Mitigación de la interferencia electromagnética en el cableado Ethernet industrial

Las normas internacionales TIA1005 e ISO 11801:3 describen lo que comúnmente se conoce como requisitos M.I.C.E. para los sistemas industriales de cableado Ethernet.  La “M” indica el ambiente mecánico. El cableado puede estar sujeto a diversas fuerzas mecánicas, como golpes, aplastamiento o algo tan normal como el doblado repetitivo.  La “I” indica el hecho de que los conectores deben poder bloquear la entrada de líquidos, polvo y aerosoles en las áreas donde pueden dañar componentes electrónicos sensibles.  La “C” indica cuestiones climáticas y químicas, y hace referencia a las temperaturas adversas, la humedad y los químicos que pueden dañar el cableado típico de oficina.

Por último, la “E” indica la interferencia electromagnética y la descarga electrostática.  Los dispositivos como los accionadores de motores, las soldadoras y los calentadores de inducción son los peores generadores de ruido electromagnético que pueden afectar al rendimiento de la red. En un ambiente de oficina, la cantidad de fuentes de este tipo de ruido es casi cero. Además, los cables de energía eléctrica que alimentan estos dispositivos pueden generar campos magnéticos que interfieren con la transmisión de datos.

Analicemos una situación típica. Si instala un cableado Ethernet (conductor metálico) que pasa por un campo magnético (por ejemplo, está cerca de un motor grande), se genera una corriente eléctrica en el cableado y, como resultado, se distorsiona la señal de Ethernet (que también es una corriente eléctrica). ¿Qué significa esto para la transmisión de datos? La integridad de los paquetes se ve comprometida, y puede provocar comunicaciones intermitentes. En una oficina, esto suele implicar una retransmisión del paquete, que probablemente pase inadvertida por el usuario.  En un entorno industrial, donde la sincronización es fundamental como resultado de los procesos mecánicos, podría provocar que se vuelque kétchup en el piso, una soldadura mal hecha o, incluso, la paralización de una línea.

Evitar los problemas de ruido claramente es importante para la automatización industrial, y hay varias formas de abordar este asunto.  La mayoría de las instalaciones funciona correctamente con el cableado UTP debido a su coste, facilidad de instalación y mantenimiento, y la ausencia de problemas que sí tienen otros métodos.  Los cables UTP más recientes también brindan una inmunidad superior contra el ruido.  Pero primero veamos otros enfoques.

El cableado de fibra óptica es completamente inmune a la interferencia electromagnética y es, con creces, la solución más completa a los problemas de la “E”.  Sin embargo, el cableado de fibra tiene algunas desventajas.  En primer lugar, es más costoso, no necesariamente por el cableado en sí, sino porque los componentes electrónicos que conectan la fibra suelen ser mucho más caros y, para muchos dispositivos industriales, podría no estar disponible.  Los transceptores de fibra a cobre pueden solucionar este problema, pero suman al coste y son otro punto de falla que también requiere alimentación.  Otro problema con la fibra es que requiere herramientas especializadas para la instalación y la resolución de problemas puede ser costosa.  Y las terminaciones de la fibra son muy sensibles a la contaminación por polvo o humedad, lo que puede ser un gran problema en ambientes industriales. Los técnicos también necesitan ser expertos en trabajos con fibra, aunque algunos equipos más recientes facilitan la ubicación de las fallas, por ejemplo (Figura 1).

Figura 1.  Los OTDR avanzados, como el OptiFiber™ Pro, muestran los problemas en gráficos sencillos.

La prevención de fuentes de ruido también puede reducir el impacto.  El enrutamiento cuidadoso del cableado lejos de las fuentes de EMI como los variadores de frecuencia (VFD), el cableado de alta potencia y las soldadoras puede reducir la interferencia y la pérdida de paquetes.  El problema es que no estará seguro de si realmente resuelve el problema.  Y, más adelante, nuevos dispositivos que provocan EMI podrían agregarse o trasladarse cerca del cableado y provocar problemas.

Un cableado apantallado o blindado prácticamente elimina los problemas de ruido.  El blindaje actúa como una jaula que evita que el ruido electromagnético llegue al cableado, y absorbe y conduce la energía por una ruta de baja impedancia a tierra. En ambientes excepcionalmente ruidosos, funciona mejor una combinación de blindaje trenzado y laminado para proteger el cableado de la EMI y para brindar una ruta a tierra de baja impedancia.  En áreas con ruido moderado, un blindaje laminado general puede ser suficiente.  Sin embargo, el blindaje tiene sus propios retos.  Debido a las diferencias de voltaje a tierra en toda una fábrica, la conexión a tierra se debe abordar con cuidado.  El cable blindado necesita tener conexión a tierra para funcionar con eficiencia y proteger la transmisión de datos, pero ¿se debería conectar a tierra un extremo del cable o ambos? Cada aplicación tiene particularidades de ruido ambiental, y las instancias de conexión a tierra requieren prácticas de ingeniería y experiencia para tomar la decisión.

Los protocolos Ethernet industriales (Ethernet/IP, Profinet, Modubus TCP) también brindan recomendaciones para la conexión a tierra de cableado blindado con el fin de aumentar la inmunidad a las desviaciones de conexión a tierra.  Estas técnicas complejas y costosas de conexión a tierra evitan que los bucles de tierra causen problemas.  Una recomendación es cortar la cubierta exterior para que quede expuesto el blindaje y luego fijar con abrazadera el cable a un bloque de cobre que esté conectado a una conexión a tierra de cobre grueso de 8 mm en varios lugares de cada tendido de cables, un enfoque costoso y que requiere mucho tiempo.  Comprobar el blindaje del cable también puede resultar difícil.  Nuestro DSX CableAnalyzer™ proporciona la capacidad exclusiva de medir la continuidad de la conexión a tierra en todo el recorrido del cable para garantizar que la conexión a tierra sea la adecuada (Figura 2).

Figura 2.  Los comprobadores antiguos (izquierda) usan una simple comprobación de resistencia para verificar la continuidad de la conexión a tierra, que pueden ser “engañados” con rutas de conexión a tierra alternativas.  El DSX CableAnalyzer (derecha) determina fallas en el blindaje incluso cuando hay rutas de conexión a tierra alternativas.

El cableado UTP altamente equilibrado resiste la EMI y, además, reduce los problemas de desviación y los bucles de tierra comunes en las aplicaciones de control y los cables apantallados. La mayoría de los fabricantes recomienda cables UTP, y aquellos con un buen equilibrado brindan una medida adicional de protección.  Para comprobar la inmunidad de ruido de un cable, se puede realizar una medición de equilibrio de la pérdida de conversión transversal (TCL) y la pérdida de transferencia de conversión transversal de igual nivel (ELTCTL). Los fabricantes de cables especifican el rendimiento en alguno de los siguientes tres niveles: E1 para oficinas, E3 para ambientes con alta EMI y E2 para ambientes intermedios.  Nuestros DSX CableAnalyzer realizan comprobaciones en campo de la TCL y la ELTCTL con el fin de verificar la inmunidad contra el ruido y ver si el enlace de un cableado tiene el rendimiento adecuado en ambientes ruidosos (Figura 3).

Figura 3. En el DSX CableAnalyzer, se pueden seleccionar los límites de la TIA para los niveles E1 a E3

Si desea obtener más información acerca de cómo reducir la interferencia electromagnética en un ambiente industrial y de qué manera una comprobación de cable en campo puede ayudarlo a prevenir la comunicación intermitente, no dude en comunicarse con nosotros.

Contáctenos