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Uso de Acopladores en la instalación de Buses de Campo
Artículo gentileza de Moore Hawk, representada en Chile por SOLTEX.  •  control@soltex.cl

El uso de las comunicaciones digitales entre los sistemas de instrumentación distribuida y sus redes de control, ya es una práctica establecida con muchos beneficios. No obstante, estas instalaciones requieren de algunas consideraciones adicionales a los tradicionales proyectos con comunicación en 4-20mA.

Los cables de los dispositivos de campo en 4-20mA pueden ser virtualmente imposibles de distinguir, pero al usar buses de campo, existen técnicas de cableado y accesorios especializados que permiten una realidad completamente diferente.

Los sistemas de buses de campo son simples de diseñar, porque todos los equipos de campo se conectan en paralelo. Sin embargo, en la práctica, cualquier intención de conectar los equipos de campo en una caja llena de terminales y pensar que sólo se necesita saltar entre positivos y negativos, terminará en un gran enredo. Esta puede ser la principal fuente de problemas una vez que los instaladores dejan la planta.

Una mejor idea es usar dispositivos de conexión de buses de campo o acopladores, dispositivos especialmente diseñados para la implementación de buses de campo (Figura 1), que proveen automáticamente las interconexiones necesarias sin confusiones, permitiendo una rápida instalación de los equipos. Estos deben incorporar los terminales de comunicación requeridos con la activación respectiva, ya sea manual o automática.


Protección de Cortocircuitos


Los cortocircuitos son un problema común en la instalación de los buses de campo. Durante la mantención y el trabajo de los técnicos, se puede pasar a llevar los cables; la corrosión puede debilitar las conexiones, y la vibración de bombas o motores puede provocar la pérdida de algunas conexiones. Los diseñadores de segmentos deben considerar cómo mantener la fiabilidad del sistema frente a la posibilidad de cortocircuitos en cada uno de los equipos.

Los acopladores proveen una segura defensa contra los cortocircuitos en sus canales, de dos simples maneras: limitando la corriente y mediante fold-back. Ambas acciones permiten autoresetear la conexión después de eliminada la falla y utilizan LEDs para indicar el status de la misma.

La mencionada técnica de limitación de corriente, restringe el valor de la energía que el cortocircuito puede generar entre 40mA y 60mA (dependiendo del equipo), pero mantiene esa falla en el segmento. Aunque este diseño protege el segmento del cortocircuito inicial, la corriente adicional generada por el cortocircuito puede causar que el voltaje descienda hasta llegar por debajo del mínimo de los 9V, provocando que otros dispositivos se desconecten de la red. Si se usan diseños de limitación de corriente, se debe estar seguro de que el suministro de energía del segmento pueda hacer frente a estas cargas adicionales.

Por ejemplo, un segmento puede tener 10 instrumentos de medición más 2 válvulas conectadas por 1.200 mts. de cable de 50 Ohm (250mA@60 Ohm de impedancia total del cable). En este caso, el voltaje base baja de 15V, lo que significa que llegarán sólo 10V en el instrumento más lejano.

Sin embargo, si un cortocircuito ocurre en un ramal del segmento, dicho ramal estará limitado a 60mA, lo que significa 40mA adicionales de carga en el segmento. Esto consume suficiente energía para que los equipos del bus reciban menos de 9V (7,6V en el equipo más lejano), y por consiguiente, muchos equipos se caerán del segmento. Si dos cortocircuitos ocurren, todos los dispositivos podrían caer y el sistema completo podría venirse abajo.

Figura 2: Un circuito tipo fold-back, disponible en algunos acopladores, remueve el ramal con cortocircuito del segmento, utilizando una mínima cantidad de energía para determinar cuando el corto ha sido removido.

Por lo tanto, si la protección de limitación de corriente se usa con un dispositivo de conexión o acoplador, es necesario considerar un margen de 60mA. Para cumplir con este requerimiento, se deben diseñar todos los segmentos considerando al menos una falla. Esto probablemente se traducirá en menos equipos por segmento, pero asegurará que una sola falla no cause una situación adversa.

Un diseño alternativo es el “fold-back” (Figura 2), donde cualquier ramal que supere los 48mA, es automáticamente removido del segmento. Una muy baja cantidad de corriente es utilizada para determinar cuándo el corte ha sido subsanado o removido. Durante el cortocircuito, sólo 4-5mA son usados, y por ende, el voltaje del segmento se mantiene lo suficientemente elevado para que ningún otro equipo se desconecte. LEDs de color verde y rojo para cada tramo, permiten identificar claramente el status de cada ramal en la caja de conexión.

Con los dispositivos de unión fold-back, no tiene que preocuparse de que las fallas en ramales pudieran afectar a otros equipos, por lo que se pueden instalar más instrumentos en forma confiable y segura en un segmento del bus de campo.
Ahora bien, si se considera que los costos de las tarjetas H1 y de los otros equipos del segmento pueden alcanzar cifras prohibitivas, la posibilidad de poner un mayor número de equipos por segmento puede significar un ahorro considerable. Un típico segmento Foundation Fieldbus (consistente de una tarjeta H1, suministro de energía, dispositivos de conexión y cables) puede alcanzar los US$5.000. Tomando en cuenta que una planta de proceso compleja puede tener cientos o tal vez miles de dispositivos, si se usa el margen de seguridad, la totalidad de la capacidad del bus de campo no será usada y el costo extra de los segmentos de los buses de campo puede llegar a ser tremendo.

Diciembre 2012
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