Cablaggio dei sensori per affrontare l'induzione, l'accoppiamento elettrostatico e la conduzione

Qualsiasi cosa di natura elettrica che attraversa un cavo industriale e che non è un segnale è rumore - interferenza elettromagnetica (EMI) e interferenza in radiofrequenza (RFI) o altro. I componenti di automazione oggi sono solitamente progettati per evitare questo rumore proteggendo i segnali dall'ambiente elettromagnetico in cui devono funzionare i componenti. Prevenire il deterioramento del segnale richiede anche un'attenta integrazione delle macchine automatiche... che di solito implica una combinazione di buona progettazione e competenze in materia di connettività elettrica.

Figura 1: I sottocomponenti e i sottosistemi dedicati esclusivamente alla prevenzione delle EMI di solito prendono la forma di circuiti di filtraggio o componenti di blocco (schermatura) come la schermatura dei fili in rame stagnato tubolare in questo esempio. (Immagine per gentile concessione di Belden Inc.)

In questo articolo, esamineremo i metodi di progettazione per:

• Ridurre la generazione delle EMI in componenti interni ed esterni
• Aumentare l'immunità dei componenti (resistenza) alle EMI

I principali obiettivi di progettazione sono quello di minimizzare l'emissione irradiata internamente per ogni componente in un progetto e la suscettività alle emissioni condotte esternamente. Nel secondo caso, l'immunità intrinseca alle emissioni accoppiate dall'esterno deve proteggere dai segnali elettronici indesiderati trasmessi per conduzione diretta, induttanza o accoppiamento capacitivo.

Figura 2: I fogli adesivi assorbenti EMI serie AB5000 di 3M contengono scaglie di metallo per sopprimere le EMI irradiate dai dispositivi mobili e dalle apparecchiature militari. I fogli serie AB6000 includono strati isolanti, assorbenti, schermanti e non conduttivi per progetti che necessitano sia di schermatura che di assorbimento delle EMI - compresi cellulari, sintonizzatori e dispositivi medici. I fogli serie AB7000 sono ideali dentro e intorno ai dispositivi elettronici che richiedono il controllo delle EMI e il miglioramento dell'integrità del segnale da 50 MHz a 10 GHz. I fogli riducono il rumore irradiato nei circuiti integrati, le EMI e la diafonia nell'elettronica mobile e sui cavi a nastro e flessibili. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Minacce specifiche alla qualità del segnale

La maggior parte degli sforzi nella progettazione di apparecchiature di automazione industriale si concentra sulle specifiche dei componenti come attuatori e sensori. Ma considerate questo: se i sensori sono le orecchie e gli occhi dei sistemi automatici, il cablaggio è il sistema nervoso che porta i segnali al cervello (o al controller della macchina, per continuare con l'analogia). Questo cablaggio è esposto a varie potenziali fonti di interferenza che possono compromettere le funzioni di controllo del sistema.

Figura 3: I componenti elettrici come i sensori e gli attuatori sono solitamente testati per la compatibilità elettromagnetica (EMC) e la suscettività, anche se il ruolo del cablaggio e dei suoi connettori nel mantenere e sostenere la compatibilità elettromagnetica o EMC è spesso trascurato. Alcuni connettori per cavi fissano meccanicamente e schermano elettromagneticamente le estremità dei cavi e fungono da filtri EMI. Impiegando la tecnologia dei condensatori planari, alcuni sono in grado di filtrare VHF, UHF, MF1, HF e altri intervalli EMI tramite C, CL, LC, L, e varie topologie pi. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Industrial Operations)

Se un sensore, un attuatore o un altro componente si basa su un principio induttivo, capacitivo o elettromagnetico per il rilevamento e la generazione del segnale, qualsiasi PCB nel sistema richiederà probabilmente una schermatura e ampi piani di massa. Quest'ultimo aspetto è trattato nei dettagli nell'articolo DigiKey Schermatura RF: l'arte e la scienza dell'eliminazione delle interferenze. Inoltre, la forza e la frequenza delle potenziali emissioni ambientali dovrebbero essere ben note o almeno codificate mediante uno standard industriale nella fase iniziale di progettazione. Alcuni esempi di intervalli di interferenza comuni e previsti includono:

• 50 o 60 Hz - le frequenze di linea dell'energia elettrica
• 4 ~ 16 kHz - come nella modulazione della larghezza di impulso (PWM) indotta da IGBT proveniente dai VFD per motori elettrici
• 2,4 GHz - la banda ISM (Industrial Scientific, Medical) per le comunicazioni wireless.

Per saperne di più sulla generazione di campi elettromagnetici da parte di motori, relè, solenoidi e attuatori e sul caso specifico della protezione dei bus seriali RS-485 da queste fonti EMI, leggete l'articolo DigiKey Come proteggere i bus RS-485 in ambienti industriali. Altri fenomeni di interferenza includono sovratensioni, transitori veloci e scariche elettrostatiche (come da "elettricità statica" sul personale dell'impianto in ambienti asciutti o privi di pavimentazione antistatica), così come i fulmini derivanti da condizioni meteorologiche estreme nei pressi dell'impianto.

Figura 4: Questo PC a pannello PC1321BP ha un HMI con touchscreen capacitivo. L'elettronica di controllo e lo schermo includono elementi schermanti e altri per prevenire le RFI condotte e irradiate. (Immagine per gentile concessione di Maple Systems)

Consideriamo l'applicazione elettricamente rumorosa della saldatura ad arco. La saldatura, è risaputo, produce rumore elettrico ad alta larghezza di banda dovuto a:

• Alta energia (corrente) associata al processo di saldatura
• Variazioni di impedenza durante la saldatura

Così le apparecchiature di saldatura industriale che operano vicino a qualsiasi linea elettrica in una struttura (o anche condividono la terra con altre) può essere una fonte significativa di EMI e accoppiarsi elettricamente con altri dispositivi - anche a centinaia di metri di distanza. Apparecchiature e accessori speciali (specialmente il cavo) devono essere inclusi in tali installazioni per prevenire problemi operativi legati alle EMI.

Specifiche del dispositivo ed errori di installazione da evitare

Una volta che un dispositivo è collegato al sistema automatico più grande, può esibire comunicazioni o comportamenti che:

• Appaiono solo in relazione alle EMI
• Sono effettivamente collegati alle EMI

I sintomi dei problemi EMC possono manifestarsi sotto forma di una caduta di segnale, bassi rapporti segnale/rumore, interferenze di segnale e anelli di controllo instabili.

I sensori che generano segnali analogici sono più suscettibili al rumore, quindi si preferiscono spesso i dispositivi digitali comparabili. Si tratta di versioni di sensori che generano segnali di uscita digitali PWM, di frequenza o seriali più impermeabili alle EMI. Un avvertimento qui è che le alte frequenze di commutazione di certi segnali digitali possono causare la sovraoscillazione (oscillazioni di tensione o corrente in uscita) con decadimento esponenziale alle transizioni. Questa sovraoscillazione è spesso ovviata con un piccolo condensatore di disaccoppiamento o un resistore di attenuazione all'estremità del ricevitore del sistema di sensori.

Per saperne di più sulla differenza tra i segnali dei dispositivi analogici e digitali, consultate il modulo didattico I cavi sono importanti su DigiKey.

Se disponibili, sono da preferire i sensori che possono emettere un'uscita differenziale. I sensori che funzionano in modo differenziale (con un segnale A accompagnato dal suo segnale A/ invertito) evitano efficacemente ogni rumore di modo comune. L'immunità EMI viene ulteriormente rafforzata dai cavi di segnale a doppino intrecciato che (se installati correttamente) registrano il rumore indotto in modo identico su entrambi i fili per una reiezione del rumore efficace al 100%.

Sul lato del segnale del cavo di un sensore, una bassa capacità è fondamentale per minimizzare la suscettività EMI. Un altro vantaggio è che i segnali a bassa capacità che trasportano dati basati sulla frequenza possono mantenere meglio la stabilità dei segnali del driver di uscita al variare della frequenza del segnale. Al contrario, una capacità in eccesso può causare il roll-off del segnale e talvolta ridurre l'uscita complessiva al di sotto della soglia di rilevamento. Questo effetto intermittente è spesso abbastanza mite ma facilmente diagnosticabile con un oscilloscopio.

In un mondo perfetto, il cablaggio trasmette segnali di potenza puliti e valori di riferimento ai sensori di potenza e agli attuatori. Poi restituisce al controller del sistema i segnali di stato dei sensori e degli attuatori perfettamente puliti. Per quanto possa sembrare semplice, i cavi collegati ai sensori o agli attuatori sono una parte importante e vulnerabile del circuito elettrico - e una zona primaria per una maggiore suscettività EMI. Questo perché in certe circostanze possono comportarsi come lunghe antenne.

Suggerimento di progettazione: tenete conto della perdita di potenza causata da cavi particolarmente lunghi - oltre 150 metri per intenderci - specialmente se i conduttori di potenza hanno un diametro di 22 AWG o inferiore e la corrente è di 500 mW o più per dispositivo.

Un altro suggerimento per un corretto collegamento del sensore: vedete di capire e collegare con cura i conduttori del cavo sul lato di alimentazione ... un collegamento di solito dato per scontato. Per molti sensori e attuatori, questa connessione di alimentazione fornisce un riferimento da 5 a 28 V per pilotare i segnali che alla fine ritornano al controller. I due conduttori sul lato di alimentazione del cavo sono spesso chiamati potenza e terra. Questa definizione non è corretta in senso stretto - e (se queste etichette informano l'approccio all'installazione) può portare a problemi di interferenza. Più correttamente, la massa sul lato di alimentazione di un sensore dovrebbe essere chiamata comune di segnale. Questo perché il ritorno dell'alimentazione termina al riferimento interno dell'alimentazione e non alla massa del sistema. Qui, la vera massa è spesso legata a:

• La carcassa dell'armadio a parete o
• La canalina metallica riconducibile a una messa a terra fisica

Questa messa a terra può spesso essere a un potenziale diverso dal comune di segnale. Ciò significa che se il ritorno del segnale è collegato direttamente a terra, la corrente può scorrere attraverso la linea comune di segnale e creare un anello di massa - raccogliendo rumore indesiderato.

Naturalmente, un cavo completamente schermato può migliorare ulteriormente l'integrità sul lato di alimentazione di un progetto. Tale schermatura è comunemente flottante (non collegata) per fungere da gabbia di Faraday e limitare la potenza inducente nelle linee elettriche. Ma a volte le EMI sono abbastanza elevate da richiedere più di una semplice schermatura. In questo caso una soluzione consiste nel collegare lo scarico della schermatura alla terra dell'armadio o della canalina, come se fosse un percorso di dispersione per qualsiasi eccesso di energia sulla schermatura a terra. È raramente consigliabile collegare tale schermatura ad entrambe le estremità, perché l'estremità dell'attrezzatura del cavo ha spesso un potenziale diverso da quello dell'alimentazione, il che significa che le schermature collegate su entrambe le estremità possono effettivamente sperimentare un flusso di corrente in eccesso. Ciò è ancora più problematico durante le tempeste elettriche, quando il potenziale di terra può variare ampiamente quando i fulmini si scaricano a terra vicino all'impianto. Se il cavo assemblato è prodotto in-house, si dovrebbe prestare attenzione a garantire che la schermatura riguardi tutto il cavo e si colleghi al corpo del connettore - assicurando l'integrità da un capo all'altro delle proprietà dello scudo di Faraday.

Un'ultima nota sul mantenimento della qualità del segnale di retroazione automatico: nel tempo, i sistemi automatici vengono spesso riqualificati e aggiornati. Di solito, ciò comporta l'aggiunta di dispositivi per raggiungere capacità più complesse e sofisticate. Il rischio è quello di collegare un numero eccessivo di dispositivi a un singolo alimentatore esistente... perché questo può a sua volta causare cali di tensione e perdita di segnali. Questo si presenta sotto forma di un problema intermittente e può sembrare una caduta di segnale dovuta a un'interferenza distruttiva. Gli alimentatori sovraccarichi sono abbastanza comuni, quindi durante qualsiasi aggiornamento, assicuratevi di verificare che gli alimentatori esistenti possano gestire il carico quando tutti i dispositivi sono attivi.

Conclusione

Approcci di progettazione accurati e ben pensati possono portare a un funzionamento robusto del dispositivo, adatto agli ambienti di automazione industriale. L'avvertenza è che la corretta installazione di sensori e attuatori richiede attenzione agli schemi di connessione - e la prevenzione del deterioramento della qualità del segnale causato dalle EMI. Effettuare le connessioni finali con cavi e connettori di alta qualità può eliminare tutti i problemi all'inizio e perdurare per l'intera vita del macchinario automatico.