PROTOCOLOS SERIAIS : RS-232 / RS-422 / RS-485

PROTOCOLOS SERIAIS : RS-232 / RS-422 / RS-485

 

 

 

PROTOCOLOS SERIAS – PRIMEIRO ESTUDO

 

 

  

A comunicação de dados estuda os meios de transmissão de mensagens digitais para dispositivos externos ao circuito origem da mensagem. Nesses casos as distâncias envolvidas podem ser enormes, e como o aumento das distâncias entre a fonte e o destino aumenta também a dificuldade de estabelecer uma transmissão de dados precisa. Isso é resultado de distorções elétricas dos sinais que trafegam através de condutores longos, e de ruídos adicionados ao sinal que se propagam através do meio de transmissão. Embora alguns cuidados devam ser tomados na troca de dados dentro de um computador, o grande problema ocorre quando dados são transferidos para dispositivos fora dos circuitos do computador. Nesse caso a distorção e o ruído podem tornar-se tão severos que a informação é perdida, ou parte dela. Dispositivos externos são geralmente circuitos com fonte de alimentação independente dos circuitos relativos a um computador ou outra fonte de mensagens digitais. Como regra, a taxa de transmissão máxima permissível de uma mensagem em diretamente proporcional a potência do sinal, e inversamente proporcional ao ruído. A função de qualquer sistema de comunicação é fornecer a maior taxa de transmissão possível, com a menor potência e com menor ruído possível.  

 

Um canal de comunicação é um caminho sobre o qual a informação pode trafegar. Ela pode ser definida por uma linha física (fio) que conecta dispositivos de comunicação, ou por um rádio, laser, ou outra fonte de energia radiante. Em comunicação digital, a informação é representada por bits de dados individuais, que podem ser encapsulados em mensagens de vários bits. Um byte (conjunto de 8 bits) é um exemplo de uma unidade de mensagem que pode trafegar através de um canal digital de comunicações. Uma coleção de bytes pode ser agrupada em um “frame”ou outra unidade de mensagem de maior nível.Esses múltiplos níveis de encapsulamento facilitam o reconhecimento de mensagens e interconexões de dados complexos.Um canal  no qual a direção de transmissão é inalterada é referida como canal simplex. Por exemplo, uma estação de rádio é um canal simplex porque ela sempre transmite o sinal para os ouvintes e nunca é permitido à transmissão inversa.

Um canal half-duplex é um canal físico simples no qual a direção pode ser revertida. As mensagens podem fluir nas duas direções, mas nunca ao mesmo tempo. Em uma chamada telefônica, uma parte fala enquanto outra escuta. Depois de uma pausa, a outra parte fala e a primeira escuta. Falar simultaneamente resulta em sons que não podem ser compreendidos. Um canal full-duplex permite que mensagens sejam trocadas simultaneamente em ambas as direções. Ele pode ser visto como dois canais simples, um canal direto e um canal reverso, conectados nos mesmos pontos. 

 

A maioria das mensagens digitais é mais longa que alguns poucos bits. Por não ser prático nem econômico transferir todos os bits de uma mensagem simultaneamente, a mensagem é quebrada em partes menores e transmitida seqüencialmente. A transmissão bit- serial converte a mensagem em um bit por vez através de um canal. Cada bit representa uma parte da mensagem. Os bits individuais são então rearranjados no destino para compor a mensagem original. Em geral, um canal irá passar um bit por vez. A transmissão bit-serial é normalmente chamada de transmissão serial, e é o método de comunicação escolhido por diversos periféricos de computadores. A transmissão byte-serial converte oito bits por vez através de oito canais paralelos. Embora a taxa de transferência seja oito vezes mais rápida que na transmissão bit-serial, são necessários oito canais, e o custo poderá ser maior do que oito vezes para transmitir a mensagem. Quando as distâncias são curtas, é factível e econômico usar canais paralelos como justificativa para as altas taxas de transmissão. A interface Centronics de impressoras é um caso típico de transmissão byte-serial.

 

                                     

 

A taxa de transferência (Baud Rate) refere-se à velocidade com que os dados são enviados através de um canal e é medido em transições elétricas por segundo. Na norma EIA-232, ocorre uma transição de sinal por bit, e a taxa de transferência e a taxa de bit (bit rate) são idênticas. Nesse caso, uma taxa de 9600 bauds corresponde a uma transferência de 9600 dados por segundo, ou um período de aproximadamente, 104us(1/9600s). Outro conceito é a eficiência do canal de comunicação que é definido como o número de bits de informação utilizável (dados) enviados através do canal por segundo. Ele não inclui bits de sincronismo, formatação, e detecção de erro que podem ser adicionados à informação antes da mensagem ser transmitida, e sempre será no máximo igual a um. 

Geralmente, dados serializados não são enviados de maneira uniforme através de um canal. Ao invés disso, pacotes com informação regulares são enviados seguidos de uma pausa. Os pacotes de dados binários são enviados dessa maneira, possivelmente com comprimentos de pausa variável entre pacotes, até que a mensagem tenha sido totalmente transmitida. O circuito receptor dos dados deve saber o momento apropriado para ler os bits individuais desse canal, saber exatamente quando um pacote começa e quanto tempo decorre entre bits. Quando essa temporização for conhecida, o receptor é dito estar sincronizado com o transmissor, e a transferência de dados precisa tornar-se possível. Falhas na manutenção do sincronismo durante a transmissão irão causar a corrupção ou perda de dados. Duas técnicas básicas são empregadas para garantir a sincronização correta. Emsistemas síncronos, canais separados são usados para transmitir dados e informação de tempo. O canal de temporização transmite pulsos de clock para o receptor. Através da recepção de um pulso de clock, o receptor lê o canal de dados e armazena o valor do bit encontrado no momento. O canal de dados não é lido novamente até que o próximo pulso de clock chegue. Como o transmissor é responsável pelos pulsos de dados e de temporização, o receptor irá ler o canal de dados apenas quando comandado pelo transmissor, portanto a sincronização é garantida. O comprimento do pacote de dados é pequeno em sistemas assíncronos para minimizar o risco do oscilador do transmissor e do receptor variar. Quando osciladores a cristal são utilizados, a sincronização pode ser garantida sobre os 11 bits do período. A cada novo pacote enviado, o start bit reseta a sincronização, portanto a pausa entre pacotes pode ser longa. Ruídos e Distúrbios elétricos momentâneos podem causar mudanças nos dados quando estão trafegando pelos canais de comunicação. Se o receptor falhar ao detectar isso, a mensagem recebida será incorreta, resultando em conseqüências possivelmente sérias. Como uma primeira linha de defesa contra erros de dados, eles devem ser detectados. Se um erro pode ser sinalizado, pode ser possível pedir que o pacote com erro seja reenviado, ou no mínimo prevenir que os dados sejam tomados como corretos. Se uma redundância na informação for enviada, um ou dois bits de erros podem ser corrigidos pelo hardware no receptor antes que o dado chegue ao seu destino. O bit de paridade é adicionado ao pacote de dados com o propósito de detecção de erro. Na convenção de paridade-par (even-parity), o valor do bit de paridade é escolhido da tal forma que o número total de dígitos “1”dos dados adicionado ao bit de paridade do pacote seja sempre um número par. Na recepção do pacote, a paridade do dado precisa ser recomputada pelo hardware local e comparada com o bit de paridade recebido com os dados. Se qualquer bit mudar de estado, a paridade não irá coincidir, e um erro será detectado. Se um número para bits for trocado, a paridade coincidirá e o dado com erro será validado. Contudo, uma análise estatística dos erros de comunicação de dados tem mostrado que um erro com bit simples é muito mais provável que erros em múltiplos bits na presença de ruído randômico. Portanto, a paridade é um método confiável de detecção de erro.

Outro método de detecção de erro envolve o cálculo de um “checksum” quando mensagens com mais de um byte são transmitidas pelo canal de comunicação. Nesse caso, os pacotes que constituem uma mensagem são adicionados aritmeticamente. Um número de checksum é adicionado à seqüência do pacote de dados de tal forma que a soma dos dados mais o checksum seja zero. Quando recebido, os dados devem ser adicionados pelo processador local. Se a soma do pacote der um resultado diferente de zero, ocorreu um erro. Na ocorrência de erros é improvável (mas não impossível) que qualquer corrupção de dados resulte em checksum igual a zero. Podem ocorrer erros que não sejam apenas detectados, mas também sejam corrigidos se o código adicional for adicionado à seqüência de dados do pacote. A correção de erros em uma transmissão, contudo, abaixa a eficiência do canal, e o resultado é uma queda na transmissão.

 

Com certeza a ETHERNET INDUSTRIAL é uma tendência, mas encontraremos sempre os protocolos seriais em equipamentos e aplicações industriais diversas, sendo assim vale à pena sabermos o que é RS232, RS422, RS455 e RS485? 

 

 

 

RS é uma abreviação de “Recommended Standard”. Ela relata uma padronização de uma interface comum para comunicação de dados entre equipamentos, criada no início dos anos 60, por um comitê conhecido atualmente como “Electronic Industries Association” (EIA). Naquele tempo, a comunicação de dados compreendia a troca de dados digitais entre um computador central (mainframe) e terminais de computador remotos, ou entre dois terminais sem o envolvimento do computador. Estes dispositivos poderiam ser conectados através de linha telefônica, e conseqüentemente necessitavam um modem em cada lado para fazer a decodificação dos sinais. Dessas idéias nasceu o padrão RS232. Ele especifica as tensões, temporizações e funções dos sinais, um protocolo para troca de informações, e as conexões mecânicas. A mais de 30 anos desde que essa padronização foi desenvolvida, a EIA publicou três modificações. A mais recente, EIA232E, foi introduzida em 1991. Ao lado da mudança de nome de RS232 para IA232, algumas linhas de sinais foram renomeadas e várias linhas novas foram definidas. Embora tenha sofrido poucas alterações, muitos fabricantes adotaram diversas soluções mais simplificadas que tornaram impossível a simplificação da padronização proposta. As maiores dificuldades encontradas pelos usuários na utilização da interface RS232 incluem pelo menos um dos seguintes fatores:

– Ausência ou Conexão errada de sinais de controle. Resultam em estouro do buffer (overflow) ou travamento da comunicação.

-Função incorreta de comunicação para o cabo em uso, resulta em inversão das linhas de Transmissão e Recepção, bem como a inversão de uma ou mais linhas de controle (handshaking). Se a norma EIA232 completa for implementada, o equipamento que faz o processamento dos sinais é chamado DTE (DATA TERMINAL EQUIPMENT- usualmente um computador ou terminal), tem um conector DB25 macho, e utiliza 22 dos 25 pinos disponíveis para sinais ou terra. O equipamento que faz a conexão (normalmente uma interface com a linha telefônica) é denominado de DCE (DATA CIRCUIT TERMINATING EQUIPMENT – usualmente um modem), tem um conector DB25 fêmea, e utilizam os mesmos 22 pinos disponíveis para sinais e terra. Um cabo de conexão entre os dispositivos DTE e DCE contém ligações em paralelo, não necessitando mudanças na conexão de pinos. Se todos os dispositivos seguissem essa norma, todos os cabos seriam idênticos, e não haveria chances de haver conexões incorretas.   

 

A norma EIA232 inclui a referência de terra no PINO 7, e é freqüentemente conectada ao PINO 1 e a blindagem do cabo que envolve os demais condutores. Sinais de tensão dos dados, temporizações e controle são medidos com relação a esse terra comum. Equipamentos que utilizam a interface RS232 não podem ser utilizados em aplicações onde os equipamentos nos dois opostos devem estar eletricamenteisolados.    

 

As normas RS485 e RS422 definem esquemas de transmissão de dados balanceados que oferecem soluções robustas para transmitir dados em longas distâncias em ambientes ruidosos. Estas normas não definem qual o protocolo a ser utilizado para a comunicação dos dados, e são adotadas como especificação da camada física de diversos protocolos, como, por exemplo, MODBUS, PROFIBUS, DIN-Measuremet-Bus e muitos outros. Todos os equipamentos que possuem comunicação serial por barramento utilizam o padrão RS485, devido às vantagens que o mesmo apresenta em ambientes industriais. Por ser amplamente difundido, é bem aceito em todas as partes do globo. Apesar de estarem sendo utilizadas há bastante tempo, é muito comum haver dúvidas nos usuários de redes baseadas em RS485 e RS422.

A norma TIA/EIA-422, conhecida popularmente como RS-422, descreve uma interface de comunicação operando em linhas diferenciais capaz de interligar um dispositivo transmissor a até 10 receptores. O meio físico definido para a RS-422 são dois pares trançados, sendo um utilizado para comunicação no sentido do transmissor (usualmente o mestre) para os receptores (usualmente escravos). O segundo par trançado é utilizado para comunicação dos escravos para o mestre. Como múltiplos escravos precisam transmitir através de um mesmo par de fios, estes precisam comutar seus transmissores de forma que em um mesmo instante de tempo, somente o transmissor de um escravo esteja ativo. A utilização de dois pares permite que no mesmo instante de tempo ocorram transmissão e recepção de dados entre o mestre e um escravo. A possibilidade de transmissão e recepção simultânea caracteriza a RS-422 como full-duplex

 

A norma TIA/EIA-485, conhecida popularmente como RS-485, descreve uma interface de comunicação operando em linhas diferenciais capaz de se comunicar com 32 unidades de carga. Normalmente, um dispositivo transmissor/receptor corresponde a uma unidade de carga, o que faz com que seja possível comunicar até 32 dispositivos. Entretanto, existe dispositivos que consomem frações de unidade de carga, o que aumenta o máximo número de dispositivos a serem interligados. O meio físico mais utilizado é um par trançado. Através deste único par de fios, cada dispositivo transmite e recebem dados. Cada dispositivo aciona o seu transmissor apenas no instante que necessita transmitir, mantendo-o desligado no resto do tempo de modo a permitir que outros dispositivos transmitam dados. Em um determinado instante de tempo, somente um dispositivo pode transmitir, o que caracteriza esta rede como half-duplex. Uma rede RS-485 pode também utilizar dois pares trançados, operando no modo full-duplex, totalmente compatível com o RS-422.

 

Tanto o RS-485 quanto o RS-422 se caracterizam pela utilização de um meio de comunicação diferencial (ou balanceado) denominado par trançado. Os circuitos transmissores e receptores adotados nestas interfaces utilizam como informação a diferença entre os níveis de tensão em cada condutor do par trançado. Os códigos binários são identificados pela polaridade (+ ou -) da diferença de tensão entre os condutores do par, ou seja, quando a tensão no condutor ”+”for maior que no condutor ”-“,é caracterizado um nível lógico “1”; quando ao contrário, a tensão no condutor “-“for maior que no condutor ”+”, é caracterizado um nível lógico ”0”. Uma margem de ruído de mais ou menos 0,2volts é definida para aumentar a tolerância a interferências. Esta técnica resulta no cancelamento de ruídos induzidos no meio de transmissão, pois se o mesmo ruído é induzido nos dois condutores à diferença de tensão entre eles não se altera e a informação é preservada. A interferência eletromagnética emitida por um barramento de comunicação diferencial é também menor que a emitida por barramentos de comunicação não-diferenciais. A teoria de comunicações descreve a necessidade de terminação d elinhas de comunicação com um valor de impedância correspondente à impedância característica da linha de transmissão. A correta terminação atenua reflexões que distorcem os dados transmitidos, aumentando os limites de velocidade e/ou comprimento da rede. Redes não-terminadas são baratas, de menor consumo e simples de implementar. A desvantagem clara é que as taxas de comunicação devem ser lentas ou os cabos curtos o bastante para manter a rede confiável. Redes com cabos curtos (até 100metros) e operando a baixa velocidade (até 19.200bps) operam adequadamente mesmo sem a utilização de resistores de terminação. A terminação paralela oferece excelentes taxas de comunicação, mas é limitada a redes com um único driver, onde um dispositivo fala e os demais apenas escutam como é o caso de cada um dos pares de redes RS-422 ou RS-485 full-duplex. Nesses casos, o driver deve ser posicionado em uma extremidade da rede e o resistor de terminação na outra. O terceiro método é a terminação bidirecional, que oferece uma excelente integridade do sinal. Com esta técnica, os drives podem estar localizados em qualquer ponto da rede. A desvantagem é que o consumo da rede aumenta. Este é, seguramente, um dos métodos mais confiáveis de terminação. A impedância característica de um par trançado é de aproximadamente 120ohms, sendo este um valor adequado para o resistor de terminação a ser instalado. O último assunto relacionado à terminação é o que fazer com os condutores não usados em um cabo de dados. Condutores não usados poderão auto-ressonar e acoplar ruído aos condutores de dados. Se eles forem deixados abertos, eles irão ressonar em todos os tipos de freqüências; se forem aterrados em uma extremidade, irão ressonar L/2(“L” é o comprimento do cabo); se forem aterrados nas duas extremidades irão ressonar em L/4. A melhor maneira de minimizar a energia de um condutor não utilizado é dissipá-la em forma de calor. Para tanto, deve-se colocar resistores de terminação em ambas as extremidades do condutor para o terra ( uma terminação bidirecional). Os resistores devem possuir um valor igual à impedância característica da linha, ou seja, em torno de 120ohms. Uma melhor alternativa é utilizar cabos em que não sobrem condutores. Enquanto a velocidade for relativamente baixa e as distâncias relativamente curtas, a influência da topologia da rede em seu desempenho não é significativa. Contudo, quando os efeitos de linhas de transmissão começam a aparecer, há apenas uma topologia simples que permite gerenciar estes efeitos, é a topologia “DAISY CHAIN”. Nela todos os dispositivos são conectados diretamente aos condutores da linha de comunicação principal, é fácil controlar as reflexões causadoras de erros de comunicação.                                                

Isso não significa que seja impossível implementar uma rede funcional com outra topologia. Entretanto, na prática, controlar reflexões em uma rede tipo estrela (por exemplo) é mais uma arte do que ciência. Ao utilizar o barramento com derivações, é recomendável que o comprimento das derivações que interligam cada dispositivo à linha de comunicação principal seja o menor possível (muito menores que o comprimento do barramento principal). Tanto a RS-422 quanto a RS-485 especificam um comprimento máximo de 1.200metros para os cabos de comunicação. A velocidade máxima de comunicação (em bits por segundo) depende de características dos equipamentos instalados, da capacitância dos cabos de comunicação e dos resistores de terminação instalados. Como regra geral quanto mais longo os cabos, menor deve ser a velocidade de comunicação. Como orientação, não se deve esperar problemas de comunicação quando o produto entre o comprimento dos cabos (em metros) e a velocidade de comunicação em (bits por segundo) for menor que 100.000.000. O desempenho de um sistema irá variar de acordo com o tipo de cabo, terminações, topologia da rede, interferências presentes no ambiente e qualidade dos transmissores e receptores de cada dispositivo da rede.    

 

A rede RS-485 não define o número máximo de dispositivos interligados em uma rede, e sim uma série de parâmetros que podem ser utilizados para o cálculo deste limite.

 

1-Limite inferior para a resistência de carga resultante no barramento.

 2-Valor de resistência que cada dispositivo da rede representa no barramento, denominada ”Carga Unitária”)-(15kohms).     

 3-Valor mínimo de corrente que o driver (transmissor) de um dispositivo RS-485 deve ser capaz de fornecer. A partir destes dados e considerado a necessidade de resistores de terminação nos dois extremos do barramento (correspondentes a 60ohms), pode ser calculado o limite de 32 dispositivos com carga unitária para um barramento de comunicação RS-485. Atualmente são comercializados disponíveis equipamentos RS-485 com carga inferior à unitária, sendo usuais os valores de 1/2 ,1/4 e 1/8 da carga unitária. Para ampliar o número de dispositivos de uma rede RS-485 para 256, uma solução possível é utilizar apenas dispositivos com 1/8 da carga unitária. Em aplicações menores, onde o comprimento dos cabos da rede é pequeno e/ou a velocidade de comunicação é baixa, pode ser possível eliminar os resistores de terminação. Isto permite aumentar a capacidade de dispositivos da rede de 32 para 247 dispositivos. É claro que a operação confiável nesta condição não é garantida. 

O aterramento é talvez o tema menos compreendido e que causa maiores problemas na instalação de redes RS-485. Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de potencial existente entre os dois condutores do par trançado, independente da diferença de potencial que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra). Isto permite que múltiplos sistemas se comuniquem mesmo que uma referência de potencial comum entre eles não seja estabelecida. No entanto, os circuitos eletrônicos de transmissão e recepção podem ser danificados se o par trançado apresentar um potencial excessivamente elevado em relação ao referencial (comum ou terra). A norma Tia/EIA-485 especifica que a máxima diferença de potencial entre os equipamentos da rede deve estar entre -7 Volts e +12 Volts, enquanto a norma TIA/EIA-422 especifica estes limites entre -7 Volts e +7 Volts. Diferenças de potencial acima destes limites são usuais quando múltiplos dispositivos isolados eletricamente entre si são interligados apenas pelos pares diferenciais de comunicação. A utilização de aterramento nos dispositivos, apesar de ajudar, não soluciona o problema em todas as situações, pois em uma instalação industrial típica a diferença de potencial entre aterramentos de locais afastados pode ser de muitos volts, podendo chegar a centenas de volts na ocorrência de descargas atmosféricas. A melhor solução para evitar a queima dos circuitos de comunicação é adotar um condutor adicional que interligue o comum (ou terra) de todos os dispositivos da rede. A utilização de cabo blindado é recomendada sempre que o custo mais elevado deste tipo de cabo não for problema. A utilização de cabo blindado com a malha adequadamente aterrada torna a rede mais imune a interferências externas mesmo quando o cabo é instalado próximo a fontes de ruído elétrico, como inversores de freqüência, máquinas de solda, chaves eletromagnéticas e condutores de alimentação CA. Para reduzir custos, pode ser utilizado cabo trançado sem malha de blindagem, mas este deve ser instalado separado de condutores de alimentação CA e distante de fontes de ruído elétrico. As conexões dos dispositivos são efetuadas conforme o tipo de rede que se deseja implementar: RS-422,RS-485 a dois fios ou RS-485 a quatro fios. Para a ligação dos barramentos de comunicação entre os dispositivos da rede, deve-se utilizar um cabo tipo par trançado, tendo cuidado de interconectar os terminais ”COMUM” de todos os dispositivos da rede. A bitola mínima recomendada para os condutores de comunicação é 24 AWG (0,2 mm²).

 

 

 

 

 

 

                                                                              

Considerações sobre os efeitos da EMI para projetar uma rede Ethernet Industrial confiável e robusta.

Considerações sobre os efeitos da EMI para projetar uma rede Ethernet Industrial confiável e robusta.

 

Dando seqüência à interpretação da norma de cabeamento industrial TIA-1005 agora vamos estudar com maior profundidade os requisitos MICE(MECHANICAL + INGRESS + CHEMICAL and CLIMATIC + ELETROMAGNETIC) com ênfase a EMI interferências eletromagnéticas causadas por picos de tensão “voltage Spike”, VFD (unidade de freqüência variável), flicker, sag, swell, servomotores, cargas indutivas, contatores, relês, motores e distorções harmônicas. Discorrerei sobre algumas importantes definições:     

PICOS DE TENSÃO “TENSÃO SPIKE” são definidos como de curta duração em rápidos transientes de tensão. Todos os dispositivos elétricos e eletrônicos são projetados para operar dentro de uma determinada fonte de tensão, que é normalmente escrito na folha do produto /manual ou no próprio dispositivo. Para exemplificar um dos tipos mais comuns de danos é visto quando uma lâmpada recebe uma energia superior a sua taxa de tensão , causando um aquecimento de sua fiação, ou até mesmo podendo queimar ou explodir. Picos de tensão podem acontecer por causas naturais, como raios, ventos e tempestades. Uma tempestade que está ocorrendo à milhas de distância pode provocar picos de alta voltagem em outro local. Outras fontes produzirão transientes como as induções eletromagnéticas ocasionadas por motores elétricos, eletroímãs; sobretensões nas linhas de energia de nossa concessionária, entre outros.

 

UNIDADE DE FREQUÊNCIA VARIÁVEL (VFD) é um sistema para controlar a velocidade de rotação de uma corrente alternada (AC), motor elétrico, controlando a freqüência da energia elétrica fornecida ao motor. Acionadores de freqüência variável também são conhecidos como unidades de freqüência ajustável (AFD), acionamentos de velocidade variável (VSD), unidades de AC, microdrives ou inversores. Como a tensão é variada com freqüência, estas são por vezes também chamadas de VVVF (tensão variável de freqüência variável) unidades. Os inversores de  freqüência variável (VFD) são comumente empregados em sistemas de ventilação de grandes edifícios , para controlar a velocidade dos motores dos ventiladores garantindo assim um equilíbrio e baixo consumo de energia elétrica.Também são utilizados em bombas , correias e unidades de máquinas-ferramenta.

  

DISTORÇÕES HARMÔNICAS são um tipo específico de energia suja, que é normalmente associada com a crescente quantidade de acionamentos estáticos, fontes chaveadas e outros dispositivos eletrônicos nas plantas industriais. Harmônicas é um fenômeno contínuo, e não devem ser confundidos com fenômenos de curta duração que duram apenas alguns ciclos. Transientes , distúrbios elétricos, picos de sobre-tensão e sub-tensão não são harmônicas.Estas perturbações no sistema podem normalmente ser eliminadas com a aplicação de filtros de linha (supressores de transientes). Entretanto, estes filtros de linha não reduzem ou eliminam correntes e tensões harmônicas. As distorções harmônicas são causadas por inversores de freqüência, variadores de velocidade, acionamentos tiristorizados, acionamentos em corrente contínua ou alternada, retificadores, “drives”, conversores eletrônicos de potência, fornos de indução e a arco, ”no-breaks” e máquinas de solda a arco. Da mesma forma que a pressão alta pode causar sérios problemas ao corpo humano, altos níveis de harmônicas numa instalação elétrica podem causar problemas para as redes de distribuição das concessionárias, para própria instalação, e par aos equipamentos ali instalados. As conseqüências podem chegar até a parada total de equipamentos importantes de produção .

Listarei algumas conseqüências ocasionadas pelas harmônicas:

– Capacitores: queima de fusíveis, e redução da vida útil;

– Motores: redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima;

-Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea e componentes danificados;

-Transformadores: aumento de perdas no ferro e no cobre, e redução de capacidade;

-Medidores: medições errôneas e possibilidade de maiores contas;

-Telefones: interferências;

-Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e falha na comutação de circuitos.

 

Distorções harmônicas causam muitos prejuízos em plantas industriais. De maior importância, são à baixa produtividade, e de vendas devido a paradas de produção, causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente “repicar” de disjuntores. Para solucionarmos estes problemas devemos lançar mão dos chamados filtros de harmônicas, que é essencialmente um capacitor para correção do fator de potência combinado com um reator (indutor).

      

   FLICKER ou CINTILAÇÃO LUMINOSA é uma impressão de instabilidade da sensação visual, induzida por variação luminosa ou flutuação da distribuição espectral durante o tempo. Esta variação depende da freqüência e magnitude da mudança e da luz sobre o observador. De uma forma mais técnica o flicker é o efeito visual causado em lâmpadas incandescentes pela flutuação de tensão. Na freqüência de 8,8Hz o olho humano apresenta sua máxima sensibilidade, sendo capaz de identificar variações na tensão de 0,1%. Acima de certo limite, o flicker torna-se perturbador para os seres humanos. O flicker é causado por oscilações periódicas da tensão e geralmente não por variações instantâneas (como sag’s e swell’s). Os equipamentos que geram as flutuações de tensão são os fornos a arco, sistemas de solda a arco, grandes conjuntos de injetoras / extrusoras, moedores de rochas. Flutuações de tensão são limitadas por normas como a IEC 61000-3-3.Procedimentos para medição de flicker ou cintilação luminosa são estabelecidas pela IEC 61000-4-15.  A cintilação luminosa causa nos equipamentos variações de luminosidade em lâmpadas incandescentes, variação de brilho em lâmpadas de mercúrio, em monitores de computadores e televisores, possível redução de torque em motores elétricos, e perdas de dados nos computadores. Para redução do flicker na sua instalação devemos aumentar a corrente de curto-circuito, além de instalarmos filtros ativos, compensadores estáticos e capacitores controlados por tiristores.             

       

SAG’S e SWELL’S 

Sag ou DIP é um afundamento de 0,1 a 0,9 pu em tensão ou corrente rms em uma duração de meio ciclo há um minuto.

 

Swell é um aumento de 1,1 a 1,8 pu em tensão ou corrente rms em ma duração de meio a um minuto.

    

Equipamentos usados nas plantas industriais modernas (controladores de processos, controladores de programação lógica, mecanismos de ajuste de velocidade, mecatrônicas) estão ficando cada vez mais sensíveis aos sags de voltagem devido ao seu aumento e complexidade. Na medida em que a velocidade dos circuitos operacionais aumenta e sua tensão nominal diminui, a vulnerabilidade a tais distúrbios aumenta. Sags comumente não são distinguíveis de faltas de energia momentâneas, na medida em que os efeitos em um equipamento podem ser os mesmos. Equipamentos mais sensíveis, como computadores podem travar ou mesmo perder informações armazenadas em memória volátil. Até mesmo relés e contatoras de starters de motores podem ser sensíveis a sags de voltagem, resultando na interrupção de um processo quando a queda ocorre. Sags de tensão estão relacionados à causa mais comum de falhas no sistema de força de computadores. Os efeitos de um swell geralmente são mais destrutivos que os efeitos de um sag. A condição de sobretensão pode causar a queima de componentes dos equipamentos, ou mesmo criar um defeito acumulativo que aumenta gradualmente. O aumento da tensão em iluminação incandescente pode ser notado se a duração do swell for maior que três ciclos. Iremos encontrar os sags nas categorias de sistemas de transmissão, distribuição e utilização pontual. Swells são tratados em uma única categoria. Uma causa comum de sags e swells nas três áreas é a mudança repentina do fluxo de corrente através da fonte de impedância. No caso de um sag, um repentino grande aumento na corrente requerida por um equipamento irá causar uma tensão maior a ser entregue na fonte de impedância. Isto irá resultar em uma redução da tensão, no ponto de vista da carga. Da mesma maneira como um “surge” uma redução repentina no fluxo de corrente irá causar um aumento na tensão em impedâncias indutivas ou capacitivas.

 

Além dos itens acima a serem considerados em nosso projeto de infraestrutura para rede ethernet industrial, devemos também especificar produtos e sistemas blindados de qualidade, um aterramento eficiente dentro das normas com uma mão de obra qualificada e certificada para esta instalação. Como salientado pelos pesquisadores e órgãos mundiais, os maiores problemas numa rede de comunicação, da ordem de 70% a 80% são ocasionados pela baixa qualidade dos elementos passivos da rede como cabos, conectores e terminações, associados há uma péssima mão de obra.

 

Concluindo vale a pena projetarmos nossa infraestrutura de comunicação para rede ethernet industrial seguindo as normas vigentes como TIA-1005, TIA-568, TIA-569, TIA-606, TIA-607, TIA-942, NBR-14565, NBR-5410, e empregarmos produtos de alta qualidade com a contratação de uma mão de obra certificada e treinada por uma empresa reconhecida mundialmente.

 

 

Para protegermos nossa rede ethernet industrial das energias perigosas, transientes e distorções harmônicas, deveremos começar a empregar produtos adequados como a DATA ACCESS PORT desenvolvido pela PANDUIT CORPORATION para este fim. Após termos realizado a montagem dos equipamentos e infraestrutura interna do nosso painel de automação, instalaremos na parte externa o DATA ACCESS PORT. Agora para realizarmos nossas medições e parametrizações não necessitaremos mais abrir o painel, deixando-o exposto a este ambiente industrial severo, teremos acesso às conexões elétricas e de dados diretamente, conforme a configuração definida pelo usuário.

 

DATA ACCESS PORT – Produto desenvolvido pela PANDUIT CORPORATION

 

   

 

 

 

 

 

 

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Acesse www.panduit.com

Nos próximos estudos estarei apresentando outros excelentes produtos para especificação de uma rede Ethernet Industrial confiável e robusta.         

Riscos em Instalações e Serviços com Eletricidade / Norma Regulamentadora NR-10 / LOTO

Riscos em Instalações e Serviços com Eletricidade / Norma Regulamentadora NR-10 / LOTO

                                                  

 

NORMA NR-10 / LOCKOUT & TAGOUT

 

A norma NR-10 trata dos requisitos e condições mínimas objetivando a implementação de medidas de controle e sistemas preventivos de forma a garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores que, direta ou indiretamente interajam em instalações elétricas e serviços com eletricidade. Esta norma regulamentadora NR se aplica as fases de geração, transmissão, distribuição e consumo, incluindo as etapas de projeto, construção, montagem, operação, manutenção das instalações elétricas e quaisquer trabalhos realizados nas suas proximidades, observando-se as normas técnicas oficiais estabelecidas pelos órgãos competentes e, na ausência ou omissão destas, as normas internacionais cabíveis.

       

 

DEFINIÇÕES IMPORTANTES

 

 

ALTA TENSÃO(AT) é a tensão superior a 1.000 volts em corrente alternada ou 1.500 volts em corrente contínua, entre fases ou entre fase e terra.

 

BAIXA TENSÃO(BT) é a tensão superior a 50 volts em corrente alternada ou 120 volts em corrente contínua, e igual ou inferior a 1.000 volts em corrente alternada ou 1.500 volts em corrente contínua, entre fases ou entre fase e terra.

 

EXTRA- BAIXA TENSÃO(EBT) é a tensão não superior a 50 volts em corrente alternada ou 120 volts em corrente contínua, entre fases ou entre fase e terra.   

 

PERIGO é a situação ou condição de risco com probabilidade de causar lesão física ou dano à saúde das pessoas por ausência de medidas de controle.

 

PESSOA ADVERTIDA é a pessoa informada ou com conhecimento suficiente para evitar os perigos da eletricidade.

 

RISCOé a capacidade de uma grandeza com potencial para causar lesões ou danos à saúde das pessoas.

 

 RISCOS ADICIONAIS são todos os demais grupos ou fatores de risco além dos elétricos, específicos de cada ambiente ou processos de trabalho que, direta ou indiretamente, possam afetar a segurança e a saúde no trabalho.

 

TENSÃO DE SEGURANÇA é a extra- baixa tensão originada em uma fonte de segurança.

 

CHOQUE ELÉTRICO é a passagem de uma corrente elétrica através do corpo utilizando-o como um condutor. Esta passagem de corrente pode não causar nenhuma conseqüência mais grave além do susto. 

 

 

 

 

 

      (QUADRO SINÓTICO – EFEITOS DO CHOQUE ELÉTRICO)

 

A ruptura dielétrica da pele, segundo especialistas, se dá por volta de 1.500 volts quando então a resistência do corpo se reduz ao meio interno, na ordem de 5.000 OHMS.

  

Condições Orgânicas – Resistência Ôhmica do Corpo Humano   

 

– Resistência Cutânea varia de 100.000 OHMS a 600.000OHMS.

 

– Resistência Interna varia de 200 a 500 OHMS.

 

 

– Resistência Global é a soma da Resistência Cutânea mais a Resistência do meio interno.

 

 

 

 

 

    

O limiar de percepção do organismo humano em corrente contínua é da ordem de 5mA, e para corrente alternada é da ordem de 1mA.

 

 

  

(A-) Contatos com Condutores Regularmente Energizados por:

 

– Erro de equipamento ou linha;

 

– Contato imprevisto com condutores de fácil alcance;

 

– Desconhecimento da energização do equipamento ou linha;

 

– Desconhecimento técnico do equipamento, instalações ou circuitos;

 

 

– Contato com condutores energizados supondo que os mesmos foram desenergizados.

 

  

(B-)Condutores Acidentalmente Energizados por:

 

– Contato entre cabos elétricos em vãos de cruzamentos ou paralelos;

 

– Descargas elétricas atmosféricas;

  

– Erros de Manobras.

 

  

(C-)Contatos com Condutores Previsíveis de Energização:

 

– Indução Eletrostática ocorre em função da tensão existente na linha energizada próxima a linha desenergizada.

 

– Indução Eletromagnética ocorre em função da corrente (carga) existente na linha energizada próxima a linha desenergizada.

 

 – Tensões Estáticas ocorrem em função do atrito de ventos e umidade do ar.

 

  

MEDIDAS PREVENTIVAS segundo a NR-10

 

As principais medidas coletivas e preventivas contra o risco de contato com eletricidade são:

 

– Desenergização;

 

– Tensão de segurança;

 

– Secccionamento Automático da alimentação;

 

– Isolamento por obstáculos e barreiras;

 

-Aterramentos Elétricos e Equipotencialização;

 

– Sinalizações de identificação e advertência;

 

– Bloqueio do religamento automático;

 

– Isolação das partes vivas;

 

– Dispositivos a correntes de fugas.  

 

 

 

 

 

 

 

 

MEDIDAS DE CONTROLE DO RISCO ELÉTRICO-

 

A- Aterramento Funcional e de Proteção;

 

B- Equipotencialização;

 

C- Isolação Dupla ou Reforçada;

 

D- Secccionamento automático da alimentação;

 

E- Dispositivos de corrente de fuga;

 

F- Desernegização;

 

G-Proteção por extra-baixa tensão;

 

H- Barreiras e Invólucros;

 

I- Anteparos e Obstáculos.

 

 

Aterramento Elétrico na NR-10

 

– O aterramento das instalações elétricas deve ser executado conforme regulamentação estabelecida pelos órgãos competentes e, na ausência desta, deve atender as Normas Internacionais vigentes. 

 

– O projeto deve definir a configuração do esquema de aterramento a obrigatoriedade ou não da interligação entre o condutor neutro e o de proteção e a conexão à terra das partes condutoras não destinadas à condução da eletricidade.

 

– Sempre que for tecnicamente viável e necessário devem ser projetados dispositivos de seccionamento que incorporem recursos fixos de equipotencialização e aterramento do circuito seccionado.

 

 

– Os processos ou equipamentos susceptíveis de gerar ou acumular eletricidade estática devem dispor de proteção específica, e dispositivos de descarga elétrica.

 

 

O aterramento elétrico tem três funções principais:

 

(1-) Proteger o usuário do equipamento das descargas atmosféricas, através da viabilização de um caminho alternativo para a terra, de descargas atmosféricas.

 

 

(2-) Descarregar cargas estáticas acumuladas nas carcaças das máquinas ou equipamentos para a terra.

 

 

 

(3-) Facilitar o funcionamento dos dispositivos de proteção (fusíveis, disjuntores), através da corrente desviada para a terra.  

 

 

FUNÇÕES BÁSICAS DO ATERRAMENTO:

 

Segurança Pessoal

 

 

  

Desligamento Automático

 

 

 

  

Cargas Estáticas

 

 

 

Equipamentos Eletrônicos

 

 

 

 

Pergunta Importante: Se o neutro e o terra estão conectados ao mesmo ponto (haste de aterramento), porque um é chamado terra e o outro de neutro?

 

O neutro é um condutor fornecido pela concessionária de energia elétrica, pelo qual há o retorno da corrente.

 

O terra é um condutor construído através de uma haste metálica e que, em situações normais, não deve possuir corrente elétrica circulante.    

 

Conclusão: A grande diferença entre o terra e o neutro é que pelo neutro há corrente circulando e pelo terra , não.

 

 

 

Conceitos Básicos

 

 

 

Tensão de Contato é a tensão que aparece acidentalmente quando da falha de isolação, entre duas partes simultaneamente acessíveis.

 

    

Tensão de Toque se uma pessoa toca um equipamento sujeito à tensão de contato, pode ser estabelecida uma tensão entre mãos e pés chamada de tensão de toque.

 

 

 

 Tensão de Passo quando uma corrente elétrica é descarregada para o solo, surge em torno da haste do aterramento, surge um gradiente de potencial, cujo ponto máximo está próximo ao eletrodo e o mínimo em uma região bem distante. 

 

 

Pergunto: A resistência da terra é bem maior que a do cobre. Sendo que na prática metade da resistência do aterramento concentra-se na vizinhança de 15cmda haste. Portanto se a resistência de aterramento for de 25OHMS e passar uma corrente de 1.000A através da haste , qual será a tensão de passo que uma pessoa será submetida?

  

   U=R.I, então U=250/2X1000=12.500V.

 

 Uma pessoa em pé nessa região ficará submetida a uma tensão de 12.500Volts.

 

       

Como eliminamos a tensão de passo?

 

 

 

 

Eletrodo de Aterramento

 

 

 

 

 

O aterramento compreende:

 

 

 

Esquemas de Aterramento

 

– Sistema TN-S

 

 

– Sistema TN-C

  

 

– Sistema TT

 

   

 

                                                                         (TN-C)

 

                                                                           (TN-S)

 

 

   

 

                                                                        (TT)

 

Procedimentos de Aterramento

 

(A-) Haste de Aterramento: normalmente é feita de uma alma de aço revestida de cobre. Seu comprimento pode variar de 1,5m a 4,0m. As de 2,5m são as mais utilizadas , pois diminuem o risco de atingirem dutos subterrâneos em sua instalação.

 

(B-) O valor ideal para um bom aterramento deve ser menor ou igual a 5,0 ohms.

 

Dependendo da química do solo (quantidade de água, salinidade, alcalinidade, etc.) mais de uma haste pode se fizer necessária para nos aproximarmos deste valor.

 

 

Métodos para Redução da Resistência de Aterramento   

 

   Existem duas possibilidades:

 

  • Tratamento Químico do Solo.
  • Agrupamento de barras em paralelo.

 

 

 

Agrupamento de Hastes– uma boa regra para agruparem-se barras é a da formação de polígonos. Outra regra no agrupamento de barras é manter sempre a distância entre elas, o mais próximo possível do comprimento de uma barra.

 

Conexão– devemos optar em primeiro lugar pela fixação por solda do fio terra à haste. Isso evita o aumento da resistência do terra por oxidação de contato.

Caso isso não seja possível, poderemos utilizar anéis de fixação com parafusos.

 

 

  

 

 

 

Tratamento do Solo – a instalação em baixa tensão é proibida (por norma) o tratamento químico do solo para equipamentos a serem instalados em locais de acesso público (colunas de semáforos, caixas telefônicas, controladores de tráfego, etc.). Essa medida visa à segurança das pessoas nesses locais.

O tratamento do solo tem como objetivo alterar sua constituição química, aumentando o teor de água e sal e, conseqüentemente, melhorando sua condutividade. O tratamento químico deve ser o último recurso.     

 

 

1º Passo: Tratamento do Solo – cavar um buraco com aproximadamente 50 cm de diâmetro, por 50 cm de profundidade ao redor da haste.

 

 

 

 

2º Passo: Misturar metade da terra retirada, com ERICO-GEL.

 

 

3º Passo: Jogar a mistura dentro do buraco.

 

 

 

4º Passo: Jogar aproximadamente 25 litros de água na mistura que está no buraco.  

 

 

 

5ºPasso: Misturar tudo novamente.

 

 

6ºPasso: Tampar o buraco com a terra “virgem” que sobrou.

 

 

O instrumento clássico para medir a resistência do terra é o TERRÔMETRO “TERRAMETER”.

 

                                     TERRÔMETRO – FLUKE 1623

 

 

DISPOSITIVOS DE IDENTIFICAÇÃO E BLOQUEIO – LOTO – LOCKOUT AND TAGOUT.

 

 

Para realizarmos as devidas manobras de desernegização e energização nas instalações elétricas devemos segundo a NORMA NR-10 lançarmos mão de dispositivos de bloqueio e identificação.

 

Nesta semana uma coisa me chamou a atenção. Recebi um email de um profissional da área ambiental solicitando uma avaliação para licença ambiental de um navio de combustível “TANKER SHIP” para minha surpresa quando o nobre colega me enviou algumas fotos de bloqueio, tive um susto!

 

Esparadrapo com a seguinte informação “NÃO DESLIGAR”, logo a importância em estarmos sempre divulgando a NR-10 é essencial, pois moramos num país que infelizmente não tem profissionais em número suficiente para fiscalizar as áreas fabris, e o mais crítico é saber que este caso que acabei de relatar está acontecendo numa área extremamente nobre em normas e certificações, ÓLEO E GÁS, mas mesmo assim muitas empresas estão despreparadas para seguirem uma norma tão importante como a NR-10.

 

Abaixo : Identificação Inadequada – Fora da Norma NR-10.

         (Navio Tanque "TANKER SHIP")

Como referência para adquirirem produtos de qualidade indico a empresas BRADY (www.brady.com) , ÉRICO ( www.erico.com ) e FLUKE ( www.fluke.com ).

 

Na seqüência apresentarei várias fotos de aplicações com devidos produtos adequados para BLOQUEIO (LOCKOUT) e IDENTIFICAÇÃO ( TAGOUT).

 

 

 

 

 

BLOQUEIO PARA VASOS DE PRESSÃO/COMBUSTÍVEL

 

 

 

Identificação e Bloqueio para Válvula  Esfera.

 

 

Válvula Esfera – LUPATECH

 

 

 

Sistema de Identificação e Bloqueio para Interruptor 

 

 

Sistema de Bloqueio para Interruptor.

 

 

 

 

Bloqueio para Interruptor

 

 

 

 

 

Bloqueio Universal para Válvulas.

 

 

 

 

 

 

 

 

Dados Estatísticos do Setor Elétrico Nacional