O fator de blindagem de cabos usados em ambientes industriais

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Interferências na transmissão de sinais nos cabos pode gerar até mesmo paradas no processo produtivo. Uma metodologia, desenvolvida pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), pode ser aplicável a qualquer indústria que empregue controladores, principalmente segmentos com linhas longas, como o de alimentos e o automobilístico

A transmissão de sinais em ambientes industriais está sujeita a uma série de ruídos e interferências provenientes de diversas fontes, o que leva à necessidade de encontrar soluções para proteger a integridade dos sinais nos cabos. Para auxiliar as indústrias na identificação e solução dos problemas em seus processos produtivos, o Laboratório de Equipamentos Elétricos e Ópticos do IPT concluiu este ano um estudo de blindagem de cabos, uma das soluções mais comuns para garantir a qualidade do sinal. O indicador adotado para quantificar a eficiência da ferramenta foi a impedância de transferência.

A impedância de transferência pode ser descrita como a relação entre a tensão resultante entre um par de terminais e a corrente aplicada na blindagem. “Quando um cabo conecta um controlador montado em uma sala técnica a um sensor ou atuador que está instalado a 500 metros em uma tubulação em campo de uma indústria petroquímica, por exemplo, a distância entre os dois pontos é muito grande. Os cabos blindados ficam muitas vezes aterrados nas duas extremidades, e a corrente que passa pela blindagem é conhecida como corrente de interferência”, explica o pesquisador Mario Leite Pereira Filho, responsável pelo laboratório e coordenador do projeto. “A impedância de transferência mede o quanto a interferência é transmitida para o miolo do cabo de controle, o que pode afetar o sensor em medição ou o comando aplicado”.

Um pedido da Petrobras para identificar problemas de interferência em uma de suas refinarias motivou a equipe do laboratório a desenvolver o projeto. Controladores instalados na planta industrial não funcionavam de maneira correta e apresentavam problemas como travamento e erros no sistema de abertura e fechamento de válvulas. “Eles queriam investigar os mecanismos de falhas envolvidos e conhecer as alternativas para se protegerem das interferências. Estudamos o problema e verificamos que a impedância de transferência era uma das causas”, explica o pesquisador.

As interferências em um ambiente industrial são originadas principalmente por campos eletromagnéticos tanto de baixa frequência – sejam cargas não lineares que provocam correntes que circulam pelo aterramento ou fenômenos do tipo curto-circuito que provocam correntes de fuga pelo aterramento – quanto de alta frequência, provocados principalmente pelos arcos gerados na abertura de contatos elétricos de relés de sobrecarga e contatores, assim como pela influência de sinais de rádio e TV ou até mesmo descargas atmosféricas.

Este tipo de interferência pode resultar em uma série de erros no dia a dia da indústria, incluindo desde uma unidade de medida incorreta – como uma passagem de vazão de mil litros, quando o correto são 500 litros, ou uma variação na temperatura – até o travamento da porta de controle de um controlador e impedir o envio de um comando de fechamento de válvula. Um exemplo de uma situação de interferência em um processo industrial ocorre quando o aquecimento de água não pode ultrapassar uma determinada temperatura – por exemplo, 75ºC.

Em um sistema equilibrado, o sensor mede a temperatura e o controlador avalia a quantidade de calor que está sendo transmitida para a água; caso ocorra uma interferência e o sensor passe a indicar 85ºC, uma mensagem poderá ser enviada e solicitar o desligamento do sistema de aquecimento da água. A queda da temperatura da água a um valor abaixo do desejado trará como consequência uma quebra no processo produtivo.

Para realizar o estudo, cinco modelos de cabos FieldBus blindados fornecidos pelo cliente foram ensaiados no laboratório para medir a impedância de transferência normal na faixa de frequência de 10 kHz e de 100 kHz e de 100 kHz e de 1 MHz, e a impedância de transferência do modo diferencial na faixa de frequência de 10 kHz e de 100 kHz. “Nossos objetivos eram desenvolver um método estável de medição, porque havia uma alta variabilidade em função de a metodologia não estar ainda desenvolvida de maneira adequada e, ao mesmo tempo, gerar procedimentos de ensaios no IPT”, explica Pereira Filho.

O estudo foi realizado em duas etapas. Primeiramente, uma série de leituras da bibliografia disponível sobre impedância de transferência e a criação de modelos matemáticos para servirem de orientação à equipe laboratorial foram feitas. Em seguida, um ambiente que permitisse evitar interferências externas na medição – para garantir que apenas o valor aplicado no corpo de prova fosse considerado nos ensaios – foi montado. A infraestrutura era composta de analisador de espectro, para conhecer as componentes harmônicas dos sinais elétricos, de analisador vetorial, para medir as transferências de um circuito para outro, e de um aparato de simulação computacional.

Os resultados levantados no estudo indicaram que, quando os cabos são aterrados em somente uma extremidade (padrão muito comum em indústrias em que o comprimento é relativamente curto), é mais vantajoso lançar mão de modelos cuja impedância de transferência seja mais alta. Isso acontece pelo fato de a instalação ser mais fácil de ser executada e a corrente não atravessar a blindagem. “A impedância de transferência não é muito importante nesta situação”, explica o pesquisador.

Quando cabos e instalações mais longos são usados, tal como nas situações em que a operação demande aterrar nas duas pontas e é possível a passagem de corrente pela blindagem, a opção mais conveniente é pelos cabos com impedância de transferência a mais baixa possível. Segundo o pesquisador, as alternativas devem ser estudadas considerando também os custos porque, quanto maior a impedância de transferência, uma menor quantidade de matéria-prima será empregada na produção do cabo e os custos serão menores; quanto menor a impedância de transferência, mais caro o cabo e mais difícil sua instalação, diz ele: “Este é um conflito de interesse que deve ser resolvido na engenharia”.

O Laboratório de Equipamentos Elétricos e Ópticos do IPT desenvolveu durante a execução do projeto dois procedimentos de ensaios que permitem caracterizar melhor a impedância de transferência tanto em cabos de par trançado quanto em cabos coaxiais. “Estes ensaios não existiam anteriormente. Eles são importantes porque permitem ao cliente escolher entre os diversos modelos de cabos à venda no mercado o mais adequado para uma determinada aplicação em função do valor da impedância de transferência, que é um parâmetro importante no controle de interferência eletromagnética”, diz ele.

A experiência adquirida no projeto permitiu também ao laboratório aumentar os conhecimentos na medição de tensões induzidas e outros efeitos semelhantes em cabos. Esta metodologia de medição é passível de aplicação em qualquer tipo de indústria que empregue controladores, principalmente em segmentos com linhas longas de produção como as indústrias de alimentos e automobilística. “Estamos capacitados a ajudar a indústria a resolver qualquer problema de interferência conduzida em cabos que existir em suas instalações. Caso a empresa tenha um problema que não consiga explicar pelos métodos normais de manutenção elétrica, as chances são grandes de ser um problema de interferência. Temos meios de diagnosticar e sugerir soluções”, completa Pereira Filho.

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