Ruídos e Interferências em instalações PROFIBUS

Introdução

Este breve material nos mostra pontos importantes em relação às interferências e ruídos que prejudicam a comunicação PROFIBUS e que podem ser úteis durante a fase de comissionamento/startup e manutenção de uma rede PROFIBUS.

 

Interferência em cabos

O grau de interferência em cabos vai depender de uma série de fatores como projeto, construção e características dos mesmos, bem como de sua interação com outros elementos da rede PROFIBUS (conectores, equipamentos, terminais, outros cabos, blindagem, etc.), além de certos parâmetros do sistema e propriedades do ambiente. Há uma variedade de fatores que limitam o desempenho de transmissão de sinais digitais associados aos cabos e que devem ser considerados no projeto e utilização destes, tais como:

• • atenuação;
  • ruído que pode ser:
    • ruído diferencial (característico dos circuitos);
    • ruído longitudinal (por interferência devida a cabos de potência);
    • ruído de linha
      • Gerado por uma fonte eletromagnética
      • Efeito Corona, Ruído de Linha e Centelhamento
    • ruído impulso;
    • diafonia (crosstalk);
    • distorções por atraso de propagação;
    • jitter

Em instalações PROFIBUS, as tensões que ultrapassam as condições normais de operação, são conhecidas como “surge” e aparecem de forma transitória, podendo afetar o comportamento da rede. Vale lembrar que, como toda rede fieldbus, tem-se a troca de dados e o mais importante é se garantir a integridade dos dados, garantindo a segurança operacional da planta. 
Quanto maior o tronco e as derivações da rede PROFIBUS, maior será a amplitude de transientes justamente pela exposição à diferença de potencial de terra. Dano significante também pode ser causado em equipamento conectado por cabos relativamente curtos se os circuitos ou componentes forem particularmente sensíveis. Em algumas situações, dependendo da energia, podem-se ter danos sérios nas instalações e equipamentos.

Figura 1 - Vantagem do uso de cabo com par trançado em PROFIBUS na minimizaçãode ruídos

 

A Interferência Eletromagnética (EMI)

A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto podemos ter problemas de compatibilidade eletromagnética. 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), motores (CCMs), redes digitais e de computadores próximas a essas áreas.

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).

Da física sabemos que uma corrente elétrica gera um campo magnético. O inverso também é verdadeiro de acordo com a lei de Faraday, um campo magnético variável gera uma corrente elétrica que, por sua vez, gera um campo contrário ao que lhe deu origem. Esse efeito é responsável pela atenuação das interferências quando utilizadas as canaletas de chapa de alumínio, mas ocorre com menor intensidade quando utilizadas canaletas de chapa de aço, pois são magnéticas.

A grande vantagem da canaleta de alumínio é que esta tem uma alta imunidade às correntes de Foucault, devido sua condutividade elétrica. Vejamos a figura 2a onde temos a representação do efeito de indução nos cabos PROFIBUS.Veja a figura 2b, onde se tem as distâncias mínimas necessárias entre o cabo PROFIBUS e cabos de outra natureza que podem gerar a indução.
 

Figura 2 a - Indução devido a cabos de potência

Figura 2b - Distâncias mínimas recomendadas no cabeamento PROFIBUS

 

Figura 3 - Interferência entre cabos: o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão

Figura 4 - Interferência entre cabos: campos magnéticos através do acoplamento indutivo entre cabos induzem transientes (pickups eletromagnéticos) de corrente

 

A figura 5 mostra a composição na prática de um sinal que sofre influências do próprio circuito, de distorções, ruídos impulsos, atenuações no meio físico, interferências e mudanças de fase (ruído de fase = jitter), etc.

Figura 5 – Interferência em sinais: uma composição de ruídos, atenuação, distorção, interferência e jitter

 

Bits errados podem surgir em sistemas de comunicações digitais como resultado de vários efeitos práticos distintos. Por exemplo, ao utilizarmos acessórios e interfaces na rede PROFIBUS (conectores, gateways, links, repetidores, alguns derivadores, etc.) estamos muitas vezes também contribuindo na distorção do sinal transmitido. Esta distorção pode aparecer de várias formas diferentes como em atenuação, dispersão, incremento de jitter e variações DC.

Podemos citar como possíveis fontes de jitter em sistemas de digitais: a interferência por diafonia (crosstalk), o ruído nos meios de transmissão; o ruído térmico; a imperfeição em circuitos de recuperação de relógio; a imperfeição nos processos de modulação; a distorção de sinal; o jitter intrínseco nos elementos de sincronização e circuitos de clock.

Figura 6 – Freqüência e amplitude do jitter

Os sinais digitais são amostrados no ponto médio dos bits.Se neste instante se tem uma pequena variação em torno do ponto médio do bit-slot, que é o instante ideal da amostragem, fazendo com que haja uma flutuação do sinal em diversos períodos de bits, ocorre o jiiter. Se este for longo o suficiente, pode induzir a uma interpretação incorreta dos bits afetando o processo de recuperação de dados.

É muito importante a relação sinal/ruído na prática. Com longas distâncias esta relação pode ser diminuída e aí se passa a ter o comprometimento com a integridade do sinal.

Podemos citar dois tipos de ruídos: o modo-diferencial e o de modo-comum. Ruído de modo-diferencial entra no sinal como uma tensão diferencial e não pode ser distinguido pelo transdutor, onde a interferência acontece entre as linhas de sinal. Quando se tem o ruído em relação ao terra, é o que chamamos de modo-comum. 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.

Os efeitos de ruídos podem ser minimizados com técnicas adequadas de projetos, instalação, distribuição de cabos, aterramento e blindagens. Aterramentos inadequados podem ser fontes de potenciais indesejados e perigosos e que podem comprometer a operação efetiva de um equipamento ou o próprio funcionamento de um sistema. Veja a figura 7.

Figura 7 – Modelo de interferência com ruído diferencial (característico dos circuitos) e longitudinal (por interferência devida a cabos de potência)

 

Conclusão

Vimos neste artigo a influência de interferências e ruídos nos sinais PROFIBUS. Vale lembrar que uma instalação adequada e dentro dos padrões é a base para o sucesso de um projeto com tecnologia digital.

Como o PROFIBUS e o AS-i são tecnologias consolidadas em milhares de aplicações em todo o mundo, é essencial que os projetos de sistemas de automação que utilizam estas tecnologias possam contar com profissionais altamente capacitados e reconhecidos para garantir o sucesso do empreendimento.

Assim, a SMAR possui a maior equipe do Brasil capacitada para análise de redes digitais de automação, configuração, comissionamento, startup e instalações. São milhares de pontos PROFIBUS e AS-i certificados e verificados pela SMAR em várias aplicações e nos mais diversos segmentos industriais, 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.

Com a SMAR, o cliente tem acesso a relatórios detalhados das informações e análises técnicas, mostrando os pontos em desacordo com os padrões, as correções necessárias e as sugestões de melhorias.

Para informações sobre certificação de redes PROFIBUS e AS-i, consulte:https://www.smar.com.br/pt/assistencia-tecnica

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.

Para mais detalhes veja os artigos:

• “Sinal Diferencial RS485 – PROFIBUS DP” em http://www.profibus.org.br/detalhe_noticia.php?id=37
•  “A importância dos terminadores de barramento a rede PROFIBUS” em http://www.profibus.org.br/news/abril2007/news.php?dentro=1
•  “Minimizando Ruídos em Instalações PROFIBUS” em https://www.smar.com.br/pt/artigo-tecnico/minimizando-ruidos-em-instalacoes-profibus

Para mais informação sobre a tecnologia PROFIBUS, veja https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos-profibus

Para detalhes de um sistema de automação verdadeiramente aberto baseado em redes, consulte:https://www.smar.com.br/pt/system302

Autor

• César Cassiolato

Referências:

• Manuais SMAR PROFIBUS
• Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação - César Cassiolato
• EMI – Interferência Eletromagnética - César Cassiolato
• https://www.smar.com.br/pt
• Material de Treinamento e artigos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato
• Especificações técnicas e Guias de Instalações PROFIBUS.
• https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos
• Revista Mecatrônica Atual Edição 46, Minimizando Ruídos em Instalações PROFIBUS, César Cassiolato, 2010.
• Revista Mecatrônica Atual Edição 47, Raio de Curvatura Mínima e Instalações PROFIBUS, César Cassiolato, 2010.
• Revista Saber Eletrônica Edição 452; Ruídos e Interferências em instalações PROFIBUS, César Cassiolato, 2011: http://www.sabereletronica.com.br/files/file/SE452_web.pdf