houver um aumento das tens√Ķes presentes n√£o haver√° o risco de choque el√©trico, uma vez que todos os elementos estar√£o com o mesmo potencial de terra.

Existem algumas regras que devem ser seguidas em termos do cabeamento e separa√ß√£o entre outros cabos, quer sejam de sinais ou de pot√™ncia. Deve-se preferencialmente utilizar bandejamentos ou calhas met√°licas, observando as dist√Ęncias conforme Tabela 1. Nunca se deve passar o cabo PROFIBUS PA ao lado de linhas de alta pot√™ncia, pois a indu√ß√£o √© uma fonte de ru√≠do e pode afetar o sinal de comunica√ß√£o.

 

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

10 cm

 

10 cm

50 cm

Cabos com e sem shield:
> 400Vac

20 cm

10 cm

 

50 cm

Qualquer cabo sujeito à exposição de raios

50 cm

50 cm

50 cm

 

Tabela 1 ‚Äď Dist√Ęncias de Separa√ß√£o 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 √† barra com uma √°rea de superf√≠cie ampla.
  • Conecte todas as conex√Ķes terra e de blindagem (se existirem) do instrumento ao sistema de linha equipotencial.
  • Conecte a superf√≠cie de montagem (por exemplo, o painel do gabinete ou trilhos de montagem) ao sistema de linha equipotencial.
  • Sempre que poss√≠vel, conecte o sistema de linha equipotencial das redes ao sistema de linha equipotencial do pr√©dio.
  • Se as partes s√£o pintadas, remova a tinta do ponto de conex√£o antes de conect√°-lo.
  • Proteja o ponto de conex√£o contra corros√£o depois da montagem, por exemplo, com tinta de zinco ou verniz.
  • Proteja a linha equipotencial contra corros√£o. Uma op√ß√£o √© pintar os pontos de contato.
  • Use parafuso de seguran√ßa ou conex√Ķes de terminal para todas as conex√Ķes de terra e superf√≠cie. Use arruelas de press√£o para evitar que as conex√Ķes fiquem frouxas por causa de vibra√ß√£o ou movimento.
  • Use terminais nos cabos flex√≠veis da linha equipotencial. As extremidades do cabo n√£o devem nunca ser estanhadas (n√£o √© mais permitido)!
  • Fa√ßa o roteamento da linha equipotencial o mais perto poss√≠vel do cabo.
  • Conecte as partes individuais de bandejas de cabos met√°licas umas as outras. Use an√©is de acoplamento (bonding links) especiais ou jumpers espec√≠ficos. Certifique-se que os an√©is de acoplamento s√£o feitos do mesmo material que as bandejas de cabos. Os fabricantes das bandejas de cabos podem fornecer os an√©is de acoplamento apropriados.
  • Sempre que poss√≠vel, conecte as bandejas de cabos feitas de metal ao sistema de linha equipotencial.
  • ¬†Use an√©is de acoplamento flex√≠veis (flexible bonding links) para expans√£o das juntas. Esses an√©is de acoplamento s√£o fornecidos pelos fabricantes de cabos.
  • ¬†Para conex√Ķes entre pr√©dios diferentes ou entre partes de pr√©dios, a rota da linha equipotencial deve ser tra√ßada paralela ao cabo. Mantenha as seguintes se√ß√Ķes transversais m√≠nimas, de acordo com a IEC 60364-5-54:
    • Cobre: 6 mm¬≤
    • Alum√≠nio: 16 mm¬≤
    • A√ßo: 50 mm¬≤

Em √°reas perigosas deve-se sempre fazer o uso das recomenda√ß√Ķes dos √≥rg√£os certificadores e das t√©cnicas de instala√ß√£o exigidas pela classifica√ß√£o das √°reas. Um sistema intrinsecamente seguro deve possui componentes que devem ser aterrados e outros que n√£o. O aterramento tem a fun√ß√£o de evitar o aparecimento de tens√Ķes consideradas inseguras na √°rea classificada. Na √°rea classificada evita-se o aterramento de componentes intrinsecamente seguros, a menos que o mesmo seja necess√°rio para fins funcionais, quando se emprega a isola√ß√£o galv√Ęnica. A normaliza√ß√£o estabelece uma isola√ß√£o m√≠nima de 500 Vca. A resist√™ncia entre o terminal de aterramento e o terra do sistema deve ser inferior a 1ő©. No Brasil, a NBR-5418 regulamenta a instala√ß√£o 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 √© o uso de terra de prote√ß√£o como terra de sinal. Vale lembrar que este terra √© muito ruidoso e pode apresentar alta imped√Ęncia. √Č interessante o uso de malhas de aterramento, pois apresentam baixa imped√Ęncia. Condutores comuns com altas freq√ľ√™ncias apresentam a desvantagem de terem alta imped√Ęncia. 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 imped√Ęncia poss√≠vel.¬† O valor de terra recomendado √© que seja menor do que 10 ő©.

Este artigo n√£o substitui os padr√Ķes IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias t√©cnicos do PROFIBUS. Em caso de discrep√Ęncia ou d√ļvida, os padr√Ķes IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias t√©cnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que poss√≠vel, consulte a EN50170 para as regulamenta√ß√Ķes f√≠sicas, assim como as pr√°ticas de seguran√ßa de cada √°rea.

 

Referências:

  • Manuais SMAR PROFIBUS
  • www.smar.com.br
  • Material de Treinamento e artigos t√©cnicos PROFIBUS - C√©sar Cassiolato Especifica√ß√Ķes t√©cnicas PROFIBUS.

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