Breve guida per affrontare le interferenze elettromagnetiche su PROFIBUS [Prima Parte]

02 agosto 2016

In una rete PROFIBUS possono verificarsi problemi di comunicazione dovuti a diversi fattori, per esempio alla presenza di riflessioni oppure a interferenze elettromagnetiche. Per evitare problemi di questo tipo e conseguenti malfunzionamenti è fondamentale capire quali siano le cause principali.

Quali disturbi possono presentarsi su una rete PROFIBUS?

A livello elettrico, su un impianto industriale si possono verificare fenomeni fisici che potrebbero causare dei disturbi, come ad esempio: sovraccarico di tensione, picchi o tensione transitoria. Piuttosto comune è anche la presenza di rumore elettrico (segnale elettrico indesiderato che si aggiunge al segnale utile) nei cavi di alimentazione, dovuto a un errata messa a terra o schermatura del cavo, oppure alla mancata separazione dei cavi di potenza dai cavi di segnale. 

In presenza di una rete PROFIBUS queste tipologie di disturbi hanno delle ripercussioni a livello di trasmissione dati in quanto sono all’origine di numerosi malfunzionamenti: comunicazioni errate tra i vari dispositivi della rete, attivazione di allarmi senza apparente motivo, rottura dei componenti elettronici nel caso di sovraccarichi massicci di tensione. 

Le domande da porsi per evitare i più comuni malfunzionamenti su una rete PROFIBUS

I malfunzionamenti più comuni delle reti PROFIBUS sono legati prevalentemente a problemi di comunicazione, riflessioni del segnale e interferenze elettromagnetiche. Questi tre fenomeni possono essere limitati o evitati grazie a una buona progettazione della rete.
Per disegnare una rete stabile e affidabile è necessario capire questi fenomeni ponendosi alcune domande:

E’ possibile limitare i problemi di comunicazione con una corretta misura della lunghezza dei segmenti? 

Esistono diverse linee guida e best practice, fornite da Profibus International (PI), che riguardano il disegno e l'implementazione di una rete PROFIBUS. Seguendo queste linee guida è possibile ridurre sensibilmente il rischio di interferenze e problemi. Su impianti molto estesi, l’installazione PROFIBUS potrebbe comprendere anche centinaia di nodi e potrebbe essere necessario dividere l’impianto in unità automatizzate, per lo svolgimento di diversi processi. Alcuni di questi processi possono richiedere velocità di trasmissione (baudrate) elevate e altri velocità più ridotte. Il protocollo PROFIBUS fornisce la possibilità di impostare velocità di trasmissione differenti sulle diverse reti. Al variare del baudrate, varierà anche la lunghezza massima del cavo.

La velocità di trasmissione più frequente è 1.5 Mbps (circa il 76% delle applicazioni testate da PROCENTEC utilizza questa velocità). Si tratta infatti della velocità impostata di default nei sistemi di configurazione dei PLC.
Una rete con 30 dispositivi e una velocità di 1.5 Mbps presenta un tempo di ciclo medio inferiore ai 10 ms. Se non si ha l’esigenza di un baudrate elevato, riducendo la velocità di trasmissione è possibile avere lunghezze di cavo più estese. La velocità di trasmissione è infatti inversamente proporzionale alla lunghezza del segmento. Con baudrate più alti (3000, 6000 e 12000 Kbit/s) la lunghezza massima raggiungibile è di 100m per tutti i valori. 

Bisogna tenere presente che aumentando il baudrate aumenta anche la possibilità di errori di comunicazione, pertanto, a meno che non sia strettamente necessario, si può utilizzare una velocità più bassa per ottenere il giusto compromesso tra prestazioni e affidabilità. Tuttavia quando lunghezze considerevoli sono richieste, queste possono essere raggiunte grazie a repeater PROFIBUS. Questi vengono utilizzati sia per raggiungere distanze più lunghe, sia per segmentare la rete.

Qual è il problema principale che devo cercare di prevenire su una rete PROFIBUS? 

Il problema più comune è dato dalle riflessioni del segnale, che possono essere causate ad esempio da terminazioni attive spente o dall’usura dei cavi. Non bisogna sottovalutare quest’ultimo aspetto perché i cavi, grazie alla loro struttura interna, forniscono un’immunità contro le interferenze elettromagnetiche. Quindi se il cavo è danneggiato o consumato, viene a mancare questa proprietà.

In caso di rete già esistente, con riflessioni nel segnale, posso cercare di capire quale segmento di cavo sia usurato o guasto utilizzando un analizzatore di protocollo, come ProfiTrace di PROCENTEC che permette di determinare problemi sul bus e fare diagnostica della rete PROFIBUS direttamente sull’impianto (Leggi il Tutorial: Cosa posso fare con ProfiTrace?).

Se invece volessimo effettuare un monitoraggio permanente della rete installando un dispositivo connesso 24 ore su 24, la soluzione ideale è ComBricks, dispositivo modulare che esegue una diagnostica e monitoraggio continuativo. Con ComBricks è possibile sia analizzare i guasti da remoto e intercettare le riflessioni del segnale, sia prevenire i problemi grazie al sistema di alert via email. 

Perché le interferenze elettromagnetiche sono negative per la comunicazione? 

L’Interferenza ElettroMagnetica (EMI) è un’alterazione permanente o transitoria del funzionamento di un dispositivo, dovuto ad un campo elettrico o magnetico di intensità sufficiente ad essere rilevato dallo stesso. Il campo elettrico è generato dalla semplice differenza di voltaggio, mentre il campo magnetico si genera ogniqualvolta vi sia un passaggio di corrente. Poiché i dispositivi elaborano segnali elettrici, possono essere sensibili alle interferenze.

Il bus di collegamento RS-485, livello fisico utilizzato dal protocollo PROFIBUS, è formato da un cavo con due fili twistati e una calza di schermatura. La trasmissione è di tipo differenziale ovvero il segnale è il risultato della differenza tra le tensioni dei due fili che compongono il bus.

Sebbene una trasmissione di questo tipo sia molto affidabile, non è del tutto insolito che a causa dell’interferenza elettromagnetica i segnali vengano alterati in ampiezza, generando un errore nella comunicazione. Le interferenze elettromagnetiche possono causare ritrasmissioni dell’informazione o addirittura fermi macchina, i quali a loro volta determinano forti perdite economiche. Per evitare le interferenze si possono prendere alcune accortezze, tra le quali:

• Utilizzare cavi schermati e assicurarsi che la posa sia stata fatta in modo corretto (torneremo su questo punto nella seconda parte dell’articolo)
• Rendere immune un segmento dalle interferenze elettromagnetiche di un altro segmento installando repeater multicanale certificati che evitino la propagazione dell’interferenza, isolando il disturbo su un singolo tratto del bus. 

Come posso scegliere questi dispositivi? I dispositivi moderni progettati e certificati per operare in PROFIBUS devono rispondere ad alcuni requisiti di affidabilità. I dispositivi certificati si comportano come ‘gabbie di Faraday’, cioè non sono disturbati da fattori esterni e solitamente non si influenzano tra di loro. Ciò significa che utilizzando dispositivi certificati, si riduce sensibilmente il problema delle interferenze elettromagnetiche.

 

• Considerare la possibilità di impostare la ridondanza di cavo, utilizzando dispositivi che supportino tale funzionalità (come ad esempio il ProfiHub B5+R di PROCENTEC). La ridondanza è una tecnica utile quando si ha la necessità di incrementare il livello di affidabilità, essa infatti aumenta la disponibilità dell’impianto della macchina, poiché il guasto di singole apparecchiature non ha effetto sulla comunicazione.

• In fase di progettazione di un’installazione esposta a forti interferenze ambientali e disposta su una superficie ampia, considerare l’utilizzo della fibra ottica che può garantire la trasmissione coprendo diversi chilometri. Infatti il cavo della fibra offre un’eccellente immunità all’interferenza elettromagnetica. Con una topologia ad anello è inoltre possibile garantire la continuità delle comunicazioni anche in presenza di problemi su uno dei dispositivi della rete. In caso di dubbi sul tipo di configurazione è possibile rivolgersi a esperti.

Se ci troviamo ad affrontare problemi su installazioni esistenti, possiamo cercare di individuare eventuali riflessioni o interferenze elettromagnetiche. Quali strumenti possiamo utilizzare?
Per individuare i segmenti problematici è necessario utilizzare un analizzatore di rete con oscilloscopio e controllare la forma d’onda del segnale. Quest’ultima ha diversi andamenti a seconda della problematica, in particolare l’onda presenta solitamente un picco anomalo nel caso di interferenze elettromagnetiche.

 

Grazie all’analizzatore di rete siamo in grado di determinare effettivamente la presenza di un disturbo elettromagnetico e inoltre possiamo anche stabilire, con buona precisione, in che punto del segmento si sta verificando tale disturbo. Per concludere, possiamo affermare che la progettazione iniziale di una rete PROFIBUS abbia un’importanza fondamentale per prevenire fenomeni come le riflessioni o le interferenze elettromagnetiche, i quali sono all’origine di numerosi malfunzionamenti. Ogni malfunzionamento, anche piccolo o sporadico, causa costi diretti o mancati ricavi. E’ importante capire da cosa possono essere causati questi fenomeni e conoscere i principi di base da seguire nella scelta dei dispositivi e dei cavi.
La corretta progettazione della rete e l’installazione di dispositivi adeguati rappresentano le fondamenta nella creazione di una nuova infrastruttura affidabile e duratura (o nell’espansione di una rete esistente). Successivamente, nel corso della vita utile dell’impianto possono agire variabili in grado di influenzarne la stabilità, come il decorrere del tempo, l’usura e le condizioni ambientali non favorevoli. A questo proposito è molto importante, al fine di garantire l’integrità della rete PROFIBUS, effettuare attività di diagnostica con strumenti adeguati.

 

Leggi la seconda parte dell'articolo.