Seguridad, rendimiento y fiabilidad en las redes industriales físicas

Uno de los beneficios de Ethernet es que ha estandarizado verdaderamente haciendo las conexiones más simples. Al mismo tiempo, una mala selección de los componentes puede ser un peligro y un riesgo para la seguridad, el rendimiento y/o la fiabilidad en entornos industriales. Hay que hacer planes para las condiciones de entorno dinámico para el cableado de Ethernet, al igual que para otros cables y conectores que van a los paneles de control, máquinas y equipos. Esta discusión examinará los factores ambientales comunes y generalizados como el ruido EMI (Interferencia electromagnética), las estrategias y las soluciones de productos para mitigar y eliminar el ruido como una amenaza para el rendimiento del dispositivo de Ethernet.

Las mejores prácticas de gestión de EMI dentro del panel de control

El recinto de un panel de control de una máquina proporciona una barrera EMI que protege los circuitos internos de las fuentes de ruido externas. Los cables de Ethernet industrial de Panduit están construidos de Categoría 5e y 6A, grado industrial, cable de par trenzado para instalaciones UTP y STP. Cada cable ofrece clasificación UL, NEMA e IP para soportar el lavado ligero y condiciones temporales de sumergido sin pérdida de rendimiento para asegurar la fiabilidad. Sin embargo, el IEM también se genera por los circuitos internos. Los dispositivos dentro de los recintos pueden estar más en riesgo debido a su sensibilidad y proximidad a estas fuentes generadoras de EMI internas. Los controles de los procesos industriales residen dentro de los recintos, por lo que se requiere una protección adicional, aunque los dispositivos ya estén protegidos del exterior de la EMI (figura 1).

Figura 1: Riesgo de ruido EMI dentro de un recinto a los sistemas de automatización industrial. (Fuente de la imagen: Panduit)

Debido a la proximidad de los dispositivos sensibles a las fuentes de ruido, los modos principales de EMI dentro de un recinto son el acoplamiento capacitivo e inductivo. La comprensión de ambas fuentes ayuda a examinar la forma en que las mejores prácticas y la especificación de productos de mitigación de ruido mejoran la fiabilidad del equipo.

Ambos modos de acoplamiento son involuntarios y se producen cuando la corriente que fluye por un cable induce un voltaje en un cable paralelo que se encuentra dentro de su campo magnético. El acoplamiento capacitivo es más preocupante en los circuitos de alta frecuencia, mientras que el acoplamiento inductivo es más preocupante en los circuitos de alta corriente. La magnitud del ruido generado puede medirse con un osciloscopio con un cable víctima conectado (Figura 2). Se recomienda un enfoque de múltiples capas para mitigar la EMI para mantener las operaciones de la infraestructura crítica de comunicaciones y controles. Estas capas de protección incluyen métodos de conexión a tierra y de unión, segregación y separación de cables, uso de barreras, blindaje de cables y uso de filtros. El Conducto de cableado apantallado y escudo contra el ruido PanelMax™ de Panduit guía, separa y protege el cableado sensible a la emisión de ruido. Esto permite que los recorridos se coloquen más cerca, ahorrando un valioso espacio dentro de los paneles de control industrial. El blindaje proporciona hasta 20 dB de reducción de ruido (EMI/RFI), o un 90% de reducción de voltaje de ruido (NVR), lo que equivale a 6 pulgadas de espacio de aire entre el cableado sensible y el que emite ruido.

Figura 2: Tipos de EMI, fuentes y prácticas de mitigación. (Fuente de la imagen: Panduit)

El tipo de blindaje utilizado en el cable seleccionado se correlaciona con las fuentes de ruido y el tipo de ruido esperado en el entorno.

La selección de la infraestructura adecuada para las comunicaciones de red en un entorno industrial es importante. Una pregunta comúnmente hecha es "cuándo y cómo usar el cableado blindado". Cableado blindado se utiliza a menudo en entornos industriales para mitigar las interferencias no deseadas que llegan al cableado de la red Ethernet. El cable sin blindaje proporciona un grado de protección contra las interferencias debido al diseño de par trenzado equilibrado, pero no proporciona el mismo nivel de protección que el cable blindado. Este "equilibrio eléctrico" permite que el cable minimice los efectos de la EMI, cuanto mejor sea el equilibrio, más protección. En las zonas industriales en las que la interferencia es abundante, el uso de cables blindados proporciona una capa de protección adicional.

¿Qué es el ruido eléctrico?

La principal aplicación del cable blindado son los entornos que contienen fuentes de ruido eléctrico cerca de los cables de comunicación. El entorno en el que se instala el cable determinará en gran medida si se utiliza cable apantallado o no apantallado. La norma ANSI/TIA-1005-A detalla el sistema de clasificación MICE (Mechanical/Ingress/Climatic-Chemical/Electromagnetic). El M.I.C. de PanduitE guide es una herramienta eficaz que proporciona directrices útiles para cuantificar las cantidades de tensiones ambientales como el ruido eléctrico por clasificación.

Razones para usar cable blindado:

• Determinado por la especificación de la empresa o el requisito del área local: Las empresas manufactureras y los integradores de sistemas dentro de ciertos verticales han trabajado extensamente en entornos difíciles para instalar el cableado de la red. Este conocimiento tribal de los conocidos ambientes "eléctricamente ruidosos" se captura mejor mediante la documentación dentro de las especificaciones y estándares de la compañía. Es común que estas empresas incluyan requisitos y directrices sobre diseños y documentación de ingeniería (prácticas óptimas) para saber cuándo utilizar cable blindado para ciertas aplicaciones.

  El diseño adecuado de la infraestructura de cableado incluye evitar en la medida de lo posible las zonas de ruido eléctrico y utilizar los métodos de mejores prácticas, como cruzar las líneas de CA a 90 grados y conectar adecuadamente a tierra los escudos del cable blindado.

• La infraestructura se encuentra cerca del entorno de la planta y la transmisión de datos es crítica. A menudo, hay líneas de transmisión de datos cerca del entorno de la planta que están expuestas a algún nivel de estrés ambiental. El cable de grado empresarial no suele ser tan resistente como el cable clasificado para aplicaciones industriales. La exposición a diferentes tipos de sustancias químicas, el ingreso de fluidos, el ruido eléctrico y las aplicaciones de flexión se resuelven mejor usando cable industrial. Especificar el cable adecuado en la fase de diseño mejorará la longevidad y el rendimiento de todo el sistema.
• Aplicaciones de control de movimiento y automatización de alta velocidad: Debido al entorno intrínsecamente ruidoso del control de movimiento y los sistemas de automatización de alta velocidad, muchos proveedores de control de movimiento requieren o recomiendan cable blindado. Estos sistemas son críticos en cuanto al tiempo y dependen de cada paquete de información. Aunque la diferencia sea solo cuestión de milisegundos, una máquina de alta velocidad puede desconectarse o causar daños en el equipo. En casos extremos de ruido eléctrico por movimiento, se recomienda el uso de fibra óptica de control.
• MICE (Mechanical/Ingress/Climatic-Chemical/Electromagnetic) nivel de E₂ o E₃

Figura 3: E₂ o E₃ Los niveles de MICE reflejan niveles severos de interferencia de ruido. El sistema de clasificación MICE es una herramienta eficaz de la norma TIA-1005 que proporciona directrices útiles para cuantificar las cantidades de tensiones ambientales como el ruido eléctrico por clasificación. Para más información sobre MICE, consulte el material estándar o la guía de MICE de Panduit que se encuentra en el sitio web de MICE de Panduit. (Fuente de la imagen: Panduit)

El ruido eléctrico en forma de EMI e interferencia de radiofrecuencia (RFI) es común en los entornos industriales. Estas formas de ruido eléctrico pueden perturbar la transmisión del cableado de la red Ethernet. Las fuentes de interferencia electromagnética incluyen, pero no se limitan a: motores eléctricos, accionamientos de frecuencia variable, contactores/relé, soldadura, iluminación fluorescente y comunicaciones de radio. Estos dispositivos se utilizan en entornos industriales y a menudo afectan al cableado de la red a través de un acoplamiento inductivo, magnético o capacitivo. El ruido eléctrico también puede ser transmitido a través de los nodos comunes. Sin embargo, no se requieren amplios conocimientos sobre estos principios para desarrollar una infraestructura física bien diseñada. La separación física con el espacio aéreo y/o las barreras de aislamiento es efectiva, pero en ciertos puntos el cableado de la red Ethernet sigue expuesto al peligro del ruido. Determinar la fuente del ruido en un sistema de control puede ser difícil y requiere una cantidad significativa de equipo y tiempo de prueba. Por lo tanto, seguir las mejores prácticas en el diseño de la infraestructura física ahorra tiempo y recursos valiosos, a la vez que garantiza un mejor rendimiento. Los sistemas de tierra y de unión son partes integrales de la infraestructura de comunicación Ethernet, pero no es una ciencia absoluta. Cada aplicación tiene sus propias situaciones únicas de ruido ambiental y de conexión a tierra que requieren las mejores prácticas y experiencia para entenderlas. Una conexión a tierra y una unión inadecuada pueden conducir a un ruido que interrumpa la transmisión de los paquetes de Ethernet.

Para más información sobre las aplicaciones de protección, visite la guía de aplicaciones para el entorno industrial de Panduit, o descargue la ficha técniaMitigación de ruidos para paneles de control. Para más información sobre las pautas del MICE, visite la página de aterrizaje del MICE de Panduit.