ES2255397B1 - Mejora de "bus de campo" mediante la incorporacion de conductores de tierra adicionales. - Google Patents
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Abstract
Mejora de "bus de campo" mediante la incorporación de conductores de tierra adicionales. El objeto de la presente invención consiste en la mejora de "buses de campo" incorporando conductores de tierra adicional en el cable "bus" utilizado para comunicaciones y alimentación, para conseguir una mayor inmunidad contra perturbaciones transitorias de sobretensión de los módulos electrónicos de control distribuido conectados a dicho cable "bus". Su campo de aplicación se extiende a todo el sector industrial que esté dotado de un sistema de control descentralizado por "bus de campo" y que desee mejorar la inmunidad y disponibilidad del control distribuido de su proceso técnico.
Description
Mejora de "bus de campo" mediante la
incorporación de conductores de tierra adicionales.
El objeto de la presente invención consiste en
la mejora de "buses de campo" incorporando conductores de
tierra adicional en el cable "bus", utilizado para
comunicaciones y alimentación, para conseguir una mayor inmunidad,
contra perturbaciones transitorias de sobretensión, de los módulos
electrónicos de control distribuido conectados a dicho cable
"bus".
Su campo de aplicación se extiende a todo el
sector industrial que esté dotado de un sistema de control
descentralizado por "bus de campo" y que desee mejorar la
inmunidad y disponibilidad del control distribuido de su proceso
técnico.
En la configuración de sistemas de supervisión y
control de máquinas o instalaciones industriales se utilizan cada
vez más los sistemas basados en un cableado de tipo "bus de
campo" mediante el cual se intercomunican los diversos módulos
electrónicos de control distribuido consiguiendo un importante
ahorro de cableado y una notable mejora de la flexibilidad del
conjunto.
Un sistema típico de control distribuido está
constituido por una serie de Módulos Electrónicos
"Distribuidos" que conectan directamente con los diferentes
sensores y actuadores de la instalación industrial a controlar. Los
diferentes Módulos Electrónicos "Distribuidos" se
intercomunican con la Unidad de Mando, de categoría superior,
mediante una transmisión digital de datos sobre un único cable
"bus"
Existen numerosos "buses de campo",
diferentes entre sí en cuanto a su arraigo sectorial y nacional y
con una cierta disparidad debida a la continua evolución
tecnológica y a los contrapuestos intereses comerciales, aunque
todos ellos con una sólida penetración en el mercado: PROFIBUS,
Foundation FIELBUS, World FIP, ASI, CAN, DEVICENET, LON, INTERBUS,
etc.
A pesar de la disparidad existente, a nivel de
enlace físico la mayoría de los "buses de campo" coinciden en
utilizar un cable "bus" de comunicaciones constituido por dos o
cuatro hilos para transmisión digital de datos, con velocidades
desde algunos Kbits/s hasta varios Mbits/s, y por otros dos hilos
adicionales para alimentación de los equipos distribuidos,
típicamente 0 V. (Tierra) y 24 V.
Con estas arquitecturas distribuidas, para
lograr una alta disponibilidad y obtener un funcionamiento
satisfactorio de todo el sistema, es crítico el conseguir una
elevada inmunidad a las interferencias y el evitar que el efecto de
estas no se propague a los diferentes módulos interconectados sobre
el mismo cable "bus". En cualquier caso son los módulos
electrónicos distribuidos por la planta los que principalmente
reciben las perturbaciones eléctricas sobre sus propias conexiones
a campo con los sensores y actuadores de la instalación a
controlar. Normalmente, dichas perturbaciones son sobretensiones
transitorias originadas por múltiples causas, entre otras por
apertura/cierre de interruptores, por arranque/paro de motores de la
propia planta, ...etc.
Con bastante frecuencia, las sobretensiones
transitorias aparecen sobre los cables de conexión (32) del MODULO
ELECTRONICO a los equipos de campo, principalmente como
consecuencia de la conmutación de cargas inductivas, arranque/parada
de motores, apertura/cierre de interruptores, etc. Estas
sobretensiones transitorias inducen sobre los citados conductores
(32) unos picos de tensión de 5 00 a 2.000 voltios, con frecuencias
propias de uno a varios MHz, los cuales al estar conectados sobre
la electrónica de control (21) pueden ocasionar un
mal-funcionamiento del MODULO ELECTRONICO, con
riesgo de bloqueo temporal e incluso de avería permanente.
Típicamente la electrónica de control (21) se
protege frente a las citadas perturbaciones transitorias instalando
unos componentes (25) de protección (Zeners, Condensadores,
Varistores, etc.) que permiten derivar en parte la perturbación a
tierra (corto-circuito parcial) por el propio
conductor 0 V. del "bus de campo", con lo cual se consigue una
cierta inmunidad del MODULO ELECTRONICO. Esta solución,
clásica, tiene sin embargo la limitación de que la
sobretensión transitoria al circular por el conductor 0 V. del
"bus de campo" genera unas caídas de tensión transitorias a lo
largo dicho conductor y en consecuencia la electrónica de control
(21) corre el riesgo de verse afectada ahora a través de su
alimentación (24). Además, puesto que la citada caída de tensión
transitoria se propaga a lo largo del conductor 0 V. del "bus de
campo", ahora la perturbación afectará a todos los MODULOS
ELECTRONICOS conectados al mismo "bus".
En estas condiciones, cada equipo electrónico
distribuido debe estar diseñado para soportar dichas sobretensiones
y mantenerse en correcto funcionamiento. Para ello, su electrónica
de interfase puede utilizar una serie de componentes de protección
(condensadores, zener, varistores, ...) con el objetivo de facilitar
unos caminos de baja impedancia a tierra para derivar la
perturbación y evitar que se dañe el propio equipo. A estos efectos
existen ensayos normalizados, por ejemplo la normativa
EN-61000-4-4, que
permiten testar y garantizar un cierto grado de inmunidad de dichos
equipos electrónicos.
Sin embargo, estos mismos equipos, una vez
conectados al "bus de campo", ven notablemente disminuida su
capacidad de inmunidad frente a perturbaciones ya que la derivación
a tierra de la perturbación se realiza por conducción de
sobrecorrientes transitorias sobre el hilo "0 V." del propio
"bus": este conductor, al tener una longitud apreciable, dista
mucho de corresponder a un circuito de baja impedancia, sobre todo
si se tiene en cuenta que las perturbaciones tienen normalmente una
frecuencia relativamente elevada. En consecuencia aparecen
apreciables sobretensiones transitorias a lo largo del citado hilo
"0 V." del "bus" y puesto que este mismo hilo conductor
lleva el "0 V." de alimentación a los equipos distribuidos,
todos ellos sufren la perturbación sobre su propia entrada de
alimentación lo cual genera fallos de funcionamiento e incluso
bloqueo en algunos de ellos. En estas condiciones la recuperación
del sistema de control distribuido requiere un "RESET" de los
citados módulos afectados, lo cual constituye una clara merma de
robustez y disponibilidad de la instalación, junto con el
consiguiente aumento del coste de operación.
Estos mal-funcionamientos son
más frecuentes y graves con la moderna instrumentación, denominada
"inteligente", cuya electrónica esta desarrollada en base a
complejos y potentes microcontroladores que normalmente son más
sensibles.
La invención aquí presentada consiste en
modificar el cable "bus" multiconductor de la red de
transmisión de datos, introduciendo varios conductores de tierra con
funciones originales bien diferenciadas, en vez de uno solo, con lo
que se consigue aumentar la inmunidad de todo el sistema
distribuido frente a interferencias conducidas en la red,
normalmente recibidas a través de las conexiones a campo de los
módulos electrónicos distribuidos por la planta industrial.
Figura 1.- Sistema típico de control distribuido
donde se muestra el cable "bus" convencional (1), constituido
por 2 a 4 conductores para transmisión de datos (2) y por 2
conductores de alimentación eléctrica (3), que permite, desde la
UNIDAD DE MANDO (10), intercomunicar y alimentar los numerosos
MODULOS ELECTRONICOS "distribuidos" [(11), (12), ...] que
conectan directamente con los diferentes sensores y actuadores (31)
de la instalación industrial a controlar.
Figura 2.- Sistema de control distribuido con
cable "bus" (1) modificado, mediante el añadido de un
conductor de tierra adicional (4) para la protección del MODULO
ELECTRONICO "distribuido" (11) frente a perturbaciones
eléctricas.
Figura 3.- Estructura típica de MODULO
ELECTRONICO "distribuido" (11) convencional conectado por un
lado al cable "bus" (1) y por el otro a los equipos de campo
(31). El MODULO está constituido básicamente por una Electrónica de
Control (21), donde se incluyen microcontroladores y circuitos
integrados auxiliares, que recibe (22) y transmite (23) datos con
la UNIDAD DE MANDO a través de la conexión con los conductores de
transmisión de datos (2) del "bus" y que para su
funcionamiento toma unas tensiones propias de alimentación generadas
por los reguladores (24) a partir de los 24 V. y 0 V. suministrados
por la conexión a los conductores de alimentación (3) del
"bus". Dicha Electrónica de Control (21) está protegida,
mediante los componentes adecuados (25) conectados al 0 V., frente a
las posibles sobretensiones transitorias (32) provenientes de las
conexiones a los equipos de
campo (31).
campo (31).
Figura 4.- Estructura típica de MODULO
ELECTRONICO "distribuido" (11), similar al representado en la
figura 3, pero utilizando la nueva Tierra de Protecciones (4)
correspondiente a la presente invención.
El enlace físico tradicional de un sistema de
control distribuido corresponde a un cable "bus"
multiconductor (1) tal como se indica en la figura 1. Normalmente
dicho cable "bus" tradicional está constituido por dos o
cuatro conductores para transmisión de datos (2) y por otros dos
conductores para alimentación eléctrica (3) de los diversos módulos
electrónicos [(11), (12), ...] conectados al "bus".
La presente invención consiste en incorporar un
conductor adicional (4) al cable "bus", tal como se indica en
la figura 2, y en conectarlo a tierra en su extremo correspondiente
a la Unidad de Mando (10).
Según la figura 3, el MODULO ELECTRONICO está
constituido por una electrónica de control (21), con uno o varios
circuitos de tipo microcontrolador junto con sus correspondientes
circuitos auxiliares, capacitada para realizar las tareas de
específicas de supervisión y mando a través de su conexión a los
pertinentes equipos de campo (31): sensores y/o actuadores que
interactúan sobre el proceso técnico a controlar. Por otra parte,
dicha electrónica de control (21) se comunica con la UNIDAD DE
MANDO, de categoría superior, a través de los circuitos de recepción
de datos (22) y de transmisión de datos (23), los cuales deberán
conectarse a los conductores de datos (2) del "bus de campo".
Adicionalmente, para el funcionamiento de toda esta electrónica se
requiere el suministro de una energía eléctrica, la cual se toma del
propio "bus de campo" a través de sus conductores de
alimentación (3), de manera que una vez conectados al MODULO
ELECTRONICO le proporcionan la energía primaria para estabilizar
los diferentes voltajes internos requeridos, utilizando para ello
sus propios circuitos reguladores de
tensión (24).
tensión (24).
Gracias al conductor adicional (4), véase figura
4, cada módulo electrónico conectado al "bus de campo" puede
derivar las perturbaciones, normalmente recibidas sobre las
conexiones de Input/Output al proceso industrial (31), mediante
sobrecorrientes transitorias que circulan por esta nueva "Tierra
de Protecciones" (4), generando un ruido conducido que
ahora circula por el nuevo conductor independiente y por tanto no
afecta al nivel de tensión del "0 V." de alimentación del
"bus".
De esta manera la invención evita que la
perturbación afecte a la alimentación del módulo electrónico (11),
así como del resto de módulos [(12), ...] conectados al "bus",
minimizando los típicos mal-funcionamientos y
bloqueos que sufren los equipos tradicionales de un sistema
distribuido de control industrial. Con ello se aumenta la robustez
y la disponibilidad global de todo el sistema de control distribuido
industrial. Dada su gran simplicidad y mínimo coste, la invención
puede ampliarse fácilmente añadiendo varios conductores adicionales
de "Tierra de Protección", en vez de uno solo, con el objetivo
de mejorar todavía más la eficacia de la protección. Se pretende
con ello que, en caso de perturbaciones simultaneas en varios
módulos electrónicos distribuidos, las sobrecorrientes transitorias
no se sumen sobre un única "Tierra de Protección" y no
originen excesivas caídas de tensión que puedan afectar a otros
módulos del sistema. El cableado deberá hacerse de manera que cada
"Tierra de Protección" quede conectada a un subgrupo de
módulos y que el número total de los módulos distribuidos del
sistema quede repartido aproximadamente por igual entre los
distintos subgrupos establecidos.
La ampliación de la invención con el aumento del
número de conductores adicionales de tierra resulta normalmente
interesante en aquellos sistemas de control con un elevado número
de equipos distribuidos que además tengan grandes y frecuentes
perturbaciones (sistemas ruidosos).
El estado actual de la fabricación de cables
multiconductores hace que el sobre-costo originado
por añadir un conductor adicional sea muy pequeño. Además, dado que
el costo del propio cable "bus" es solo una pequeña parte del
costo total del "cable instalado" en campo, resulta que la
presente invención consigue dar una solución simple y económica
para mejorar notablemente la inmunidad frente a perturbaciones
eléctricas de los módulos electrónicos conectados a un "bus de
campo".
Por otro lado, cualquiera de los módulos
electrónicos distribuidos que origine modificaciones importantes y
bruscas en su consumo eléctrico (controles ON/OFF de motores, por
ejemplo) estará generando notables variaciones s obre la corriente d
e retorno por el conductor de "0 V." del "bus". El efecto
es equivalente a un ruido conducido, con una importante componente
de alta frecuencia, creando sobretensiones transitorias a lo largo
del conductor 0 V. del cable "bus" que podrían perturbar al
resto de módulos distribuidos.
En estas circunstancias, la invención puede
ampliarse incorporando un nuevo conductor adicional de tierra en el
cable "bus" de manera que permita su utilización para el
retorno de alimentación de los circuitos de potencia del módulo
electrónico, separándolo así del conductor 0 V. tradicional del
"bus" que quedaría reservado para retorno de la electrónica de
control, normalmente de bajo consumo.
De esta manera, la invención también puede
utilizarse para evitar que aquellos módulos electrónicos
distribuidos del sistema que tengan consumos de cierta potencia
puedan afectar al funcionamiento de los restantes módulos
distribuidos sobre el "bus".
La presente invención permite mejorar
notablemente la inmunidad, frente a perturbaciones eléctricas
transitorias, de los módulos de control distribuido conectados al
"bus de campo".
La figura 3 muestra a nivel esquemático un
MODULO ELECTRONICO DISTRIBUIDO (11) conectado a un "bus de
campo" típico, sin incorporar el conductor de tierra adicional,
constituido por un cable multiconductor (1) con 2 a 4 conductores
para transmisión de datos (2) y con 2 conductores para alimentación
eléctrica (3) con 0 V. y 24 V. respectivamente.
La figura 4 muestra el mismo MODULO ELECTRONICO
DISTRIBUIDO (11) conectado a un "bus de campo" modificado con
la invención: el cable multiconductor (1) está dotado de un
conductor adicional (4) que actúa de tierra de protección.
Concretando el ejemplo con valores numéricos, se
pueden considerar los siguientes valores típicos:
Características de la perturbación
transitoria:
- Picos de Tensión \approx 1000 V.
- Frecuencia propia \approx 1 MHz
- Impedancia interna \approx 200 \Omega
\vskip1.000000\baselineskip
Características de los conductores del cable
"bus":
- Longitud \approx 10 m.
- Resistencia \approx 20 m\Omega/m.
- Inductancia \approx 500 nH/m.
Por tanto a 1 MHz la impedancia del conductor 0
V. del cable "bus" (1) resulta:
Z = [(10 \ x
\ 0,02)^{2} + (2\pi \ 10^{6} \ x \ 10 \ x \ 0,5 \
10^{-6})^{2}]^{1/2} \approx 32 \
\Omega
y se deduce que, despreciando la
caída de tensión en los componentes de protección (25), la
sobrecorriente transitoria que circulará por el conductor 0 V. del
cable "bus" (1) alcanzará valores importantes
como:
I(0 \
V.)_{Transitoria} \approx 1000 \ V. / (200+ 32) \approx 4,3 \
A.
y en consecuencia el citado
conductor 0 V. del cable "bus" (1) sufrirá unas variaciones
transitorias de
tensión:
V(0 \
V.)_{Transitorio} \approx 4,3 \ A. \ x \ 32 \ \Omega \approx 140 \
V.
lo cual constituye un nivel de
fluctuación de tensión importante que afecta a la electrónica de
control (21) a través de sus propios circuitos de alimentación (24)
y resulta peligroso para el buen funcionamiento del propio MODULO
ELECTRONICO (11) y del resto de MODULOS ELECTRONICOS
"distribuidos" [(12), ...] que estén conectados al mismo
conductor 0 V. del cable "bus"
(1).
Ahora bien, con la presente invención se utiliza
un cable "bus" modificado con un conductor adicional (4) de
tierra de protección, el cual permite conectar los componentes de
protección (25) tal como se indica en la figura 4, con lo que se
consigue que, en caso de perturbación, la sobrecorriente transitoria
(corriente de 4,3 A. antes calculada) circulará por este conductor
(4) y no afectará para nada el potencial del conductor 0 V. del
cable "bus" (1): ahora el buen funcionamiento del MODULO
ELECTRONICO no se verá afectado.
La citada conexión de los componentes de
protección (25) al conductor de protección (4) podrá realizarse más
o menos directamente según el tipo de MODULO ELECTRONICO (11) que
se esté utilizando en cada caso. En efecto, algunos MODULO
ELECTRONICOS disponibles en el mercado ya están equipados de una
borne de tierra para protecciones y basta con conectar dicha borne
al cable (4) de tierra de protección del propio "bus"(1),
evitando otras soluciones más costosas que requieren tendido de
cable adicional y nuevas tomas de tierra. En otros casos, los
MODULOS ELECTRONICOS no están equipados de borne de tierra para
protecciones y entonces se requerirá una instalación de los
componentes de protección externa al MODULO ELECTRONICO,
conectándolos entre la conexión del propio MODULO a equipos de campo
(31) y el conductor (4) de tierra de protección del "bus"
(1).
Claims (3)
1. Mejora de "bus de campo" que comprende
dos o cuatro conductores para transmisión de datos y otros dos
conductores para alimentación eléctrica caracterizada por
incorporar un conductor adicional conectado a tierra en un extremo
correspondiente a la unidad de mando para conseguir mejorar la
inmunidad de los módulos electrónicos distribuidos del sistema
frente a perturbaciones eléctricas.
2. Mejora de "bus de campo" que comprende
dos o cuatro conductores para transmisión de datos y otros dos
conductores para alimentación eléctrica según reivindicación 1,
caracterizada porque cada conductor adicional está conectado
a un subgrupo de módulos, quedando el número total de los módulos
distribuidos del sistema repartido por igual entre los distintos
subgrupos establecidos.
3. Mejora de "bus de campo" que comprende
dos o cuatro conductores para transmisión de datos y otros dos
conductores para alimentación eléctrica según reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque la incorporación de un
nuevo conductor adicional de tierra en el cable bus, permite su
utilización para el retorno de alimentación de los circuitos de
potencia de los módulos electrónicos distribuidos, para conseguir
mejorar la inmunidad de los módulos electrónicos distribuidos del
sistema frente a variaciones bruscas del consumo eléctrico de los
circuitos de potencia.
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20060616 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2255397B1 Country of ref document: ES |