WO2006005784A1 - Mejora de 'bus de campo' mediante la incorporación de conductores de tierra adicionales - Google Patents
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Definitions
- the object of the present invention consists in the improvement of "field buses” incorporating additional ground conductors in the "bus” cable, used for communications and power, to achieve greater immunity, against transient overvoltage disturbances, of the electronic modules distributed control connected to said "bus" cable.
- control electronics (21) are protected against said transient disturbances by installing protection components (25) (Zeners, Capacitors, Varistors, etc.) that allow to partially derive the earth disturbance (partial short-circuit) by the own conductor 0 V. of the "fieldbus", with which a certain immunity of the ELECTRONIC MODULE is achieved.
- protection components (25) Zeners, Capacitors, Varistors, etc.
- This classic solution has the limitation that the transient overvoltage when driving through the 0V conductor of the "fieldbus” generates transient voltage drops along said conductor and consequently the control electronics (21) take the risk of being affected now through their diet (24).
- said transient voltage drop is propagated along the conductor 0 V.
- the recovery of the distributed control system requires a "RESET” of the aforementioned affected modules, which constitutes a clear decrease of robustness and availability of the installation, together with the consequent increase in the operating cost.
- These malfunctions are more frequent and serious with the modern instrumentation, called “intelligent”, whose electronics are developed based on complex and powerful microcontrollers that are usually more sensitive.
- the invention presented here consists in modifying the multicoductor "bus" cable of the data transmission network, introducing several ground conductors with well-differentiated original functions, instead of just one, with which it is possible to increase the immunity of the entire system distributed against interference conducted on the network, normally received through the field connections of the electronic modules distributed by the industrial plant.
- FIGURES Figure 1 Typical distributed control system showing the conventional "bus" cable (1), consisting of 2 to 4 conductors for data transmission (2) and 2 power supply conductors (3), which allows, from the CONTROL UNIT (10), to intercommunicate and power the numerous "distributed" ELECTRONIC MODULES [(11), (12), ...] that connect directly with the different sensors and actuators (31) of the installation industrial to control.
- FIG. 1 Distributed control system with modified "bus” cable (1), by adding an additional earth conductor (4) for the protection of the "distributed" ELECTRONIC MODULE (11) against electrical disturbances.
- the invention prevents the disturbance from affecting the power supply of the electronic module (11), as well as the rest of the modules [(12), ... connected to the "bus", minimizing the typical malfunctions and blockages that teams suffer traditional of a distributed industrial control system.
- This increases the robustness and overall availability of the entire industrial distributed control system.
- the invention can be easily extended by adding several additional "Protection Earth” conductors, instead of just one, with the aim of further improving the effectiveness of the protection. It is intended that, in the case of simultaneous disturbances in several distributed electronic modules, the transient overcurrents do not add up on a single "Protection Earth” and do not cause excessive voltage drops that may affect other modules in the system.
- the wiring must be done so that each "Protection Earth” is connected to a subgroup of modules and that the total number of distributed modules in the system is distributed approximately equally among the different established subgroups.
- Figure 4 shows the same DISTRIBUTED ELECTRONIC MODULE (11) connected to a "fieldbus" modified with the invention: the multiconductor cable (1) is provided with an additional conductor (4) that acts as a protective earth.
- a modified "bus" cable is used with an additional protective earth conductor (4), which allows the protection components (25) to be connected as indicated in Figure 4, with which it is achieved that, in case of disturbance, the transient overcurrent (current of 4.3 A. previously calculated) will circulate through this conductor (4) and will not affect at all the potential of the conductor 0 V. of the "bus" cable (1) : now the proper functioning of the ELECTRONIC MODULE will not be affected.
- Said connection of the protection components (25) to the protection conductor (4) may be carried out more or less directly according to the type of ELECTRONIC MODULE (11) that is being used in each case.
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Abstract
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
TÍTULO
Mejora de "bus de campo" mediante Ia incorporación de conductores de tierra adicionales.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de Ia presente invención consiste en Ia 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 Ia inmunidad y disponibilidad del control distribuido de su proceso técnico.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En Ia 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 Ia 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 Ia instalación industrial a controlar. Los diferentes Módulos Electrónicos "Distribuidos" se intercomunican con Ia 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 Ia 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 Ia disparidad existente, a nivel de enlace físico Ia 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 Ia planta los que principalmente reciben las perturbaciones eléctricas sobre sus propias conexiones a campo con los sensores y actuadores de Ia 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 Ia propia planta, ...etc.
Con bastante frecuencia, las sobretensiones transitorias aparecen sobre los cables de conexión (32) del MODULO ELECTRÓNICO a los equipos de campo, principalmente como consecuencia de Ia 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 500 a 2.000 voltios, con frecuencias propias de uno a varios MHz, los cuales al estar conectados sobre Ia electrónica de control (21) pueden ocasionar un mal-funcionamiento del MODULO ELECTRÓNICO, con riesgo de bloqueo temporal e incluso de avería permanente.
Típicamente Ia 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 Ia perturbación a tierra (corto-circuito parcial) por el propio conductor 0 V. del "bus de campo", con Io cual se consigue una cierta inmunidad del MODULO ELECTRÓNICO. Esta solución, clásica, tiene sin embargo Ia limitación de que Ia sobretensión transitoria al circular por el conductor 0 V. del "bus de campo" genera unas caídas de tensión transitorias a Io largo dicho conductor y en consecuencia Ia electrónica de control (21 ) corre el riesgo
de verse afectada ahora a través de su alimentación (24). Además, puesto que Ia citada caída de tensión transitoria se propaga a Io largo del conductor 0 V. del "bus de campo", ahora Ia perturbación afectará a todos los MÓDULOS ELECTRÓNICOS 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 Ia perturbación y evitar que se dañe el propio equipo. A estos efectos existen ensayos normalizados, por ejemplo Ia 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 Ia derivación a tierra de Ia 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 Io 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 Ia perturbación sobre su propia entrada de alimentación Io cual genera fallos de funcionamiento e incluso bloqueo en algunos de ellos. En estas condiciones Ia recuperación del sistema de control distribuido requiere un "RESET" de los citados módulos afectados, Io cual constituye una clara merma de robustez y disponibilidad de Ia instalación, junto con el consiguiente aumento del coste de operación. Estos mal-funcionamientos son más frecuentes y graves con Ia 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" multicoductor de Ia red de transmisión de datos, introduciendo varios conductores de tierra con funciones originales bien diferenciadas, en vez de uno solo, con Io que se consigue aumentar Ia inmunidad de todo el sistema distribuido frente a interferencias conducidas en Ia red,
normalmente recibidas a través de las conexiones a campo de los módulos electrónicos distribuidos por Ia planta industrial.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS 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 Ia UNIDAD DE MANDO (10), intercomunicar y alimentar los numerosos MÓDULOS ELECTRÓNICOS "distribuidos" [(11), (12), ...] que conectan directamente con los diferentes sensores y actuadores (31) de Ia 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 Ia protección del MODULO ELECTRÓNICO "distribuido" (11) frente a perturbaciones eléctricas.
Figura 3.-Estructura típica de MODULO ELECTRÓNICO "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 Ia UNIDAD DE MANDO a través de Ia 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 Ia 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 ).
Figura 4.-Estructura típica de MODULO ELECTRÓNICO "distribuido" (11), similar al representado en Ia figura3, pero utilizando Ia nueva Tierra de Protecciones (4) correspondiente a Ia presente invención.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El enlace físico tradicional de un sistema de control distribuido corresponde a un cable "bus" multiconductor (1 ) tal como se indica en Ia 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 Ia figura 2, y en conectarlo a tierra en su extremo correspondiente a Ia Unidad de Mando (10). Según Ia figura 3, el MODULO ELECTRÓNICO 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 Ia 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, Ia cual se toma del propio "bus de campo" a través de sus conductores de alimentación (3), de manera que una vez conectados al MODULO ELECTRÓNICO Ie proporcionan Ia energía primaria para estabilizar los diferentes voltajes internos requeridos, utilizando para ello sus propios circuitos reguladores de 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 Ia invención evita que Ia perturbación afecte a Ia 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 Ia robustez y Ia disponibilidad global de todo el sistema de control distribuido industrial. Dada su gran simplicidad y mínimo coste, Ia invención puede ampliarse fácilmente añadiendo varios conductores adicionales de "Tierra de Protección", en vez de uno solo, con el objetivo de mejorar todavía más Ia eficacia de Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia presente invención consigue dar una solución simple y económica para mejorar notablemente Ia 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 sobre Ia corriente de retorno por el conductor de "OV." del "bus". El efecto es equivalente a un ruido conducido, con una importante componente de alta frecuencia, creando sobretensiones transitorias a Io largo del conductor OV. del cable "bus" que podrían perturbar al resto de módulos distribuidos. En estas circunstancias, Ia 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 Ia electrónica de control, normalmente de bajo consumo. De esta manera, Ia 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".
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención permite mejorar notablemente Ia 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 ELECTRÓNICO 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 ELECTRÓNICO DISTRIBUIDO (11 ) conectado a un "bus de campo" modificado con Ia 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 Ia perturbación transitoria:
Picos de Tensión » 1000 V.
Frecuencia propia « 1 MHz Impedancia interna « 200 Ω
Características de los conductores del cable "bus": Longitud » 10 m. Resistencia « 20 mΩ/m. Inductancia « 500 nH/m.
Por tanto a 1 MHz Ia impedancia del conductor 0 V. del cable "bus" (1 ) resulta:
Z = [(10 x 0,02)2 + (2π 10"6 x 10 x 0,5 10"6 f ]1/2 ∞ 32 Ω
y se deduce que, despreciando Ia caída de tensión en los componentes de protección (25), Ia sobrecorriente transitoria que circulará por el conductor 0 V. del cable "bus" (1) alcanzará valores importantes como: l(0 V.)τrans!tor¡a « 1000 V. / (200+ 32) « 4,3 A.
y en consecuencia el citado conductor 0 V. del cable "bus" (1 ) sufrirá unas variaciones transitorias de tensión: V(O V.)τran.¡torio « 4,3 A. X 32 Ω » 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 ELECTRÓNICO (11) y del resto de MÓDULOS ELECTRÓNICOS "distribuidos" [(12), ...] que estén conectados al mismo conductor 0 V. del cable "bus" (1 ).
Ahora bien, con Ia 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 Ia figura 4, con Io que se consigue que, en caso de perturbación, Ia 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 ELECTRÓNICO 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 ELECTRÓNICO (11 ) que se esté utilizando en cada caso. En efecto, algunos MODULO ELECTRÓNICOS 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 MÓDULOS ELECTRÓNICOS no están equipados de borne de tierra para protecciones y entonces se requerirá una instalación de los componentes de protección externa al MODULO ELECTRÓNICO, conectándolos entre Ia conexión del
propio MODULO a equipos de campo (31) y el conductor (4) de tierra de protección del "bus" (1).
Claims
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 Ia unidad de mando para conseguir mejorar Ia 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 Ia 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 Ia inmunidad de los módulos electrónicos distribuidos del sistema frente a variaciones bruscas del consumo eléctrico de los circuitos de potencia.
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| ES2255397B1 (es) | 2007-07-16 |
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