Porque esto le importa: energía y electrónica de gabinetes mezclados

11-30-2011 | Seguridad
Los gabinetes de automatización contienen cableado de alimentación, control y comunicaciones
Este gabinete de automatización contiene cableado de alimentación, control y comunicaciones. Una válvula de desconexión de 480 voltios se encuentra en la parte superior del gabinete. Los PLC cerca de la parte superior del gabinete usan entradas y salidas de 24 voltios para controlar el sistema transportador, mientras los VFD de 480 voltios cerca de la parte inferior del gabinete impulsan los motores del transportador.

Por Jack Smith

Mezclar cables trifásicos de tensión superior de 480 voltios en el mismo gabinete con cableado de control de tensión inferior de 24 o 120 voltios, además de cableado de comunicaciones, puede producir un funcionamiento errático o incluso una falla completa del equipo electrónico dentro del gabinete. Saber lo que hay dentro del gabinete antes de abrirlo, los problemas de cableado específicos que hay que buscar en el interior, qué valores medir y formas simples de corregir las fallas pueden ayudar a aliviar muchos problemas erráticos, algunas veces misteriosos, de comunicación y control en la planta.

Los gabinetes en la planta se diseñan con frecuencia como un punto de control central para la automatización y el equipo de control de procesos. Dentro del gabinete se encuentran los controladores electrónicos programables (PLC), los variadores de velocidad (VFD) y el cableado de comunicación y control asociado.

Puesto que el equipo que se controla en las instalaciones habitualmente es de 480 voltios, debe dirigir frecuentemente una alimentación trifásica de 480 voltios a través del mismo gabinete que los controles electrónicos: una ventaja tanto para la solución de problemas como para el mantenimiento. Puede usar el mismo gabinete para observar las luces indicadoras en un controlador programable, medir la tensión trifásica en el arrancador de un motor o ajustar el variador.

Lo primero es la seguridad

La seguridad siempre es la primera preocupación antes de abrir un gabinete. A medida que un técnico o un ingeniero comienza a trabajar en controles electrónicos, es natural mantener una concentración atenta en los controles y el equipo de baja tensión sospechosos, y olvidar fácilmente que el trabajo dentro de un gabinete mezclado expone a los trabajadores a tensiones peligrosas y corrientes de cortocircuito. Antes de abrir la puerta del gabinete: conozca los niveles de tensión presentes.

Los paneles de control industriales se requieren para tener etiquetas durables y legibles que establezcan la tensión nominal, el número de fases y la frecuencia de todas las alimentaciones que se encuentran en el gabinete. Los paneles más antiguos podrían no estar marcados. Muchos paneles tienen ahora una etiqueta de advertencia de arco eléctrico en la puerta del panel. Tenga en cuenta que una etiqueta de arco eléctrico habitualmente proporciona la tensión máxima en el gabinete y no incluye todas las tensiones de alimentación. Además de cualquier etiqueta, consulte los diagramas eléctricos y los manuales del proveedor, e incluso camine por los sistemas si es necesario para ayudar a determinar las alimentaciones de tensión hacia el gabinete.

Generalmente es mejor pararse al lado del gabinete, si es posible, para realizar las desconexiones, liberar los cerrojos y abrir las puertas, en caso de que algo pudiera salir mal. Una vez que la puerta del gabinete esté abierta, realice una inspección visual para detectar cualquier anomalía o intente percibir el olor del aislamiento quemado. Consulte los diagramas de circuito de control y cableado apropiados para identificar componentes y regletas terminales.

Minimización de la interferencia electromagnética

Como parte de la inspección visual, note cómo el cableado se introduce al gabinete. Los conductores de energía de 480 voltios y el cableado de control de baja tensión por lo general se introducirán mediante conductos separados. Introducir tales conductores por conductos separados en el campo ayuda a minimizar la posibilidad de interferencia electromagnética. Si los conductores de energía están demasiado cerca del cableado de control y los componentes electrónicos, ya sea en el campo o en el gabinete, es de esperarse un funcionamiento errático del equipo.

Para reducir los efectos de la interferencia electromagnética, los conductores energéticos no deberían estar cerca del cableado de control y comunicación. No hay una definición de distancia estándar para decir "cerca". Debe usar su criterio razonablemente. Mantenga los conductores de energía y control en bandejas de cables separados dentro del gabinete. Si por alguna razón es necesario que los conductores de energía y los cables de control se crucen uno encima del otro, asegúrese de que lo hagan en un ángulo de noventa grados para reducir los efectos de la interferencia electromagnética.

Separación de los circuitos de control y de energía

Parte de la inspección visual debe asegurar la separación adecuada de los circuitos de control y de energía. Para ayudar a diferenciar entre circuitos de energía y control, note los tamaños de los conductores y los esquemas de código de color en uso. El cableado del circuito de control es por lo común 16 AWG o 18 AWG. Los conductores de energía generalmente no serán menores que 12 AWG y otros son considerablemente más grandes. Los conductores puestos a tierra son blancos, grises o tienen tres franjas blancas continuas en cualquier aislamiento de color, excepto verde, azul o anaranjado. Los alambres del circuito de control blancos con una franja azul son el conductor puesto a tierra para un circuito de control de CC. Cualquier cable de control que sea anaranjado o blanco con una franja anaranjada es un conductor no puesto a tierra que permanece energizado después de que la alimentación principal se desconecta. De manera adicional, un aislamiento rojo indica un conductor no puesto a tierra en un circuito de control de AC y un aislamiento azul indica un conductor no puesto a tierra en circuitos de control de CC. Los conductores que entran al gabinete como parte de un cable multiconductor pueden tener diferentes esquemas de color. Consulte los diagramas de cableado según sea necesario.

Los conductores de energía trifásicos no puestos a tierra que se introducen al gabinete no tienen restricciones en cuanto al código de color. Habitualmente, se usan el café, el anaranjado y el amarillo para las fases A, B y C de 480 voltios, respectivamente. El negro, el rojo y el azul se usan para las fases A, B y C de 208 o 240 voltios, respectivamente.

En resumen, cuando se trata de identificar y separar cables: tenga precaución, sepa que esquemas de códigos de color se usan dentro del gabinete y, si tiene dudas, mida con un multímetro digital para verificar los niveles de tensión en distintos terminales.

Cableado de instrumentación de baja tensión

Usualmente, ya sea un "par trenzado" de conductores o bien un "cable blindado" ayudan a minimizar los efectos de la interferencia electromagnética en el cableado de instrumentación de baja tensión. En un par trenzado, un conductor se trenza alrededor del otro con el número de giros por pulgadas especificados. Un cable blindado es un cable de par trenzado con una cubierta trenzada o de lámina a lo largo de toda la extensión de los conductores; también tiene una funda termoplástica para protección física. Los cables de par trenzado minimizan los efectos de la inducción y deberían permanecer trenzados hasta su extremo. La cubierta de trenza o lámina sobre un par trenzado ayuda a impedir que se induzcan tensiones en el cable de control. Esta trenza o lámina debe ponerse a tierra solo en un extremo. Un alambre de drenaje corre a lo largo de la extensión del cable blindado, justo debajo de la lámina, por lo que es el contacto en todo lo largo del cable. El alambre de drenaje, si está presente, termina en tierra. El alambre de drenaje "drena" a tierra cualquier tensión errática inducida en el cable.

Si un circuito de control se pone a tierra en más de un punto, es seguro que ocurran problemas de control. Por ejemplo, si el alambre de drenaje se pone a tierra en cada extremo del cable, o si la funda del cable se raspa accidentalmente en algún punto y la lámina hace contacto con el metal puesto a tierra, se producirá un “lazo de tierra". La corriente no deseada ahora fluirá a través del alambre de drenaje y de la lámina entre los dos puntos puestos a tierra(el lazo de tierra) debido a la diferencia de potencial entre las tierras separadas. Durante la inspección de gabinetes, asegúrese de que cualquier aislamiento colocado sobre el extremo no puesto a tierra de los cables blindados esté en su lugar y de que el alambre de drenaje o cualquier lámina no esté accidentalmente en contacto en el gabinete.

Multímetro industrial Fluke 289 de registro de verdadero valor eficaz
Multímetro industrial Fluke 289 de registro de verdadero valor eficaz.

Realización de medidas de tensión

Una vez que corrija cualquier anomalía durante la inspección visual, tome mediciones de tensión para asegurarse de que no hay interferencia electromagnética de los conductores de energía. Use un multímetro digital con la clasificación adecuada para medir y registrar los niveles de tensión. La tensión de entrada al equipo electrónico como los PLC y los VFD se especifica por lo general como más o menos 10 % de la tensión nominal. Mida la tensión en cada dispositivo de campo de entrada y salida. Sea especialmente precavido si cualquier tensión significativa está presente donde no debería haber ninguna. Esto puede ser una indicación de inducción de los conductores energéticos, lo cual crea tensiones de circuito de bajo control. Con mucha frecuencia, la fuente de este problema se encuentra en la dirección en el campo de los conductores y ubicar el problema puede requerir una investigación considerable. Ya que la tensión inducida en el cableado del circuito de control variará a medida que la corriente varía a través del conductor energético, la tensión del circuito de control variará de manera correspondiente. Podría ser necesario usar un multímetro digital de registro, como el >Multímetro industrial Fluke 289 de registro de verdadero valor eficaz, para identificar estas variaciones.

Cierre apretado de las terminaciones del cableado de control

Revise que las terminaciones del cableado de control estén bien apretadas. Cualquier efecto de inducción electromagnética que los controles hubieran podido manejar de manera normal se exacerbará en un punto de terminación flojo y las entradas electrónicas pueden verse afectadas. De vez en cuando, los cables se aflojarán de su conector de presión, generalmente a causa de una instalación inadecuada. Compruebe los extremos de cada cable individual para asegurarse de que se encuentran bien ajustados en su conector o con el tornillo de la terminal. Apriete todos los tornillos de las terminales.

La inspección apropiada y el mantenimiento del cableado eléctrico y de control minimiza los problemas de rendimiento del equipo controlado electrónicamente. El cableado de control y los tornillos de las terminales flojos, las técnicas de puesta a tierra incorrectas y el tendido de conductores electrónicos y de energía demasiado juntos se encuentran entre las causas más comunes, y aún así más difíciles de encontrar, de la operación inadecuada del equipo. Saber lo que hay en sus gabinetes, realizar las inspecciones apropiadas e interpretar las lecturas de tensión de control ayudará a que muchos de esos misteriosos problemas del equipo desaparezcan.

¿Cómo causan problemas los cables de energía en los gabinetes mezclados?

A medida que la corriente fluye a través de un conductor, se produce un campo magnético en una ruta circular alrededor del conductor. A medida que el flujo de corriente alterna cambia de dirección, el campo magnético original se colapsará y un campo magnético se construirá en la dirección opuesta alrededor del conductor de energía. El proceso completo ocurrirá 60 veces por segundo en los circuitos de corriente alterna de 60 hercios.

Si otro conductor se encuentra al alcance de los efectos de este campo magnético cambiante, los tres requisitos para la inducción electromagnética se habrán cumplido:

  1. Hay un campo electromagnético presente (creado por el flujo de corriente en el conductor de energía).
  2. Un conductor está presente y al alcance del campo magnético (cableado de control de baja tensión).
  3. Ocurre un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético. (El campo magnético constantemente se está construyendo, colapsando y revirtiendo su dirección).

Como resultado, la tensión es creada o "inducida" en el cableado de control: de allí el término inducción electromagnética. La tensión anómala y el flujo de corriente creado en el cableado de control se conocen como interferencia electromagnética, o EMI. La EMI puede producir suficiente tensión para que un PLC o VFD "vea" una señal falsa. O bien, la tensión en el cableado de control puede distorsionarse a causa de la EMI y el equipo electrónico alimentado por el cableado de control no funcionará correctamente.

Lista de verificación para la inspección de gabinetes que contienen circuitos de control y de energía

  1. Determinar los niveles de tensión dentro del gabinete antes de abrir la puerta de la carcasa.
  2. Seguir todas las prácticas de trabajo eléctrico seguro, incluido el uso adecuado de EPP y el establecimiento de límites de aproximación.
  3. Pararse a un costado, si es posible, al abrir la puerta del gabinete.
  4. Realizar una inspección visual del cableado y los componentes para detectar cualquier anomalía obvia.
  5. Observar los esquemas de código de colores y diferenciar entre los conductores de energía y de control.
  6. Verificar la separación adecuada de los circuitos de control y de energía.
  7. Verificar que si cualquier cableado eléctrico y de control se cruzan entre sí, lo hagan en un ángulo de noventa grados.
  8. Medir los niveles de tensión de las alimentaciones eléctricas del equipo electrónico y verificar que se encuentran dentro de las clasificaciones del fabricante.
  9. Medir la tensión de los dispositivos de entrada y salida del campo y verificar que se encuentran en el rango de las especificaciones.
  10. Comprobar la integridad de todas las terminaciones de control y apretar los tornillos de las terminales.