IBP501_07 CONTROLE DE INTERFERÊNCIA NA INSTALAÇÃO E NA OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO Roberto Menna Barreto 1. Resumo. Abstract

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1 IBP501_07 CONTROLE DE INTERFERÊNCIA NA INSTALAÇÃO E NA OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO Rbert Menna Barret 1 Cpyright 2007, Institut Brasileir de Petróle e Gás - IBP Este Trabalh Técnic fi preparad para apresentaçã n 2007, realizad ns dias 9 e 10 de mai de 2007, n Ri de Janeir. Este Trabalh Técnic fi selecinad para apresentaçã pel Cmitê Técnic d Event, seguind as infrmações cntidas na sinpse e n text final submetid pel(s) autr(es). O cnteúd d Trabalh Técnic, cm apresentad, nã fi revisad pel IBP. Os rganizadres nã irã traduzir u crrigir s texts recebids. O material cnfrme, apresentad, nã necessariamente reflete as piniões d Institut Brasileir de Petróle e Gás, Sócis e Representantes. É de cnheciment e aprvaçã d(s) autr(es) que este Trabalh Técnic seja publicad ns Anais d Resum A área da Cmpatibilidade Eletrmagnética (EMC) em Sistemas Autmaçã é naturalmente cmplexa, ind desde sistema de eletrds de terra até as cmpnentes em placas de circuit impress; ds Hertz as GigaHertz, ds ua/uv as ka/kv, etc.. Este estud analisa a sutileza ds prblemas de interferência sempre presentes neste ambiente e prpõe uma metdlgia pr frma a se garantir a peraçã crreta, e um menr cust assciad, quand da instalaçã e da manutençã de Sistemas de Autmaçã. Abstract The Electrmagnetic Cmpatibility (EMC) area applied t Instrumentatin and Autmatin Systems is intrinsically cmplex, ging frm Earth Electrdes t cmpnents in PCB s; frm Hertz t GigaHertz; frm ua/uv t ka/kv; etc. This paper analyzes the different subtitles in this scenari and suggests a methdlgy t vercme electrmagnetic interference prblems in such Systems in rder t guarantee their crrect perfrmance and the lwest related csts. 1. A natureza ds prblemas de interferência eletrmagnética Quand abrdams a peraçã de Sistemas de Autmaçã, sms cm que induzids a pensar na Lógica Clássica, caracterizada pr dis valres exclusivs (verdadeir u fals), u Lógica d Terceir Excluíd (nem verdadeir nem fals). A cnsiderarms a instalaçã de Sistemas de Autmaçã, naturalmente transprtams esta frma extremamente simplificada de pensament para mund e sms impelids a clcar na categria de magia negra tud que cntraria uma determinada estrutura lógica pré-cncebida de funcinament, cm às vezes sã referids s prblemas de interferência eletrmagnética. Para entenderms a natureza ds prblemas de interferência eletrmagnética em Sistemas de Autmaçã, é cnveniente cnsiderarms a Era da Mdernidade, que ainda vivems, cm a efetivaçã da Lógica da Dupla Diferença, qual seja, que sã feitas duas partições da realidade (duas diferenças) pr frma a permitir a sistematizaçã d mund. Em utras palavras, a realidade é empbrecida para um univers menr (primeira diferença), nde pdems entã estudar as entidades neste univers menr num cntext mais simplificad, permitind assim a elabraçã das leis da física. 1 Engenheir em Cmpatibilidade Eletrmagnética, Diretr Técnic QUEMC Ltda.

2 A grande mairia ds prblemas de interferência acntece exatamente pela nã bservância desta simplificaçã da realidade. Quand é pssível uma aprximaçã para baixas freqüências, um circuit pde ser descrit em terms de cmpnentes nrmais assim cm resistências, capacitâncias e indutâncias, e é entã pssível desenvlviment de cálculs nrmais. Entretant, quand as dimensões d circuit nã pdem mais ser cnsideradas cm pequenas em relaçã a cmpriment de nda, as prpriedades de radiaçã d circuit já nã pdem mais ser ignradas (u seja, univers empbrecid pr esta primeira diferença nã atende às necessidades d estud). Também, a cnsiderarms s dis cndutres num circuit (fnte, carga e cndutres de ida e retrn), devems distinguir entre duas frmas de circulaçã de crrente: md diferencial, sinal desejad, significand que a crrente flui da fnte para a carga pr um cndutr e retrna pel utr; e md cmum, sinal indesejad (ruíd), significand que a crrente flui na mesma direçã em ambs s cndutres d circuit, retrnand pr um terceir cndutr, em geral uma Massa/grund. O circuit de Md Cmum pde ter uma existência material, cm n cas nde ambas a Fnte de Sinal e a Carga estã cnectadas diretamente a uma referência ( Terra/Massa/grund ) em diferentes pnts. Neste cas, a fnte de crrente em md cmum pde ser uma diferença de ptencial entre estes dis pnts de referência ( Terra/Massa/grund ), a qual frça flux de crrente em ambs s cndutres num mesm sentid. Muitas vezes, s circuits pr nde fluem crrentes em md cmum nã têm uma cnexã material para fechar lp para uma referência ( Terra/Massa/grund ). Ist pde ser entendid cnsiderand-se que capacitâncias parasitas fecham lp para a referência ( Terra/Massa/grund ) num ds extrems d circuit. As crrentes em md cmum sã respnsáveis pela mair parte ds prblemas de interferência que aparecem em Sistemas de Autmaçã. 2. Perturbações eletrmagnéticas e seus efeits em sistemas de autmaçã Cmpatibilidade Eletrmagnética (EMC Electrmagnetic Cmpatibility) pde ser definida cm a capacidade de um circuit, equipament u sistema para funcinar satisfatriamente n seu ambiente eletrmagnétic sem intrduzir, ele própri, perturbações eletrmagnéticas intleráveis para qualquer element daquele ambiente. Os fenômens eletrmagnétics que pdem afetar desempenh de Sistemas de Autmaçã cmpreendem: fenômens cnduzids de baixa frequência harmônicas, inter-harmônicas sistemas de sinalizaçã na rede flutuações de tensã variaçã da frequência da rede tensões induzidas de baixa frequência DC n sistema AC fenômens de camps radiads de baixa frequência camps magnétics (cntínus u transitóris) camps elétrics fenômens cnduzids de alta frequência tensões u crrentes induzidas (CW) transitóris unidirecinais transitóris scilatóris 2

3 fenômens de camps radiads de alta frequência camps magnétics camps elétrics camps eletrmagnétics (CW, transitóris) fenômen de descargas eletrstáticas Os efeits e cnseqüências destas diferentes classes de fenômens eletrmagnétics em Sistemas de Autmaçã estã diretamente relacinads cm as funções desempenhadas pr um sistema de cntrle específic, e s prcesss envlvids. Estas funções incluem prteçã/teleprteçã, regulaçã e prcessament em temp real, cntadres, cntrle e cmand, supervisã, alarme, aquisiçã de dads e armazenament, mediçã, etc. Dependend ds tips de fenômens eletrmagnétics (cnduzids u radiads, alta u baixa freqüência) e das prtas de entrada d equipament envlvidas (prta AC de entrada/saída; prta DC de entrada/saída; gabinete; prta de sinal para cnexões lcais, cnexões de camp, para equipament de alta tensã e telecmunicações; e prta de aterrament), efeit de perturbações eletrmagnéticas pde ser limitad a uma única funçã u a um grande númer delas. Para cada funçã deverá ser definid um critéri específic quant à influência de perturbações eletrmagnéticas. Assim, pr exempl, para a mediçã pderá ser assumid critéri de que sistema tenha garantid desempenh crret quand sujeit a fenômens eletrmagnétics cntínus, prém send tlerável uma degradaçã temprária cm recuperaçã autmática quand sujeit a fenômens eletrmagnétics transitóris. Para a regulaçã e prcessament em temp real, pderá ser especificad que nenhuma degradaçã de desempenh é tlerada quand sujeit a fenômens eletrmagnétics cntínus u esprádics. 3. O sistema de aterrament cm sluçã para cntrle de interferência Para se eliminar as interferências eletrmagnéticas riundas ds diferentes fenômens eletrmagnétics relacinads acima, e bter uma cnfiguraçã EMC, tems inicialmente que identificar a fnte de perturbaçã eletrmagnética ( que está gerand as perturbações eletrmagnéticas, que tant pde ser interna cm externa a sistema), mecanism de acplament (cm que as perturbações eletrmagnética geradas sã acpladas a circuit) e receptr ( circuit que está send afetad). Entã é pssível slucinar prblema trabalhand-se num u mais destes cmpnentes para se reduzir ruíd acplad. Na instalaçã de Sistemas de Autmaçã pdems cnsiderar que nã é nrmalmente cnveniente se trabalhar nem n receptr e muitas vezes nem na fnte de perturbaçã eletrmagnética. Nã é cnveniente se trabalhar n receptr uma vez que equipament já estaria definid pel fabricante e pde nã ser cnveniente se trabalhar nas fntes de perturbações eletrmagnéticas, principalmente se estas já tiverem sid implementadas. Ns resta entã trabalhar n acplament! Perturbações EM sã acpladas em circuits eletrônics através de três mecanisms básics: acplament capacitiv (camps elétrics), acplament indutiv (camps magnétics) e acplament pr impedância cmum (de aterrament). Praticamente tdas as técnicas que se aplicam para a eliminaçã destes mecanisms de acplament, assim cm filtragem, blindagem, balanceament, etc., estã diretamente relacinadas cm sistema de aterrament. Pr exempl, para se evitar acplament de camps magnétics em cabs de sinal, a técnica básica é a eliminaçã da área d lp definida pel flux de crrente uma blindagem pde ser usada neste sentid, prém seu us é rientad para a reduçã da área d lp, ist é, cm a blindagem é aterrada. Desta frma, a essência da cmpatibilidade eletrmagnética de um Sistema de Autmaçã, cm caracterizad acima, é seu própri sistema de aterrament. Muitas vezes sistema de aterrament é cnfundid inadvertidamente cm cnceit de malha de terra um baix valr de resistência de terra nã é relevante para EMC. 3

4 4. O sistema de aterrament cm causa ds prblemas de interferência O sistema de aterrament, que deve ser vist nã cm um circuit para a equalizaçã de ptencial mas sim cm um circuit para favrecer flux de crrente sb a menr indutância pssível, assume assim principal papel em instalações de Sistemas de Autmaçã e deve ser prjetad para, em cnjunt cm as técnicas EMC aplicadas (blindagem, filtragem, etc.): 1. Evitar que perturbações eletrmagnéticas sejam acpladas ns circuits; 2. Evitar que as perturbações eletrmagnéticas acpladas ns circuits pssam casinar avarias u errs de funcinament. Numa instalaçã pdem existir diferentes Sistemas de Terra, cm sã nrmalmente chamads, assim cm: Terra AC; Terra DC; Terra de RF; Terra de prteçã; Terra de sinal; Terra d pára-rais; etc. Além diss, existem diverss pnts ( grund pints ) para serem aterrads nestes diferentes Sistemas de Terra, assim cm Terra (Massa) lógic, Terra (Massa) da carcaça, Terra (Massa) da blindagem, etc. A razã destes diferentes Sistemas de Terra mencinads acima é a necessidade de diferentes funções a serem executadas, tais cm: frneciment de uma tensã de referência para a alimentaçã AC/DC; a prteçã das pessas cntra chques elétrics; a limitaçã de surts para s equipaments n cas de faltas n sistema de energia; a reduçã d ruíd elétric através d frneciment de caminhs de baixa impedância e eliminaçã de lps de terra ; a dissipaçã das crrentes de rais; entre utras. A razã destes diferentes pnts para serem aterrads é a necessidade de se frnecer diferentes referências para a peraçã ds circuits cnsiderads. O circuit interligand tds estes diferentes Terras, Massas, Grunds, etc., é chamad de Sistema de Aterrament, qual requer um prjet específic, e muit precis, para atender às necessidades de segurança e prteçã cntra rais e, a mesm temp, garantir cntrle de interferência numa instalaçã. Nã existe um pré-prjet para a implementaçã de sistemas de aterrament cada instalaçã de Sistema de Autmaçã tem as suas próprias particularidades! E para fazer as cisas ainda pires, existe dilema: quem fica encarregad destes Sistemas de Terra? Pr um lad, s prfissinais da área de Engenharia Elétrica cstumam ficar encarregads ds Sistemas de Terra devid a razões históricas, prém eles estã preparads para trabalhar essencialmente cm dezenas/centenas de Amperes e 50/60 Hertz, e desta frma têm uma certa dificuldade para tratament ds sinais de ma/mhz presentes nas cnfigurações ds cabs em que trabalham, que representam exatamente s prblemas de interferência; Pr utr lad, s prfissinais da área de Engenharia Eletrônica estã direcinads para trabalhar cm sinais de ma/mhz, prém evitam a máxim deixar as frnteiras ds seus equipaments sfisticads para lidar cm as instalações de ptência cm dezenas/centenas de Ampares e 50/60 Hertz. E neste cenári ruíd é livre para existir! Para cntrnar este dilema, que é feit muitas vezes é a implementaçã d Sistema de Aterrament baseada em smente dis u três critéris, tais cm: A resistência de terra deve ser inferir a 5 hms; A cnfiguraçã em estrela deve ser implementada; Deve-se evitar s lps de terra ; deve-se fazer uma equalizaçã de ptencial; etc. Via de regra estes critéris nã sã suficientes e nem mesm necessáris estams smente jgand lix para debaix d tapete! A cnseqüência entã é um númer bastante elevad de prblemas sempre que crre uma situaçã de risc, assim cm aquelas riginadas pr rais, pr exempl. Entã se inicia uma busca pr prduts especiais, tal cm um super DPS (Dispsitiv de Prteçã cntra Surts) que pssa reslver prblema, quand na verdade prblema é de utra categria. 4

5 5. Prcediments para cntrle de interferências em sistemas de autmaçã A melhria d nível de prteçã eletrmagnética das instalações de Sistemas de Autmaçã garante uma reduçã significativa ds custs assciads a prblemas de interferência, tant ds custs direts, cm a repsiçã de equipaments danificads e cupaçã excessiva das equipes de manutençã, cm principalmente ds custs indirets relacinads cm a paralisaçã u mau funcinament de setres autmatizads, justificand plenamente s investiments neste sentid. Neste cntext é precis agir, e nã simplesmente reagir, para que se trna imprescindível a implantaçã de um tratament sistemátic na área da Cmpatibilidade Eletrmagnética. E mesm prque ambiente eletrmagnétic é cnstantemente alterad cm a instalaçã de nvs equipaments u mdificações das instalações existentes EMC na peraçã/manutençã de Sistemas de Autmaçã Pr frma a melhrar nível de prteçã das instalações elétricas de Sistemas de Autmaçã cntra perturbações eletrmagnéticas, incluind aquelas riginadas pr descargas atmsféricas, é sugerid a implantaçã de prcediments interns que favreçam a absrçã da tecnlgia em EMC e a sua aplicaçã nas diferentes áreas da empresa a lng d temp. A implantaçã destes prcediments EMC deverá ser precedida pr ações de frmaçã em EMC, realizadas em diferentes níveis de detalhament para as equipes de manutençã, e pderá cntemplar as seguintes atividades: Registrs EMC - cmpreende cnjunt de medições e registrs a serem realizads a lng d an, pdend incluir a verificaçã das cntinuidades elétricas, a mediçã da qualidade de energia, registr de avarias, a mediçã periódica ds valres de resistência de terra nas várias instalações, etc. Diretrizes EMC - cmpreende a elabraçã de dcuments relativs à área EMC para efetivaçã da cultura técnica neste dmíni, s quais pderã se classificar cm: Métds EMC, caracterizand-se pela definiçã das metdlgias a serem adtadas (pr exempl, a mediçã da qualidade da energia elétrica n lcal); Especificações EMC, caracterizand-se pela definiçã ds requisits de prjet e/u prduts a serem brigatriamente bservads (pr exempl, nível de imunidade ds equipaments para perturbações n sistema de energia); e Relatóris Técnics, caracterizand-se pela definiçã das técnicas a serem usadas (pr exempl, s requisits para a rede de terra). Análise EMC - cmpreende Levantament das diversas instalações existentes (identificaçã d Sistema de Aterrament, características elétricas ds equipaments e cabs assciads, medidas de prteçã instaladas, etc.), seus Histórics de Avarias e a Identificaçã das situações críticas (seja em terms da necessidade de se garantir a peraçã crreta d subsistema pela sua imprtância estratégica, seja em terms d históric de avarias apresentad, e custs assciads). Prjets EMC cmpreende a identificaçã das causas das avarias para as situações críticas identificadas, abrdand Prjet de Medidas Crretivas, a Instalaçã de prduts e materiais para este fim e a Verificaçã ds resultads btids EMC na instalaçã de Sistemas de Autmaçã Uma cnfiguraçã EMC pde ser favrecida na instalaçã de um Sistema de Autmaçã exigind-se que cada unidade de equipament cumpra cm nrmas EMC, as quais abrdam tant aspect de emissã ( equipament se cnstituind numa fnte de perturbaçã EM) cm de imunidade ( equipament nã send afetad pr perturbações EM n ambiente). Entretant, deve-se ter em mente que quand equipaments sã intercnectads cmpnd um Sistema de Autmaçã, nível de imunidade d Sistema é nrmalmente menr que nível de imunidade de cada equipament islad, devid, principalmente, as cabs de intercnexã. E que para instalações específicas, pr exempl em Subestações Elétricas, é de se esperar a necessidade de implementaçã de medidas de prteçã cmplementares. 5

6 A frma mais eficaz (cust-benefíci) para se respnder bjetivamente às diversas pssibilidades para surgiment de prblemas de interferência (EMI Electrmagnetic Interference) na instalaçã de Sistemas de Autmaçã é através da implementaçã de um Plan de Cntrle de Interferência. Um Plan de Cntrle de Interferência é, essencialmente, um crngrama de trabalh específic para a área EMC, definind as ações, e seus temps de execuçã, que deverã ser levadas em cnsideraçã a lng da instalaçã d Sistema de Autmaçã, pr frma a se identificar e slucinar tdas as situações em ptencial para a crrência de prblemas de EMI. Um Plan de Cntrle de Interferência deve incluir as seguintes fases: Planejament EMC - nesta parte seriam apresentads uma descriçã geral d Sistema de Autmaçã a ser instalad, seu crngrama de instalaçã e as pessas envlvidas cm as respectivas funções e respnsabilidades na área EMC. Análise EMC - nesta parte seria desenvlvida uma visã crítica das situações de EMI: Caracterizaçã d ambiente eletrmagnétic, nde s bjetivs sã a identificaçã das diferentes fntes de perturbações eletrmagnéticas que pderiam casinar prblemas de EMI, e a determinaçã ds níveis destas perturbações identificadas através de medições e/u previsões; Situações em ptencial para EMI, nde bjetiv é a identificaçã das situações críticas para crrência de EMI, as quais incluem tant s prblemas de EMI interns a Sistema, cm aqueles externs a sistema. Prjet EMC nesta parte as diversas medidas de prteçã seriam prjetadas e implementadas de acrd cm as situações em ptencial para EMI identificadas anterirmente, send uma mair ênfase dada naturalmente a Sistema de Aterrament. 6. Cnlusões Na área da Cmpatibilidade Eletrmagnética a lógica clássica (0 u 1, u melhr 1 u 1, existe u nã existe, etc.) nem sempre se aplica. De uma frma geral, que se prcura nã é a eliminaçã d ruíd! O que se prcura é um cmprmiss entre diferentes as fntes de perturbaçã eletrmagnética de frma a que ruíd ttal acplad n circuit nã cause interferência A clcaçã ds prblemas de interferência eletrmagnética na categria de magia negra representa na verdade a mair dificuldade para tratament bjetiv deste aspect, sempre presente em qualquer Sistema de Autmaçã, fazend cm que: As cnseqüências destes fenômens nã sejam devidamente quantificadas, nmeadamente em terms ds custs assciads; Os prblemas sejam tratads isladamente e smente quand aparecem, alg cm cisas sui generis que requerem sluções mágicas e mirablantes a simples adequaçã de uma cnexã à Massa/Terra nunca satisfaz! Para se garantir desempenh adequad, e um menr cust assciad, quand da instalaçã e a lng da peraçã/manutençã de Sistemas de Autmaçã trna-se imprescindível, e cada vez mais, a implantaçã de um tratament sistemátic na área da Cmpatibilidade Eletrmagnética. Este estud analisa as características ds prblemas de interferência eletrmagnética em Sistemas de Autmaçã, cm ênfase n sistema de aterrament, e prpõe um cnjunt de prcediments para atendiment deste bjetiv. 6

7 8. Referências SAMPAIO, L. S. COELHOE DE Lógica & Realidade, Institut Cultura-Nva, BARRETO, R. MENNA EMC and Lightning prtectin fr telecmmunicatin systems ITEM Publicatins, BARRETO, R. MENNA Cntrle de interferência em sistemas eletrônics de instrumentaçã VI SEMETRO Seminári Internacinal de Metrlgia Elétrica,