Toda vez que houver uma distância efetiva maior que 100 m na horizontal ou 10 m na vertical entre dois pontos aterrados, recomenda-se o uso de protetores de transientes, no ponto inicial e final da medição. Na prática, na horizontal, entre 50 e 100 m recomenda-se o seu uso. Esta regra também deve ser aplicada para o Profibus-DP.
DP/PA, antes de cada equipamento e mesmo na caixa de junção. Em áreas classificadas, recomenda-se o uso de protetores certificados.
O consumo de energia varia de um equipamento para outro, assim como de fabricante para fabricante. É importante que a resistência do cabeamento não seja muito alta, a fim de não gerar uma queda de tensão ao longo do cabeamento. Para manter a resistência baixa são necessárias boas conexões e junções.
Algumas barreiras e protetores de segmento (
spur guard ou
segment protector) possuem uma alta impedância em série e podem resultar em sinais até 2000 mV, ainda assim permitindouma operação adequada.
Alguns equipamentos têm polaridade, outros não, por isso é muito importante assegurar-se da correta conexão do barramento Profibus-PA aos equipamentos.
SHIELD E ATERRAMENTO
Ao considerar a questão de
shield e aterramento em barramentos de campo, deve-se levar em consideração:
- Compatibilidade eletromagnética (EMC);
- Proteção contra explosão;
- Proteção de pessoas.
De acordo com a IEC61158-2, aterrar significa estar permanentemente conectado ao terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade de condução suficiente para prevenir qualquer tensão que possa resultar em danos de equipamentos ou pessoas.
Linhas de tensão com 0 Volt devem ser conectadas ao terra e galvanicamente isoladas do barramento Profibus. O propósito de se aterrar o
shield é evitar ruídos de alta frequência.
Preferencialmente, o
shield deve ser aterrado em dois pontos, no início e final de barramento, desde que não haja diferença de potencial entre estes pontos, permitindo a existência e caminhos a corrente de
loop. Na prática, quando esta diferença existe, recomenda-se aterrar o
shield somente em um ponto, ou seja, na fonte de alimentação ou na barreira de segurança intrínseca. Deve-se assegurar a continuidade da blindagem do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo.
O
shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores,
splices, caixas de distribuição e junção. Nunca deve-se utilizar o
shield como condutor de sinal. É preciso verificar a continuidade do
shield até o último equipamento PA do segmento, analisando a conexão e acabamento.
Em áreas classificadas, quando uma equalização de potencial entre a área segura e área perigosa não for possível, o
shield deverá ser conectado diretamente ao terra (
equipotencial bonding system) somente no lado da área perigosa. Na área segura, o
shielddeverá ser conectado através de um acoplamento capacitivo (capacitor preferencialmente cerâmico, com dielétrico sólido, C<= 10nF, tensão de isolação >= 1,5kV).
Figura 13 – Combinação ideal de shield e aterramento.
Figura 14 – Aterramento capacitivo.
A IEC 61158-2 recomenda que se tenha a isolação completa. Este método é utilizado principalmente nos Estados Unidos e na Inglaterra. Neste caso, o
shield é isolado de todos os terras, a não ser o ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro. O
shield tem continuidade desde a saída do
coupler DP/PA, passando pelas caixas de junções e distribuições e chegando até os equipamentos.
As carcaças dos equipamentos são aterradas individualmente do lado não seguro. Este método tem a desvantagem de não proteger os sinais totalmente da alta frequência podendo gerar intermitência na comunicação, dependendo da topologia e comprimento dos cabos. Recomenda-se, nestes casos, o uso de canaletas metálicas.
Outra forma complementar à primeira, seria aterrar as caixas de junções e as carcaças dos equipamentos em uma linha de equipotencial de terra do lado não seguro. Os terras do lado não seguro com o lado seguro são separados.
A condição de aterramento múltiplo também é comum, onde se tem uma proteção mais efetiva às condições de alta frequência e ruídos eletromagnéticos. Este método é preferencialmente adotado na Alemanha e em alguns países da Europa. Nele, o
shield é aterrado no ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro e, além disso, no terra das caixas de junções e nas carcaças dos equipamentos, sendo estas também aterradas pontualmente, no lado não seguro. Outra condição seria complementar a esta, porém os terras seriam aterrados em conjunto em uma linha equipotencial de terra, unindo o lado não seguro ao lado seguro.
Para mais detalhes, deve-se sempre consultar as normas de segurança local. Recomenda-se utilizar a IEC 60079-14 como referência em aplicações em áreas classificadas.
A FIBRA ÓTICA
A fibra ótica tem provocado uma revolução em algumas áreas, trazendo muitas vantagens em relação aos meios de transmissões convencionais. A fibra ótica é constituída de materiais dielétricos, composta de uma região central, denominada núcleo (por onde trafega a luz) e uma região periférica, denominada casca, que envolve completamente o núcleo.
O princípio de propagação no interior de uma fibra ótica é fundamentadona reflexão total da luz, quando um raio se propaga em um meio cujo índice de refração é n1 (núcleo) e atinge a superfície de outro meio com índice de refração n2 (casca). Sendo n1 > n2 e o ângulo de incidência maior ou igual ao ângulo crítico, ocorrerá a reflexão total da luz, resultando no retorno do raio de luz para o meio com índice de refração n1.
Existe uma grande variedade de fibras óticas, cada qual voltada a uma aplicação específica. Os tipos podem variar de acordo com os materiais, dimensões e os processos de fabricação. As fibras óticas estão subdivididas em dois tipos: monomodo (
single mode-SM) e multimodo (
multimode-MM).
A transmissão em fibra ótica é realizada pelo envio de um sinal de luz codificado dentro do domínio de frequência do infravermelho (1014 a 1015 Hz), por meio de cabo ótico, sendo assim superior em pelo menos 10.000 vezes aos sistemas cabeados tradicionais.
As principais vantagens da utilização da fibra ótica em comparação aos meios tradicionais são:
- Imunidade às interferências eletromagnéticas;
- Segurança na transmissão;
- Baixa atenuação;
- Maior capacidade de transmissão;
- Melhor qualidade de transmissão;
- Maior distância na transmissão;
- Aplicação em ambientes agressivos (fibras óticas são imunes a oxidação e corrosão);
- Aplicação em locais onde é necessário reduzir peso e tamanho dos cabos (as fibras óticas são extremamente leves e compactas).
Ao contrário dos outros meios de transmissão, a fibra ótica é totalmente imune a interferências eletromagnéticas, ruídos externos e interferência dos sinais de rádio.
Como a fibra é de material isolante, a indução de correntes por sinais elétricos não acontece. Desta forma, a transmissão é completamente imune às interferências eletromagnéticas externas. Isto permite sua instalação em ambientes ruidosos do ponto de vista eletromagnético, sem que este fato deteriore a qualidade de sua transmissão. A fibra ótica apresenta uma atenuação independente da frequência, permitindo uma velocidade de transmissão bastante alta, com integridade e qualidade dos sinal.
GARANTINDO A INTEGRIDADE DE SINAIS NO PROFIBUS-PA
O Profibus-PA é a solução Profibus que atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, dentre outros.
Assim como qualquer rede de campo, a rede Profibus-PA está sujeita ao ambiente industrial e todas as degradações de sinais proporcionadas pela interferência eletromagnética, como comentadas anteriormente.
A transmissão por fibra ótica sobre condutores óticos (FOC ou
Fiber-OpticCable) é apropriada nesses casos.
O repetidor ótico Profibus-PA VRP10-O da
Vivace Process Instruments permite que interfaces elétricas Profibus-PA (H1, 31,25 kbits/s) sejam convertidas em interfaces óticas Profibus-PA e vice-versa. A comunicação é do tipo
half-duplex em distâncias de até 4 km, com o grande benefício da imunidade a EMI, garantindo uma alta integridade dos sinais e disponibilidade de rede Profibus-PA.
Figura 15 – VRP10-O Repetidor ótico Profibus-PA.
Principais benefícios:
- Alimentado externamente (24Vcc, corrente máxima de 200 mA);
- De acordo com a IEC61158-2;
- Sem necessidade de configuração;
- Sem necessidade de endereço;
- Ótima solução para aumentar distâncias de conexão, eliminar EMI e problemas de aterramento;
- Cabo de Fibra Ótica Multimodo dual ou simples, 62,5 ou 50/125 μm com conectores ST;
- Tamanho máximo por segmento ótico de 4000 m;
- LEDs indicam a alimentação, comunicação ótica e comunicação Profibus-PA;
- Facilita a topologia da rede Profibus-PA;
- Isola áreas de diferentes terras, amentando a integridade de sinais;
- Simplifica as instalações, principalmente em áreas classificadas (Ex-d).
Figura 16– Aplicação típica do VRP10-O, expandindo a rede Profibus-PA.
A figura 17 mostra o uso do VRP10-O, repetidor ótico Profibus-PA, isolando diferentes áreas, quando se tem terras que não estão potencialmente equalizados. Isto garante uma maior proteção aos níveis de sinais, aumentando a confiabilidade da rede.
Figura 17– Aplicação típica do VRP10-O, isolando áreas com diferentes terras.
A figura 18 mostra um sinal Profibus-PA degradado pela não equalização de terras em diferentes áreas. A figura 19 mostra um sinal Profibus-PA degradado pela não equalização de terras em diferentes áreas.
Figura 18– Sinal Profibus-PA degradado por potencial de terra.
Figura 19– Sinal Profibus-PA adequado, isolado com o uso do VRP10-O.
CONCLUSÃO
O sucesso de toda rede de comunicação está intimamente ligado à qualidade das instalações. O seu tempo de comissionamento, startup e seus resultados podem estar comprometidos com a qualidade das instalações. Normalmente, mais de 90% dos problemas em redes digitais estão relacionados às condições das instalações.
Além disso, em plantas com tecnologias Profibus, recomenda-se serviços de certificação de redes por profissionais capacitados, garantindo, além da conformidade com os padrões, vantagens como:
- Aumento do desempenho e confiabilidade da rede;
- Redução no tempo de comissionamento, startups e paradas;
- Atuação preventiva e preditiva nas possíveis falhas em instalações e sinais de comunicação;
- Aumento da segurança operacional com as melhorias sugeridas;
- Elevação da performance operacional e redução dos custos globais de operação e manutenção, entre outros.
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 as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.
O conteúdo deste artigo foi elaborado cuidadosamente. Entretanto, erros não podem ser excluídos e assim nenhuma responsabilidade poderá ser atribuída ao autor. Sugestões de melhorias podem ser enviadas ao e-mail cesar.cassiolato@vivaceinstruments.com.br.
Sobre o autor
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César Cassiolato é Presidente e Diretor de Qualidade da Vivace Process Instruments. É também Conselheiro Administrativo da Associação PROFIBUS Brasil América Latina desde 2011, onde foi Presidente de 2006 a 2010, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil e Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester
Referências
- Manuais Vivace ProcessInstruments
- Artigos Técnicos César Cassiolato
- https://www.vivaceinstruments.com.br/
- Material de treinamento e artigos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato
- Especificações técnicas PROFIBUS
- www.profibus.com
