César Cassiolato
Diretor de Marketing, Qualidade e Assistência Técnica - SMAR Equipamentos Industriais Ltda.
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.
Os principais fatores são:
Existem três caminhos de EMI entre a fonte e o dispositivo a ser influenciado (a vítima):
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:
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:
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.
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.
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.
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Cabo de comunicação PROFIBUS |
Cabos com e sem shield: |
Cabos com e sem shield: |
Qualquer cabo sujeito à exposição de raios |
Cabo de comunicação PROFIBUS |
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10 cm |
20 cm |
50 cm |
Cabos com e semshield: |
10 cm |
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10 cm |
50 cm |
Cabos com e semshield: |
20 cm |
10 cm |
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50 cm |
Qualquer cabo sujeito à exposição de raios |
50 cm |
50 cm |
50 cm |
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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.
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: