Por que os pacotes podem ser perdidos em uma LAN? Existem diferentes opções: a reserva está configurada incorretamente, a rede não aguenta a carga ou a LAN está “tempestuosa”. Mas a razão nem sempre está na camada de rede.
A empresa Arktek LLC fabricou sistemas automatizados de controle de processo e sistemas de vigilância por vídeo para a mina Rasvumchorrsky de Apatit JSC com base em .
Houve problemas em uma parte da rede. Entre os interruptores FL SWITCH 3012E-2FX – e FL SWITCH 3006T-2FX – o canal de comunicação era extremamente instável.
Os dispositivos foram conectados por um cabo de cobre colocado em um canal a um cabo de alimentação de 6 kV. O cabo de alimentação cria um forte campo eletromagnético, que causa interferência. Os switches industriais convencionais não possuem imunidade a ruído suficiente, portanto, alguns dados foram perdidos.
Quando os switches FL SWITCH 3012E-2FX foram instalados em ambas as extremidades – , a conexão se estabilizou. Essas chaves estão em conformidade com IEC 61850-3. Entre outras coisas, a Parte 3 desta norma descreve os requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC) para dispositivos instalados em usinas e subestações de energia elétrica.
Por que os switches com EMC aprimorado tiveram melhor desempenho?
EMC - disposições gerais
Acontece que a estabilidade da transmissão de dados em uma LAN não é afetada apenas pela configuração correta do equipamento e pela quantidade de dados transferidos. A queda de pacotes ou um interruptor quebrado pode ser causado por interferência eletromagnética: um rádio usado próximo a um equipamento de rede, um cabo de alimentação colocado nas proximidades ou um interruptor de alimentação que abriu o circuito durante um curto-circuito.
O rádio, o cabo e o switch são fontes de interferência eletromagnética. Os interruptores de compatibilidade eletromagnética aprimorada (EMC) são projetados para operar normalmente quando expostos a essa interferência.
Existem dois tipos de interferência eletromagnética: indutiva e conduzida.
A interferência indutiva é transmitida através do campo eletromagnético “através do ar”. Essa interferência também é chamada de interferência irradiada ou irradiada.
A interferência conduzida é transmitida através de condutores: fios, terra, etc.
A interferência indutiva ocorre quando exposta a um poderoso campo eletromagnético ou magnético. A interferência conduzida pode ser causada por comutação de circuitos de corrente, descargas atmosféricas, pulsos, etc.
Os interruptores, como todos os equipamentos, podem ser afetados por ruídos indutivos e conduzidos.
Vejamos as diferentes fontes de interferência em uma instalação industrial e que tipo de interferência elas criam.
Fontes de interferência
Dispositivos emissores de rádio (walkie-talkies, telefones celulares, equipamentos de soldagem, fornos de indução, etc.)
Qualquer dispositivo emite um campo eletromagnético. Este campo eletromagnético afeta o equipamento tanto de forma indutiva quanto condutiva.
Se o campo for gerado forte o suficiente, poderá criar uma corrente no condutor, o que interromperá o processo de transmissão do sinal. Interferências muito fortes podem levar ao desligamento do equipamento. Assim, surge um efeito indutivo.
O pessoal operacional e os serviços de segurança usam telefones celulares e walkie-talkies para se comunicarem entre si. Nas instalações operam transmissores fixos de rádio e televisão; nas instalações móveis são instalados dispositivos Bluetooth e WiFi.
Todos esses dispositivos são poderosos geradores de campo eletromagnético. Portanto, para operar normalmente em ambientes industriais, os interruptores devem ser capazes de tolerar interferências eletromagnéticas.
O ambiente eletromagnético é determinado pela força do campo eletromagnético.
Ao testar a resistência de uma chave aos efeitos indutivos de campos eletromagnéticos, um campo de 10 V/m é induzido na chave. Neste caso, o switch deve estar totalmente funcional.
Quaisquer condutores dentro do switch, bem como quaisquer cabos, são antenas receptoras passivas. Dispositivos emissores de rádio podem causar interferência eletromagnética conduzida na faixa de frequência de 150 Hz a 80 MHz. O campo eletromagnético induz tensão nesses condutores. Essas tensões, por sua vez, causam correntes, que criam ruído na chave.
Para testar a imunidade EMI conduzida do switch, é aplicada tensão às portas de dados e às portas de alimentação. GOST R 51317.4.6-99 define um valor de tensão de 10 V para um alto nível de radiação eletromagnética. Neste caso, o switch deve estar totalmente funcional.
Corrente em cabos de energia, linhas de energia, circuitos de aterramento
A corrente nos cabos de energia, linhas de energia e circuitos de aterramento cria um campo magnético de frequência industrial (50 Hz). A exposição a um campo magnético cria uma corrente em um condutor fechado, que é uma interferência.
O campo magnético da frequência de potência é dividido em:
- campo magnético de intensidade constante e relativamente baixa causado por correntes em condições normais de operação;
- um campo magnético de intensidade relativamente alta causado por correntes em condições de emergência, atuando por um curto período de tempo até que os dispositivos sejam acionados.
Ao testar a estabilidade da exposição dos interruptores a um campo magnético de frequência industrial, um campo de 100 A/m é aplicado a eles por um longo período e de 1000 A/m por um período de 3 s. Quando testados, os interruptores devem estar totalmente funcionais.
Para efeito de comparação, um forno de microondas doméstico convencional cria uma intensidade de campo magnético de até 10 A/m.
Quedas de raios, condições de emergência em redes elétricas
Quedas de raios também causam interferência em equipamentos de rede. Eles não duram muito, mas seu valor pode chegar a vários milhares de volts. Essa interferência é chamada de pulsada.
O ruído de pulso pode ser aplicado às portas de alimentação e às portas de dados do switch. Devido aos altos valores de sobretensão, podem atrapalhar o funcionamento do equipamento e queimá-lo completamente.
Um raio é um caso especial de ruído de impulso. Pode ser classificado como ruído de pulso de microssegundos de alta energia.
Um raio pode ser de diferentes tipos: um raio em um circuito de tensão externo, um raio indireto, um raio no solo.
Quando um raio atinge um circuito de tensão externo, ocorre interferência devido ao fluxo de uma grande corrente de descarga através do circuito externo e do circuito de aterramento.
Um raio indireto é considerado uma descarga atmosférica entre nuvens. Durante tais impactos, são gerados campos eletromagnéticos. Eles induzem tensões ou correntes nos condutores do sistema elétrico. Isto é o que causa interferência.
Quando um raio atinge o solo, a corrente flui através do solo. Pode criar uma diferença de potencial no sistema de aterramento do veículo.
Exatamente a mesma interferência é criada pela troca de bancos de capacitores. Essa comutação é um processo transitório de comutação. Todos os transientes de comutação causam ruído de impulso de microssegundos de alta energia.
Mudanças rápidas na tensão ou corrente quando os dispositivos de proteção operam também podem resultar em ruído de pulso de microssegundos nos circuitos internos.
Para testar a resistência da chave ao ruído de pulso, são usados geradores de pulso de teste especiais. Por exemplo, UCS 500N5. Este gerador fornece pulsos de vários parâmetros para as portas do switch em teste. Os parâmetros de pulso dependem dos testes realizados. Eles podem diferir na forma do pulso, na resistência de saída, na tensão e no tempo de exposição.
Durante os testes de imunidade a ruído de pulso de microssegundos, pulsos de 2 kV são aplicados às portas de alimentação. Para portas de dados – 4 kV. Durante este teste, presume-se que a operação pode ser interrompida, mas após o desaparecimento da interferência, ela se recuperará sozinha.
Comutação de cargas reativas, “salto” de contatos de relé, comutação ao retificar corrente alternada
Vários processos de comutação podem ocorrer em um sistema elétrico: interrupções de cargas indutivas, abertura de contatos de relés, etc.
Esses processos de comutação também criam ruído de impulso. Sua duração varia de um nanossegundo a um microssegundo. Esse ruído de impulso é chamado de ruído de impulso de nanossegundos.
Para realizar os testes, rajadas de pulsos de nanossegundos são enviadas aos switches. Os pulsos são fornecidos às portas de alimentação e portas de dados.
As portas de alimentação são alimentadas com pulsos de 2 kV e as portas de dados são alimentadas com pulsos de 4 kV.
Durante o teste de ruído de explosão de nanossegundos, os interruptores devem estar totalmente funcionais.
Ruído de equipamentos eletrônicos industriais, filtros e cabos
Se o comutador for instalado próximo a sistemas de distribuição de energia ou equipamentos eletrônicos de potência, tensões desequilibradas poderão ser induzidas neles. Essa interferência é chamada de interferência eletromagnética conduzida.
As principais fontes de interferência conduzida são:
- sistemas de distribuição de energia, incluindo CC e 50 Hz;
- equipamentos eletrônicos de potência.
Dependendo da fonte de interferência, eles são divididos em dois tipos:
- tensão constante e tensão com frequência de 50 Hz. Curtos-circuitos e outras perturbações nos sistemas de distribuição geram interferências na frequência fundamental;
- tensão na faixa de frequência de 15 Hz a 150 kHz. Essa interferência geralmente é gerada por sistemas eletrônicos de potência.
Para testar os switches, as portas de alimentação e de dados são alimentadas com uma tensão rms de 30 V continuamente e uma tensão rms de 300 V por 1 s. Esses valores de tensão correspondem ao mais alto grau de severidade dos testes GOST.
O equipamento deverá resistir a tais influências se for instalado em um ambiente eletromagnético severo. É caracterizado por:
- os dispositivos em teste serão conectados a redes elétricas de baixa tensão e linhas de média tensão;
- os dispositivos serão conectados ao sistema de aterramento dos equipamentos de alta tensão;
- são utilizados conversores de potência que injetam correntes significativas no sistema de aterramento.
Condições semelhantes podem ser encontradas em estações ou subestações.
Retificação de tensão CA ao carregar baterias
Após a retificação, a tensão de saída sempre pulsa. Ou seja, os valores de tensão mudam aleatoriamente ou periodicamente.
Se os interruptores forem alimentados por tensão CC, grandes ondulações de tensão podem atrapalhar a operação dos dispositivos.
Como regra, todos os sistemas modernos usam filtros anti-aliasing especiais e o nível de ondulação não é alto. Mas a situação muda quando as baterias são instaladas no sistema de alimentação. Ao carregar baterias, a ondulação aumenta.
Portanto, a possibilidade de tal interferência também deve ser levada em consideração.
Conclusão
Switches com compatibilidade eletromagnética aprimorada permitem transferir dados em ambientes eletromagnéticos agressivos. No exemplo da mina Rasvumchorr no início do artigo, o cabo de dados foi exposto a um poderoso campo magnético de frequência industrial e conduziu interferência na banda de frequência de 0 a 150 kHz. Os switches industriais convencionais não conseguiam lidar com a transmissão de dados nessas condições e os pacotes eram perdidos.
Os interruptores com compatibilidade eletromagnética aprimorada podem operar totalmente quando expostos às seguintes interferências:
- campos eletromagnéticos de radiofrequência;
- campos magnéticos de frequência industrial;
- ruído de impulso de nanossegundos;
- ruído de pulso de microssegundos de alta energia;
- interferência conduzida induzida por campo eletromagnético de radiofrequência;
- conduziu interferência na faixa de frequência de 0 a 150 kHz;
- Ondulação de tensão da fonte de alimentação DC.
Fonte: habr.com