Cables de Instrumentación

 

Evite los problemas de instrumentación al instalar correctamente el cableado de bajo voltaje Preste atención a los detalles al diseñar e instalar el cableado para instrumentación de bajo voltaje. Ryan G. Rosandich  Rosandich | 01 de septiembre de 1996

Sucede de un extremo a otro. Se instala un u n sistema de control complejo que involucra muchos instrumentos y las conexiones parecen ser eléctricamente correctas, pero existen problemas. Algunos dispositivos no funcionan en absoluto, mientras que otros funcionan de forma errática o inexacta. Los problemas parecen ser particularmente graves cuando se trata de instrumentos analógicos o digitales sensibles de estado sólido. ¿Qué podría estar mal? Lo que está mal es que el diseñador y el instalador no prestaron la atención adecuada a los detalles del cableado de la instrumentación durante el diseño y la instalación. instalac ión. Algunos de estos detalles importantes del cableado incluyen el tratamiento adecuado de cada tipo de instrumento, el cableado correcto para las señales del instrumento, la conexión a tierra adecuada de la instrumentación y las especificaciones especificac iones de sonido para el cable y las terminaciones de la instrumentació instrumentación. n.  Antes de entrar en la discusión detallada, aclaremo aclaremoss un punto: las prácticas de cableado que se describen aquí son para la instrumentación de bajo voltaje que generalmente se encuentra en el control de procesos industriales o en situaciones de laboratorio, no en la instrumenta instrumentación ción de interruptores interruptores,,

que involucra

transformadores de instrumentos (es decir, transformadores de potencial y transformadores de corriente). Debido a los potenciales involucrados, el cableado

 

de instrumentación del equipo de conmutación se realiza según un conjunto de estándares completamente diferente.

Alambre y cable Es común usar cable de par trenzado cuando se cablea la instrumentación de control de proceso. Cuando dos cables se retuercen entre sí, muchos de los efectos de la interferencia electromagnética se cancelan, por lo que el cableado de par trenzado es más resistente al ruido eléctrico que el cableado no retorcido. Un giro más cerrado (es decir, un mayor número de giros por pulgada) produce una mayor inmunidad, por lo que es una especificación a la que vale la pena prestar atención. Para agregar otro nivel de protección contra el ruido electromagnético, se agrega una pantalla conectada a tierra sobre los cables de par trenzado. Cuando está encerrado en una funda protectora, el paquete se denomina cable de par trenzado  blindado de dos conductores, y este cable se recomienda para la mayoría de los cables de instrumentación de campo. Normalmente hay dos tipos de pantallas, el tipo trenzado y el tipo de lámina. Debido a que proporciona una cobertura del 100%, se prefiere el tipo de lámina. Asegúrese de que el cable blindado también tenga un cable de drenaje, que es un conductor desnudo enrollado dentro de la cubierta del cable y en contacto continuo con el blindaje. El cable de drenaje facilita la terminación del blindaje. Los conductores reales en el cable deben ser de cobre chapado trenzado, y se recomienda un tamaño de conductor de al menos 18 AWG. Aunque la mayoría de las señales de los instrumentos se pueden transportar con cables más pequeños, mantener los conductores de 18 AWG o más aumenta la confiabilidad y facilita las terminaciones. El cable de drenaje también debe ser de cobre chapado trenzado y

 

debe ser de un tamaño más pequeño que los conductores, pero de nuevo al menos 18 AWG para mayor confiabilidad. El aislamiento debe ser termoplástico de alta calidad y clasificado para el voltaje que se va a utilizar (la mayoría de los circuitos de instrumentación funcionan por debajo de 30 VCC). Los colores estándar para el cable de instrumentación de dos conductores son rojo (positivo) y negro (negativo), pero hay otros colores disponibles. La cubierta del cable debe estar clasificada para el uso previsto del cable, y el cable del instrumento está disponible para todos los usos comunes (por ejemplo, conductos, bandejas, bandejas, exteriores, entierro directo, etc.). Además, asegúrese de que la cubierta sea resistente a cualquier producto químico o aceite que pueda encontrar. Si el cable se va a colocar en el conducto, asegúrese de que la funda sea suave y resbaladiza. Las chaquetas suaves y de goma dificultan el tirado y pueden provocar daños en el cable. Los rellenos son hebras fibrosas no conductoras que se enrollan en un cable para llenar cualquier espacio vacío. Generalmente no se usan en cables de instrumentos, pero si hay rellenos, asegúrese de que no sean higroscópicos. Esto significa que no absorberán absorberá n la humedad y la introducirán en el cable, una ventaja obvia.

Terminaciones de cable Las terminaciones son una u na parte importante del cableado del instrumento. Las terminaciones adecuadas dan como resultado conexiones confiables y ayudan a eliminar problemas como lazos l azos a tierra y la interferencia interfe rencia electromagnética. electromagn ética. Las terminaciones de los instrumentos generalmente se hacen para atornillar terminales o terminales de compresión, y cualquiera de ellas puede hacerse de manera confiable. confiable. El cable de par trenzado blindado de dos conductores se termina

 

de dos maneras diferentes, con el cable de drenaje conectado a un terminal o con el cable de drenaje cortado y aislado. La figura 1 muestra un cable blindado típico de dos conductores preparado para su terminación para atornillar terminales con el cable de drenaje cortado. Esto terminación generalmente se hace en el extremo de campo de un cable de instrumento donde no se desea una conexión a tierra de blindaje. Tenga en cuenta que se utiliza cinta aislante o tubería termocontraíble para proteger el cable de la contaminación y para evitar la conexión a tierra accidental del blindaje o del cable de drenaje. Un terreno accidental en este punto casi seguramente crearía un bucle de suelo indeseable. La figura 2 muestra un cable blindado típico de dos conductores preparado para su terminación a terminales de tornillo donde se debe conectar el cable de drenaje. Tenga en cuenta que el cable de drenaje, que qu e es un conductor con ductor sin aislamiento, tiene una camisa con un tubo aislante para evitar la conexión a tierra accidental. La orejeta de engarce es valiosa en este caso para retener el tubo. La cinta aislante o la tubería termocontraíble se utilizan nuevamente para proteger el cable de la contaminación y para evitar una conexión a tierra accidental, ya que cualquier conexión accidental entre el cable de drenaje y el chasis, el bastidor o la caja casi seguramente creará un bucle de tierra.

Prácticas de cableado de instrumentación.  Además de las buenas terminaci terminaciones, ones, es necesario seguir algunas prácticas generales de cableado al diseñar o instalar sistemas de instrumentos. Primero, se deben evitar los empalmes en los cables de instrumentación siempre que sea posible. Aunque los empalmes en las tiras de terminales intermedias a menudo facilitan la instalación o la resolución de problemas, causan más problemas de los que merecen. Las terminacio terminaciones nes de este tipo son áreas principales para la

 

corrosión, conexiones sueltas, puesta a tierra accidental del blindaje y la introducción de ruido electromagnético. Un solo cable ininterrumpido desde un dispositivo de campo al controlador o sistema de control es siempre la solución más confiable. Tenga cuidado al instalar el cableado del instrumento cerca de un cableado de mayor voltaje. Cualquier cable que lleve una señal de CA de 120 V o más es una posible fuente de interferencia electromagnética, y los cables de señal del instrumento deben instalarse a una distancia segura de ellos. Si los cables de los instrumentos deben cruzar los cables de alimentación de CA y de control, los dos deben estar separados por una distancia adecuada, y el cruce debe hacerse en ángulos rectos para minimizar la inducción. El cableado de instrumentación siempre debe instalarse en conductos dedicados únicamente a señales de instrumentos. Cuando se usa una bandeja, al menos debe estar dividida. Bandejas separadas para instrumentación instrumentación son una mejor solución y, a menudo, no aumentan mucho el costo. Dos de 12 pulgadas. Las bandejas se pueden instalar en perchas comunes por casi el mismo costo que una sola entrada de 24 pulgadas. Bandeja dividida, y la ventaja de tener una bandeja dedicada a los cables de instrumentación generalmente vale cualquier costo adicional. Para una máxima protección, instale todos los cables de instrumentación en el conducto de acero porque este tipo de conducto, cuando está correctamente conectado a tierra, proporciona una excelente protección electromagnética y una acción de amortiguación inductiva debido al contenido de hierro. Además, es casi imposible inducir ruido en un cable de instrumento instalado en un conducto de acero.

Puesta a tierra en sistemas de instrumentación.

 

La mayoría de los sistemas de instrumentación tienen dos bases: la tierra eléctrica  y la tierra del instrumento. Es importante que se dé cuenta de que estos dos sistemas de conexión a tierra tienen propósitos completamente diferentes. El propósito principal de la conexión a tierra es la seguridad. Todos los equipos metálicos o conductores deben estar conectados a este terreno, y la regla aquí es "cuanto más mejor". El código requiere, por ejemplo, que una rejilla de conexión a tierra, una varilla de conexión a tierra, un acero de construcción y una tubería de agua estén todos conectados al sistema de puesta a tierra, si están presentes. El propósito principal de la puesta a tierra de un instrumento, por otro lado, es proteger la instrumentación de la interferencia electromagnética. Para hacer esto con éxito, cualquier parte del sistema de protección protector debe estar conectada a tierra en un punto y en un solo punto. Cuando el sistema de blindaje se conecta a tierra en dos o más puntos (por ejemplo, a la tierra del instrumento y a un recinto con conexión a tierra), se forma un bucle de tierra. La corriente puede fluir en un  bucle de tierra debido a las inevitables diferencias potenciales entre los terrenos separados.. Los bucles a tierra causan que el ruido se transmita a lo largo del separados sistema de blindaje que supuestamente protege las señales sensibles del instrumento, instrumen to, anulando su propósito. En la práctica, el propósito de la pantalla es conducir a tierra cualquiera de los ruidos que ha captado. El blindaje del cable y su terminación deben proporcionar proporcionar una ruta de baja impedancia a tierra. Un cable blindado que no está conectado a tierra no funciona de manera efectiva. ¿Cuál es la diferencia entre blindaje y puesta a tierra? La conexión a tierra del cable se utiliza para eliminar interferencias por acoplamiento capacitivo debido a campos eléctricos. El blindaje solo es eficiente cuando establece una ruta de baja impedancia impedanc ia al suelo. Un blindaje flotante no protege contra las interferencias.

 

Para evitar los bucles de tierra y la contaminación electromagnética del sistema de tierra, todo el cableado de tierra del instrumento, incluidos los blindajes de los cables y los cables de drenaje, debe tratarse como conductores sensibles a la corriente. Todos los cables de tierra ti erra del instrumento inst rumento deben debe n estar aislados, aislado s, no desnudos, y deben observarse las mismas prácticas de cableado con los cables de tierra como con otras señales sensibles. También se debe tener cuidado al diseñar el cableado del instrumento para garantizar que cada blindaje esté conectado a un solo punto de tierra. Debe establecer este punto en una ubicación central, como un panel de control o un gabinete de PLC, y para evitar toda conexión a tierra en el campo. Una tierra de instrumen instrumento to a veces se denomina una tierra aislada (un oxímoron) por esta razón, pero el término tierra de un solo punto es más preciso.

Señales de instrumentos La señal de instrumento más común utilizada en la industria es la señal de corriente de 4-20 mA. Un valor de 4mA generalmente representa el nivel cero de una variable, mientras que 20mA representa el valor máximo. Las señales de corriente son preferibles a las señales de voltaje porque son inherentemente más inmunes al ruido, y el offset de 4 mA ayuda aún más con la integridad de la señal. Si bien mantener una señal OmA perfecta sería casi imposible en presencia de ruido, es posible "enterrar" el ruido en la señal de desplazamiento desplazam iento de 4 mA y representar el valor mínimo de forma limpia. Las señales de voltaje también se utilizan, pero por lo general se limitan a áreas relativamente libres de ruido, como paneles de control o entornos de laboratorio. Las señales de voltaje típicas son 1-SVDC, 2-10VDC, 0-SVDC y 0-10  VDC. Las dos primeras señales nuevamente emplean el cero compensad compensado o y, por lo tanto, son más inmunes al ruido. También tienen la ventaja de ser fácilmente

 

generados a partir de la señal de corriente a4 -20 mA simplemente pasando la corriente a través de una resistenc resistencia ia del tamaño adecuado. Las señales de los instrumentos también se clasifican como aisladas o no aisladas. Una señal aislada no está referenciada a ninguna tierra o referencia común. Las señales de voltaje aisladas a menudo se llaman señales diferenciales porque la información se representa por la diferencia de voltaje entre dos puntos, no por el voltaje absoluto a común. Las señales no aisladas son una referencia a algunas señales comunes y, a menudo, se denominan de extremo único porque la información está representada por el  voltaje entre un punto punto único y una común. común. Es importante que sepa si un dispositivo está aislado o no aislado. Dos dispositivos no aislados en el mismo bucle de corriente, por ejemplo, harán que el bucle sea referenciado a tierra o sea común en dos lugares diferentes y casi con seguridad resultará en un funcionam funcionamiento iento incorrecto del bucle.

Tipos de instrumentos Los transmisores son dispositivos de campo de entrada comunes. Un transmisor generalmente consiste en un paquete electrónico que se interconecta con un sensor, el cual, a su vez, mide alguna cantidad física en un proceso. La electrónica interpreta la señal del sensor, realiza cualquier conversión necesaria y luego transmite una señal que es proporcional a la cantidad que se mide. Un transmisor de temperatura, por ejemplo, puede medir una temperatura con un termopar, realizar compensación y linealización, y transmitir una señal de 4-20 mA representativa represen tativa de la temperatura a un controlador. Los transmisores tienen cuatro configuraciones eléctricas comunes, como se muestra en la Fig. 3. Un transmisor alimentado en campo toma energía para el

 

paquete de componentes electrónicos desde una fuente en el campo y transmite una señal (generalmente aislada) en dos cables dedicados. Un transmisor de cuatro cables es similar, pero toma su Dower (generalmente 24 VCC) de una fuente central, y la energía se transmite al dispositivo a lo largo del mismo cable que lleva la señal transmitida al sistema de control. Los transmisores de tres cables usan dos cables para la potencia del transmisor y transmiten la señal de vuelta a un tercer cable. La señal no está aislada ai slada (se hace referencia re ferencia a común) común ) por lo que qu e solo se requiere un solo cable de señal. Los transmisores de dos cables "roban" la energía de la propia señal del instrumento sin afectar su precisión. Los transmisores de corriente de dos cables son muy populares debido a su simplicidad simplicidad,, Los dispositivos de campo de salida son casi siempre de dos hilos y responden a señales de voltaje o de corriente. Estos dispositivos generalmente están aislados, pero es aconsejable asegurarse de que los dispositivos no aislados puedan causar los problemas mencionados anteriormente. Los dispositivos de salida típicos son las válvulas de control, que se posicionan de manera proporcional a la señal entrante, y los variadores de velocidad, que controlan la velocidad de un motor al  valor indicado indicado por la señal entrante. entrante.

Circuitos tipicos de instrumentacion La figura 4 muestra algunos circuitos de instrumentación típicos, cómo se hacen las conexiones eléctricas y cómo se deben conectar los cables de drenaje de la pantalla (DRN) para evitar bucles a tierra. El diagrama muestra cómo se debe hacer un empalme recto a través de una regleta de terminales (aunque esto generalmente no se

recomienda),

y

cómo

se

distribuyen

correctamente

las

señales

de

 voltaje. También También muestra la interconexió interconexión n correcta de múltiples dispositivos en un  bucle de corriente, y cómo una señal de corriente se convierte en una señal de  voltaje con una resistencia. En los valores de uso común (250, 500 y 1000 ohmios)

 

se encuentran disponibles resistencias de grado instrumental con una precisión del medio por ciento o superior.

La importancia del cable de drenaje Un cable de drenaje es el cable trenzado y pelado que se encuentra intercalado con la lámina de envoltura dentro de los  los  cables blindados . Este cable juega un papel importante para facilitar la operación del cable. Echemos un vistazo a cómo el cable de drenaje ayuda al rendimiento y al funcionamiento de los cables blindados:

Propósito del cable de drenaje en cables blindados 1. Permite una puesta a tierra efectiva El cable de drenaje permite una conexión continua de baja resistencia al blindaje metálico del cable, lo que resulta en una conexión a tierra muy efectiva. El cable permanece en contacto con el lado metálico de la cinta de protección a lo largo del cuerpo del cable. Eso coloca el cable de drenaje en una posición ideal para conectar un cable blindado a su terminal de tierra. Lo que esto significa para el cable es que está efectivamente protegido contra las sobrecargas eléctricas que inevitablemente ocurren de vez en cuando. Cualquier exceso de electricidad encuentra un camino a través del cable de drenaje hacia el suelo sin causar daño a las máquinas conectadas al cable. 2. Elimina el ruido eléctrico no deseado El blindaje metálico del cable solo puede ser verdaderamente efectivo si hay una manera de completar su circuito dentro del cable. El cable de drenaje es una parte importante de completar este circuito, que en última instancia permite que el ruido eléctrico eléctric o no deseado sea redirigido hacia el suelo.

 

Este tipo de ruido eléctrico puede causar un gran daño al equipo eléctrico si se permite que continúe sin ser verificado. Las imágenes de video se ven afectadas por el ruido, que aparecen borrosas o con rayas en la pantalla. El audio puede incluir zumbidos y zumbidos. Redes digitales enteras pueden verse afectadas y forzadas a un cierre. Los instrumentos instrument os de medición eléctricos pueden pue den mostrar una lectura lect ura incorrecta. Las aplicaciones de recopilación de datos pueden desquiciarse, lo que lleva a la descarga de brechas y caídas de datos. Por todas estas razones, es esencial eliminar el ruido eléctrico de la manera más completa posible, y esto se logra en cables blindados con la ayuda de cables de drenaje. 3. Prevención de reacciones metálicas. Los conductores de cobre estañado se utilizan generalmente para hacer cables de drenaje. Este tipo de revestimiento de estaño evita que ocurran reacciones entre el conductor de cobre del cable y la pantalla de aluminio que se encuentra a su lado. La ausencia de una reacción de este tipo significa que los cables blindados se pueden utilizar durante mucho más tiempo. t iempo. A menudo, cuando dos materiales reactivos se colocan uno junto al otro dentro de un cable, la combinación de calor y electricidad dentro del cable puede crear una reacción química que corroe el interior del cable y reduce su ciclo de vida. Los cables blindados están protegidos de tal evento debido a la composición del cable de drenaje.