Protector de transientes en redes PROFIBUS


César Cassiolato

Introducción

Este artículo contiene conceptos y técnicas de protección de equipos de campo PROFIBUS DP y PROFIBUS PA relativos a señales de alta tensión y corrientes inducidas por rayos u otras fuentes.

Se sabe que las instalaciones de sistemas de control pueden constituirse por la distribución aérea y subterránea de cables, bandejas, cables cercanos de cables de alta tensión susceptibles a la exposición de rayos, descargas electrostáticas e interferencias electromagnética (EMI). La interferencia electromagnética puede ser radiada (vía aire), conducida (vía conductores), inducida (normalmente arriba de 30MHz o por la mezcla de las mismas. Para imaginar el nivel de la tensión generada por la descarga electrostática, si considerarse un conductor con 50nH de inductancia podemos hablar da picos de tensión alrededor de 200V (V = L*di/dt) o más, pues un pulso de corriente generada por la descarga electrostática tiene un tiempo de subida muy corto, alrededor de 4ª/ns.

La exposición puede afectar el comportamiento de señales y aún damnificar los equipos, ya que estos poseen componentes de baja tensión que pueden fácilmente quemar con la sobretensión. 

¿Qué es un protector de transientes?

El protector de transientes es un hardware que adecuadamente ubicado (como se verá en seguida) e instalado protege los equipos, limitando los niveles de transientes que puedan atingirlos. El actúa prácticamente de manera instantánea “desviando” los transientes a la tierra y controlando la tensión a un nivel que no damnifique el equipo conectado a el. Cuando la corriente llega a nivel aceptable, se restablece la operación normal.

El mercado presenta una variedad muy grande de modelos. Estos dispositivos de protección se basan en una combinación de componentes tales como tubos de descarga de gas (GDTs, surge arresters), diodos de corte (clamping voltage) y varistores de óxido metálico (MOVS) que se caracterizan por la operación rápida, control de tensión preciso y retorno automático, tan pronto cese la sobretensión.

Figure 1 – Surge Arrester.

Protegiendo las redes y equipos PROFIBUS PA

En instalaciones PROFIBUS PA las tensiones que ultrapasan las condiciones normales de operación son conocidas como “surges” (picos) y aparecen de manera transitoria, pudiendo afectar el comportamiento de la red. Vale recordar que, como toda red fieldbus, hay un cambio de datos, con el objetivo de garantizar la integridad de los datos y l seguridad operacional de la planta.

Cuanto mayor 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 significativo también puede sufrir equipo conectado por cables relativamente cortos, si los circuitos o componentes fueren particularmente sensibles. En algunas situaciones, según la energía, los daños a instalaciones y equipos pueden ser grandes.

El cable estándar de la red PROFIBUS PA es el cable trenzado, cuyos conductores minimizan las tensiones entre las líneas. Sin embargo, tal como se indica anteriormente, la diferencia de potencial de tierra puede causar daños en componentes y afectar el desempeño, tornando el sistema sensible. Téngase aun en cuenta que el cable, su distribución, son factores a considerarse a favor de la minimización de ruidos y transientes. Se recomienda el uso de blindaje que funciona como jaula de Faraday, y tiene la eficiencia maximizada contra ruidos en modo común cuando puesto a tierra en la fuente de señal. Además, garantiza mayor protección contra EMI.

Conductores

Blindaje

Figura 2 – Cable de par trenzado PROFIBUS PA

En términos de protector de transientes, se recomienda que la tensión limite no esté muy mayor que la tensión de trabajo del equipo, y en la práctica es común usarse esta tensión dos veces la tensión de trabajo del equipo. En términos de rayos, los estudios muestran que la descarga pueden generar corrientes hasta de 2 kA hasta 200 kA con corrientes de pico con duración inferior a 10μs.

La elección  del protector de transientes debe ser criteriosa, pues este puede damnificar la señal PROFIBUS PA y limitar el número de equipos. Dependiendo del fabricante, este dispositivo puede acrecer capacitancia y resistencia a la red PROFIBUS PA y afectar la forma de onda de la señal de comunicación. Además, algunos diodos de corte pueden no ser transparentes a la red y también pueden afectar los niveles de 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 de 1? y menos de 40pF al cableado.

Cable Profibus Cable con o sin shield: 60Vdc o 25Vac y < 400Vac

Cable con o sin shield: > 400Vac

Cable sujetado a exposición de rayos

Figura 3 – Distancias mínimas recomendadas en el cableado PROFIBUS PA.

El grado de interferencia en cables depende de una serie de factores, tales como proyecto, construcción y característica de los mismos, así como de su interacción con otros elementos de la red PROFIBUS (conectores, equipos, terminales, otros cable, blindaje, etc.), además de ciertos parámetros del sistema y propiedades del ambiente. Hay muchos factores que limitan el desempeño de transmisión de señales digitales asociados a los cables y deben considerarse en su proyecto y utilización, tales como: 

o     atenuación;

o    ruido, que puede ser, básicamente, de cuatro tipos:

  • ruido diferencial (característico del circuito);
  • ruido longitudinal (por interferencia debida a cables de alimentación  eléctrica);
  • ruido de impulso;
  • diafonía (crosstalk);
  • distorsión por atraso de propagación;
  • jitter 

¿Qué es distancia efectiva?

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

Host Nudo

Fuente de Alimentación Largura del Tronco >50m

P = Protector de Transientes

Distancia Efectiva

Maestro Profibus  DP

Figura 4 – Uso de protector de transientes y distancia efectiva

Lado del Surge Protector de transiente Lado Protegido Equipo PA protegido

Barramiento Profibus-PA Dispositivo de descarga PA BUS

Shield Dispositivo de descarga Shield

GND GND

Figura 5 – Ejemplo de protector de transiente para la red PROFIBUS PA

Protegiendo las redes y equipos PROFIBUS DP

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

La figura 6 muestra que habrá protección tras un caída de tensión o cuando un pico o un surge diferencial exceder  la tensión de breakdown. Según la figura 7, esta protección está indicada cuando la puesta a tierra no sea posible y, así, cualquier surge diferencial se convertirá en modo común.

Dispositivo Fuente aislada Protector de Transiente

Port

Línea de datos Línea de Tierra

Figura 6 – Protección de puesta a tierra con aislamiento

Figura 7 – Protección con aislamiento en modo común 

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

Conclusión

Hemos visto en este artículo algunos conceptos y técnicas de protección para equipos de campo PROFIBUS DP y PROFIBUS PA relativos a señales de alta tensión y corrientes inducidas por rayos u otras fuentes.

Siempre que posible, consulte la EN50170 y la IEC60079-14 sobre regulaciones físicas, y también para prácticas de seguridad en instalaciones eléctricas en atmósferas explosivas.

Es necesario actuar con seguridad en las mediciones, evitando contactos entre terminales y cableado, pues puede ocurrir alta tensión y causar choque eléctrico. Recuerde que cada planta y cada sistema tienen sus  propios detalles de seguridad. Estar informado sobre ellos antes de comenzar el trabajo es muy importante.

 Para minimizar el riesgo de problemas potenciales relativos a la seguridad, siga las normas de seguridad y de áreas clasificadas locales que regulan la instalación y operación de los equipos. Ellas varían según el área y están en constante actualización. Es responsabilidad del usuario determinar cuales normas seguir  en sus aplicaciones y garantizar que la instalación de cada equipo esté de acuerdo con las mismas.

Una instalación inadecuada o el uso de un equipo en aplicaciones no recomendadas pueden perjudicar la performance de un sistema y consecuentemente el proceso, además de representar una fuente de peligro y accidentes. Debido a esto,  recomiéndase  utilizar solamente profesionales entrenados y cualificados para instalación, operación y mantenimiento.

Para más detalles, acceda al canal directo de comunicación de SMAR con ingenieros especialistas en instalaciones y tecnología PROFIBUS y AS-i: https://www.smar.com.br/es/asistencia-tecnica

Referencias:

Soluciones confiables

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