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A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto é comum que se tenha problemas de compatibilidade eletromagnética.
A EMI é a energia que causa resposta indesejável a qualquer equipamento e que pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de circuitos de potência, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas, acionamentos de relés, chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores, ignições automotivas, descargas atmosféricas e mesmo as descargas eletrostáticas entre pessoas e equipamentos, aparelhos de microondas, equipamentos de comunicação móvel, etc. Tudo isto pode provocar alterações causando sobretensão, subtensão, picos, transientes, etc. e que em uma rede de comunicação, PROFIBUS ou qualquer outra rede digital, pode ter seus impactos. Isto é muito comum nas indústrias e fábricas, onde a EMI é muito freqüente em função do maior uso de máquinas (máquinas de soldas, por exemplo) e motores (CCMs) e em redes digitais e de computadores próximas a essas áreas.
O maior problema causado pela EMI são as situações esporádicas e que degradam aos poucos os equipamentos e seus componentes. Os mais diversos problemas podem ser gerados pela EMI, por exemplo, em equipamentos eletrônicos, podemos ter falhas na comunicação entre dispositivos de uma rede de equipamentos e/ou computadores, alarmes gerados sem explicação, atuação em relés que não seguem uma lógica e sem haver comando para isto e, queima de componentes e circuitos eletrônicos, etc. É muito comum a presença de ruídos na alimentação pelo mau aterramento e blindagem, ou mesmo erro de projeto.
A topologia e a distribuição do cabeamento, os tipos de cabos, as técnicas de proteções são fatores que devem ser considerados para a minimização dos efeitos de EMI. Lembrar que em altas freqüências, os cabos se comportam como um sistema de transmissão com linhas cruzadas e confusas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Mantenha em boas condições as conexões. Conectores inativos por muito tempo podem desenvolver resistência ou se tornar detectores de RF.
Um exemplo típico de como a EMI pode afetar o comportamento de um componente eletrônico, é um capacitor que fique sujeito a um pico de tensão maior que sua tensão nominal especificada, com isto pode-se ter a degradação do dielétrico (a espessura do dielétrico é limitada pela tensão de operação do capacitor, que pode produzir um gradiente de potencial inferior à rigidez dielétrica do material), causando um mau funcionamento e em alguns casos a própria queima do capacitor. Ou ainda, podemos ter a alteração de correntes de polarização de transistores levando-os a saturação ou corte, ou dependendo da intensidade a queima de componentes por efeito joule.
Veremos neste artigo alguns detalhes sobre Profibus, aterramento, blindagem, ruídos, interferências, reflexões e muito mais.
Muitas vezes a confiabilidade de um sistema de controle é frequentemente colocada em risco devido às suas más instalações. Comumente, os usuários fazem vistas grossas e em análises mais criteriosas, descobre-se problemas com as instalações, envovendo cabos e suas rotas e acondicionamentos, blindagens e aterramentos.
É de extrema importância que haja a conscienização de todos os envolvidos e mais do que isto, o comprometimento com a confiabilidade e segurança operacional e pessoal em uma planta.
Este artigo provê informações e dicas sobre aterramento e vale sempre a pena lembrar que as regulamentações locais, em caso de dúvida, prevalecem sempre.
Existem vários requisitos que devem ser seguidos para assegurar os diversos níveis de confiabilidade, incluindo:
E existe uma relação direta entre confiabilidade e custo e mais do que isto, segurança e custo e aí, por muitas vezes, há a negligência técnica. Existem condições mínimas regulamentadas e estas devem ser cumpridas em suas totalidades.
A NBR-5410 é a norma brasileira para instalações elétricas em baixa tensão. Ela orienta como configurar e calcular os sistemas de aterramentos, assim como os pontos equipotenciais para conexão dos sistemas de proteção elétrica, eletrônicos e sistemas de para raios.
Normas complementares:
É a ligação intencional de um equipamento ou um sistema à terra de tal forma a proporcionar um caminho seguro e de baixa resistência.
Importante:
Todo circuito deve dispor de condutor de proteção em toda a sua extensão.
Os sistemas de aterramento devem executar várias funções simultâneas: como proporcionar segurança pessoal e para o equipamento. Resumidamente, segue uma lista de funções básicas dos sistemas de aterramento em:
O condutor neutro é normalmente isolado e o sistema de alimentação empregado deve ser o TN-S (T: ponto diretamente aterrado, N: massas ligadas diretamente ao ponto de alimentação aterrado, S: condutores distintos para neutro e proteção).
O condutor neutro exerce a sua função básica de conduzir as correntes de retorno do sistema.
O condutor de proteção exerce a sua função básica de conduzir à terra as correntes de massa. Todas as carcaças devem ser ligadas ao condutor de proteção.
O condutor de equipotencialidade deve exercer a sua função básica de referência de potencial do circuito eletrônico.
Figura 1 – Sistema TN-S
Para atender as funções anteriores destacam-se três características fundamentais:
Independente da finalidade, proteção ou funcional, o aterramento deve ser único em cada local da instalação. Existem situações onde os terras podem ser separados, porém precauções devem ser tomadas.
Em relação à instalação dos componentes do sistema de aterramento alguns critérios devem ser seguidos:
Definição: Equipotencializar é deixar tudo no mesmo potencial.
Na prática: Equipotencializar é minimizar a diferença de potencial para reduzir acidentes.
Em cada edificação deve ser realizada uma equipotencialização principal e ainda as massas das instalações situadas em uma mesma edificação devem estar conectadas a equipotencialização principal e desta forma a um mesmo e único eletrodo de aterramento. Veja figuras 2 e 3.
A equipotencialização funcional tem a função de equalizar o aterramento e garantir o bom funcionamento dos circuitos de sinal e a compatibilidade eletromagnética.
Principal – deve ter no mínimo a metade da seção do condutor de proteção de maior seção e no mínimo:
Figura 2 – Equipotencialização
Figura 3 – Linha de Aterramento e Equipotencial em Instalações
Figura 4 – Material para Equipotencializar
Observe a figura 5, onde temos uma fonte geradora de alta tensão e ruídos de alta freqüência e um sistema de medição de temperatura a 25 m da sala de controle e onde dependendo do acondicionamento dos sinais, podemos ter até 2.3kV nos terminais de medição. Conforme vai se melhorando as condições de blindagem, aterramento e equalização chega-se à condição ideal para a medição.
Figura 5 – Exemplo da importância do aterramento e equipotencialização e sua influência no sinal
Em sistemas distribuídos, como de controle de processos industriais, onde se tem áreas fisicamente distantes e com alimentação de diferentes fontes, a orientação é que se tenha o sistema de aterramento em cada local e que sejam aplicadas as técnicas de controle de EMI em cada percurso do encaminhamento de sinal, conforme representado na figura 2.
As implicações que um mau ou mesmo inadequado aterramento pode causar não se limitam apenas aos aspectos de segurança. Os principais efeitos de um aterramento inadequado são choques elétricos aos usuários pelo contato, resposta lenta (ou intermitente) dos sistemas de proteção (fusíveis, disjuntores, etc.).
Mas outros problemas operacionais podem ter origem no aterramento deficiente:
O sistema de aterramento deve ser único e deve atender a diferentes finalidades:
A conseqüência é que equipamentos com carcaças metálicas ficam expostos a ruído nos circuitos de aterramento (energia e raios).
Para atender aos requisitos de segurança, proteção contra raios e EMI, o sistema de aterramento deveria ser um plano com impedância zero, onde teríamos a mistura de diferentes níveis de corrente destes sistemas sem interferência. Isto é, uma condição ideal, onde na prática não é bem assim.
O sistema de aterramento por um único pode ser visto na figura 6, onde o ponto marcante é um único ponto de terra do qual se tem a distribuição do mesmo para toda a instalação.
Figura 6 – Aterramento em um único ponto
Esta configuração é mais apropriada para o espectro de freqüências baixas e ainda atende perfeitamente a sistemas eletrônicos de alta freqüência instalados em áreas reduzidas.
E ainda, este sistema dever ser isolado e não deve servir de caminho de retorno para as correntes de sinais, que devem circular por condutores de sinais, por exemplo, com pares balanceados.
Para freqüências altas, o sistema multiponto é o mais adequado, conforme caracterizado na figura 7a, inclusive simplificando a instalação.
Figura 7a– Aterramento em multipontos
Figura 7b– Aterramento na Prática
Muitas conexões de baixa impedância entre os condutores PE e os eletrodos de aterramento em combinação com múltiplos caminhos de alta impedância entre os eletrodos e as impedâncias dos condutores cria um sistema de aterramento complexo com uma rede de impedância (ver figura 7b), e as correntes que fluem através dele provoca diferentes potenciais de terra nas interligações em vários desta rede.
Os sistemas com aterramentos multipontos que empregam circuitos balanceados geralmente não apresentam problemas de ruídos. Neste caso ocorre filtragem do ruído, onde o seu campo fica contido entre o cabo e o plano de terra.
Figura 8 – Aterramento em multipontos inadequado
Figura 9 – Aterramento adequado, em um único ponto
Na figura 9, tem-se um aterramento adequado onde as correntes individuais são conduzidas a um único ponto de aterramento.
Um loop de terra ocorre quando existe mais de um caminho de aterramento, gerando correntes indesejáveis entre estes pontos.
Estes caminhos formam o equivalente ao loop de uma antena que capta as correntes de interferência com alta eficiência.
Com isto a referência de tensão fica instável e o ruído aparece nos sinais.
Figura 10 – Loop de terra
Na prática, o que se faz é um “sistema misto”, separando circuitos semelhantes e segregando quanto ao nível de ruído:
Sendo estes três circuitos conectados ao condutor de proteção.
Figura 11– Aterramento ao nível dos equipamentos na prática
Os sinais podem variar basicamente devido a:
As principais fontes de interferências são:
O acoplamento capacitivo é representado pela interação de campos elétricos entre condutores. Um condutor passa próximo a uma fonte de ruído (perturbador), capta este ruído e o transporta para outra parte do circuito (vítima). É o efeito de capacitância entre dois corpos com cargas elétricas, separadas por um dielétrico, o que chamamos de efeito da capacitância mútua.
O efeito do campo elétrico é proporcional à freqüência e inversamente proporcional à distância.
O nível deperturbação depende das variações da tensão (dv/dt) e o valor da capacitância de acoplamento entre o “cabo perturbador” e o “cabo vítima”.
A capacitância de acoplamento aumenta com:
As figuras 12a e 12b mostram exemplos de acoplamentos capacitivos.
Figura 12a - Efeito por acoplamento capacitivo
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Figura 12b – Exemplo de efeito por acoplamento capacitivo
Na figura 13 podemos ver o acoplamento e suas fontes de tensão e corrente em modo comum e diferencial.
Figura 13 – Modo diferencial e modo comum – Acoplamento capacitivo
Envolva sempre que possível o condutor ou equipamento com material metálico (blindagem de Faraday). O ideal é que cubra cem por cento da parte a ser protegida e que se aterre esta blindagem para que a capacitância parasita entre o condutor e a blindagem não atue como elemento de realimentação ou de crosstalk. A figura 14 mostra a interferência entre cabos, onde o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão.Nesta situação a corrente de interferência é drenada ao terra pelo shield, sem afetar os níveis de sinais.
Figura 14 – Interferência entre cabos: o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão
A figura 15 mostra exemplo de proteção contra transientes.
Figura 15 - Exemplo de proteção contra transientes (melhor solução contra corrente de Foucault)
Interferências eletrostáticas podem ser reduzidas:
A figura 16 mostra a capacitância de acoplamento entre dois condutores separados por uma distância D.
Figura 16 – Acoplamento capacitivo entre condutores a uma distância D
O “cabo perturbador” e o “cabo vítima” são acompanhadas por um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo.
O acoplamento indutivo aumenta com:
Figura 17a – Acoplamento indutivo entre condutores
Figura 18 – Acoplamento indutivo entre cabo e campo
Figura 19 – Acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra
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Cabo de Comunicação Profibus |
Cabos com e sem shield: 60Vdc ou 5Vac e < 400Vac |
Cabos com e sem shield: > 400Vac |
Qualquer cabo sujeito à exposição de raios |
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Cabo de comunicação Profibus |
10 cm |
20 cm |
50 cm |
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Cabos com e sem shield: 60Vdc ou 25Vac e< 400Vac |
10 cm |
10 cm |
50 cm |
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Cabos com e sem shield: > 400Vac |
20 cm |
10 cm |
50 cm |
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Qualquer cabo sujeito à exposição de raios |
50 cm |
50 cm |
50 cm |
Tabela 1 – Distâncias entre cabos Profibus e outros tipos de cabos para garantir a proteção a EMI
Figura 20 – Interferência entre cabos: campos magnéticos através do acoplamento indutivo entre cabos induzem transientes (pickups eletromagnéticos) de corrente
As Interferências Eletromagnéticas podem ser reduzidas:
Figura 21 – Indutância mútua entre dois condutores
Para minimizar o efeito de indução deve-se usar o cabo de par trançado que minimiza a área (S) e diminuem o efeito da tensão induzida Vb em função do campo B, balanceando os efeitos ( média dos efeitos segundo as distâncias):
O cabo de par trançado é composto por pares de fios. Os fios de um par são enrolados em espiral a fim de, através do efeito de cancelamento, reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio por toda a sua extensão.
O efeito de redução com o uso da trança tem sua eficiência em função do cancelamento do fluxo, chamada de Rt (em dB):
onde n é o número de voltas/m e l é o comprimento total do cabo.Veja figura 22a e figura 22b.
O efeito de cancelamento reduz a diafonia (crosstalk) entre os pares de fios e diminui o nível de interferência eletromagnética/radiofreqüência. O número de tranças nos fios pode ser variado a fim de reduzir o acoplamento elétrico. Com sua construção proporciona um acoplamento capacitivo entre os condutores do par.Tem um comportamento mais eficaz em baixas freqüências (< 1MHz).Quando não é blindado, tem a desvantagem com o ruído em modo-comum. Para baixas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é menor que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem (malha ou shield) apresentará o mesmo potencial em toda sua extensão, neste caso recomenda-se conectar a blindagem em um só ponto de terra. Em altas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é maior que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem apresentará alta suscetibilidade ao ruído e neste caso recomenda-se que seja aterrada nas duas extremidades.
No caso indutivo Vruído = 2πBAcosα onde B é o campo e α é o ângulo em que o fluxo corta o vetor área(A) ou ainda em função da indutância mútua M: Vruído = 2πfMI onde I é a corrente no cabo de potência.
Figura 22a – Efeito de acoplamento indutivo em cabos paralelos
Figura 22b – Minimização do efeito de acoplamento indutivo em cabos torcidos
Figura 22c – Exemplo de ruído por indução
Figura 22d – Cabos Profibus próximos a cabo de potência
O uso de cabo de par trançados é muito eficiente desde que a indução em cada área de torção seja aproximadamente igual a indução adjacente.Seu uso é eficiente em modo diferencial, circuitos balanceados e tem baixa eficiência em baixas freqüências em circuitos desbalanceados. Em circuitos de alta freqüência com multipontos aterrados, a eficiência é alta uma vez que a corrente de retorno tende a fluir pelo retorno adjacente. Contudo, em altas freqüências em modo comum o cabo tem pouca eficiência.
A figura 23 detalha a situação do Profibus-DP e os loops de terra.
Figura 23 - Profibus-DP e os loops de terra
Veremos a seguir o uso de canaletas metálicas na minimização de correntes de Foucault.
O espaçamento entre as canaletas facilita a perturbação gerada pelo campo magnético. Além disso, esta descontinuidade pode facilitar a diferença de potencial entre cada segmento da canaleta e no caso de um surto de corrente, gerado, por exemplo, por uma descarga atmosférica ou um curto, a falta de continuidade não permitirá que a corrente circule pela canaleta de alumínio, conseqüentemente não protegerá o cabo Profibus.
O ideal é que se una cada segmento com a maior área de contato possível o que terá uma maior proteção à indução eletromagnética e ainda que se tenha entre cada segmento um condutor de cada lado da canaleta, com comprimento o menor possível, para garantir um caminho alternativo às correntes caso haja um aumento de resistência nas junções entre os segmentos.
Com a montagem adequada da canaleta de alumínio, o campo, ao penetrar na placa de alumínio da canaleta, produz um fluxo magnético variável em função do tempo [f = a.sen(w.t)], dando origem a uma f.e.m. induzida [ E = - df/dt = a.w.cos(w.t)].
Em freqüências altas, a f.e.m. induzida na placa de alumínio será maior, dando origem a um campo magnético maior, anulando quase que completamente o campo magnético gerado pelo cabo de potência. Esse efeito de cancelamento é menor em baixas freqüências. Em altas freqüências o cancelamento é mais eficiente.
Esse é o efeito das placas e telas metálicas frente à incidência de ondas eletromagnéticas; elas geram seus próprios campos que minimizam ou mesmo anulam o campo através delas, funcionando assim como verdadeiras blindagens às ondas eletromagnéticas. Funcionam como uma gaiola de Faraday.
Certifique-se que as chapas e os anéis de acoplamento sejam feitos do mesmo material que as canaletas/bandejas de cabos. Proteja os ponto de conexões contra corrosão depois da montagem, por exemplo, com tinta de zinco ou verniz.
Embora os cabos sejam blindados, a blindagem contra campos magnéticos não é tão eficiente quanto é contra campos elétricos.
Em baixas freqüências, os pares trançados absorvem a maior parte dos efeitos da interferência eletromagnética.
Já em altas freqüências esses efeitos são absorvidos pela blindagem do cabo.
Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos ao sistema de linha equipotencial.
Figura 24 – Proteção de transientes com o uso de canaletas metálicas
Em nível de projeto e instalação devemos estar atentos quanto aos conceitos e técnicas de proteção de equipamentos de campo PROFIBUS DP e PROFIBUS PA em termos de sinais de alta tensão e correntes induzidas por raios ou outras fontes.
É de conhecimento que as instalações dos sistemas de controle podem ser constituídas pela distribuição aérea e subterrânea de cabos, bandejamentos, cabos próximos a cabos de alta tensão e que podem estar suscetíveis à exposição de raios, descargas eletrostática e interferência eletromagnética(EMI). A interferência eletromagnética pode ser radiada (via ar), conduzida (via condutores), induzida (normalmente acima de 30MHz) ou combinação das mesmas. Para termos uma idéia da tensão gerada pela descarga eletrostática, se considerarmos um condutor com 50nH de indutância podemos falar de picos de tensão da ordem de 200V(V = L*di/dt) ou mais, uma vez que um pulso de corrente gerado pela descarga eletrostática tem um tempo de subida muito curto, da ordem de 4A/ns.
Esta exposição pode afetar o comportamento de sinais e mesmo danificar equipamentos, uma vez que os mesmos possuem componentes de baixa potência (low power) e que facilmente podem queimar com a sobretensão.
O que é um protetor de transiente?
O protetor de transiente é um dispositivo de proteção, um hardware, que adequadamente posicionado (veremos a seguir) e instalado pode proteger os equipamentos, limitando os níveis de transientes que possam atingir os mesmos. Atua praticamente instantaneamente “desviando” o transiente para o terra e controlando a tensão a um nível que não danifica o equipamento a ele conectado. Quando a corrente chega a um nível aceitável, a operação normal é automaticamente restabelecida.
No mercado existe uma variação muito grande de modelos. Estes dispositivos de proteção são baseados em uma combinação de componentes como os tubos de descarga de gás (GDTs, surge arresters), diodos de cortes (Clamping Voltage) e varistores de óxido-metal (MOVs) que se caracterizam pela operação rápida, controle de tensão preciso e retorno automático uma vez que a sobretensão cesse.
Figura 25 – Surge Arrester.
Em instalações PROFIBUS PA, as tensões que ultrapassam as condições normais de operação, são conhecidas como “surge” e aparecem de forma transitória, podendo afetar o comportamento da rede. Vale lembrar que, como toda rede fieldbus, tem-se a troca de dados e o mais importante é se garantir a integridade dos dados, garantindo a segurança operacional da planta.
Quanto maior o tronco e as derivações da rede PROFIBUS PA, maior será a amplitude de transientes justamente pela exposição à diferença de potencial de terra. Dano significante também pode ser causado em equipamento conectado por cabos relativamente curtos se os circuitos ou componentes forem particularmente sensíveis. Em algumas situações, dependendo da energia, pode-se ter danos sérios instalações e equipamentos.
O cabo padrão para a rede PROFIBUS PA é o cabo de par trançados, onde se tem justamente a trança dos condutores para minimizar as tensões entre as linhas, porém, como citado anteriormente, a diferença de potencial de terra pode causar dano em componentes e conseqüentemente afetar o comportamento, tornando o sistema sensível. Devemos lembrar ainda que o cabo, sua distribuição, são fatores a serem considerados em favor da minimização de ruídos e transientes. É recomendado o uso da blindagem que age basicamente como uma gaiola de Faraday e tem sua eficiência maximizada contra ruídos em modo-comum quando é aterrada na fonte de sinal. Além disso, garante a maior proteção à EMI.
Figura 26 – Cabo de par trançados PROFIBUS PA.
Em termos do protetor de transiente, recomenda-se que a tensão limite não seja muito maior que a tensão de trabalho do equipamento e na prática é comum usar esta tensão como duas vezes a tensão de trabalho do equipamento. Em termos de raios, estudos mostram que as descargas podem gerar correntes de 2 kA a 200 kA com correntes de pico com duração de menos de 10μs.
A escolha do protetor de transiente deve ser criteriosa, pois este pode degradar o sinal PROFIBUS PA e ainda limitar o número de equipamentos. Dependendo do fabricante, este dispositivo pode acrescentar capacitância e resistência na rede PROFIBUS PA e estas afetar a forma de onda do sinal de comunicação. Além disso, alguns diodos de corte podem não ser transparentes para a rede e também podem afetar os níveis de sinais. Na prática, o usuário deve buscar dispositivos que atendam a IEC 61643-21 e ofereçam altas correntes de surge(da ordem de 10 kA) e acrescentem menos de 1?e menos de 40pF ao cabeamento.
Figura 27 – Distâncias mínimas recomendadas no cabeamento PROFIBUS.
O grau de interferência em cabos vai depender de uma série de fatores como projeto, construção e características dos mesmos, bem como de sua interação com outros elementos da rede PROFIBUS (conectores, equipamentos, terminais, outros cabos, blindagem, etc.), além de certos parâmetros do sistema e propriedades do ambiente. Há uma variedade de fatores que limitam o desempenho de transmissão de sinais digitais associados aos cabos e que devem ser considerados no projeto e utilização destes, tais como:
o atenuação;
o ruído, que pode ser dos seguintes tipos:
♦ ruído diferencial (característico do circuito);
♦ ruído longitudinal (por interferência devida a cabos de alimentação elétrica);
♦ ruído impulso;
♦ diafonia (crosstalk);
♦ distorções por atraso de propagação;
♦ jitter(ruído de fase);
Figura 28 – Grau de interferência em um sinal Profibus
Chamamos de distância efetiva a separação física entre dois dispositivos aterrados na instalação da rede.
Toda vez que se tiver uma distância efetiva maior que 100m na horizontal ou 10m na vertical entre dois pontos aterrados, recomenda-se o uso de protetores de transientes, no ponto inicial e final da distância. Na prática, na horizontal, entre 50 e 100m, recomenda-se o uso.
Figura 29 – Uso de protetor de transiente e distância efetiva.
Figura 30 – Exemplo de protetor de transiente para a rede PROFIBUS PA.
As regras de distância efetiva também são aplicadas à rede e equipamentos PROFIBUS DP.
De acordo com a figura 31, haverá proteção se houver uma queda de tensão ou quando houver um surge que exceda a tensão de breakdown ou mesmo qualquer surge diferencial. De acordo com a figura 32, esta proteção é indicada quando não é possível o aterramento e assim sendo, qualquer surge diferencial será convertido em modo comum.
Figura 31 – Proteção com isolação para o terra.
Figura 32 – Proteção com isolação em modo comum.
Na prática, o usuário deve buscar dispositivos que atendam a IEC 61643-21 e ofereçam correntes de surge da ordem de 700 A.
As interferências em cabos de redes digitais e instrumentação podem acontecer por:
As Interferências Eletrostáticas podem ser reduzidas:
As Interferências Eletromagnéticas podem ser reduzidas:
Basicamente temos 4 tipos de interferências:
Vamos comentar sobre o efeito Corona. Cabos de inversores carregam a energia do sistema de controle de velocidade até o motor AC. Estes cabos devem suportar não somente a alta potência dos sinais MLP ( Modulação de Largura de Pulso ), mas também a alta tensão que ocorre quando ondas estacionárias se desenvolvem nos condutores, devido ao não casamento de impedância do cabo com a do motor e a velocidade de chaveamento dos inversores modernos. Esta alta tensão pode ocasionar descargas por efeito corona entre os condutores dos cabos convencionais, causando estragos não somente nos cabos, mas também no acionamento variável com o inversor.
Atualmente existem cabos especiais que usam uma isolação de espessura maior, mais estável eletricamente nos condutores. Esta isolação aumenta a distância física entre os condutores e conseqüentemente diminuem as chances de uma descarga por efeito corona. Adicionalmente, com a redução desta capacitância, as amplitudes das ondas estacionárias são reduzidas bem como a transferência de ruídos para a malha de terra.
A condição ideal de aterramento para uma planta e suas instalações é quando se obtém o mesmo potencial em qualquer ponto. Isso pode ser conseguido com a ligação de todos os sistemas de aterramento da mesma através de um condutor de equalização de potencial. Essa condição é chamada de equipotencialização, como já citado anteriormente.
Assim, para qualquer pessoa dentro das edificações, mesmo se houver um aumento das tensões presentes não haverá o risco de choque elétrico, uma vez que todos os elementos estarão com o mesmo potencial de terra.
Quando se fala em shield e aterramento, na prática existem outras maneiras de tratar este assunto, onde há muitas controvérsias, como por exemplo, o aterramento do shield pode ser feito em cada estação através do conector 9-pin sub D, onde a carcaça do conector dá contato com o shield neste ponto e ao conectar na estação é aterrado. Este caso, porém, deve ser analisado pontualmente e verificado em cada ponto a graduação de potencial dos terras e se necessário, equalizar estes pontos. O sistema de linha equipotencial é usado para nivelar o potencial de terra em diferentes locais da planta de forma que nenhuma corrente circule sobre a blindagem do cabo.
Em áreas perigosas deve-se sempre fazer o uso das recomendações dos órgãos certificadores e das técnicas de instalação exigidas pela classificação das áreas. Um sistema intrinsecamente seguro deve possui componentes que devem ser aterrados e outros que não. O aterramento tem a função de evitar o aparecimento de tensões consideradas inseguras na área classificada. Na área classificada evita-se o aterramento de componentes intrinsecamente seguros, a menos que o mesmo seja necessário para fins funcionais, quando se emprega a isolação galvânica. A normalização estabelece uma isolação mínima de 500 Vca. A resistência entre o terminal de aterramento e o terra do sistema deve ser inferior a 1Ω. No Brasil, a NBR-5418 regulamenta a instalação em atmosferas potencialmente explosivas.
Quanto ao aterramento, recomenda-se agrupar circuitos e equipamentos com características semelhantes de ruído em distribuição em série e unir estes pontos em uma referência paralela. Recomenda-se aterrar as calhas e bandejamentos.
Um erro comum é o uso de terra de proteção como terra de sinal. Vale lembrar que este terra é muito ruidoso e pode apresentar alta impedância. É interessante o uso de malhas de aterramento, pois apresentam baixa impedância. Condutores comuns com altas freqüências apresentam a desvantagem de terem alta impedância. Os loops de correntes devem ser evitados. O sistema de aterramento deve ser visto como um circuito que favorece o fluxo de corrente sob a menor impedância possível. O valor de terra recomendado é que seja menor do que 10 Ω.
O shield (a malha, assim como a lâmina de alumínio) deve ser conectado ao terra funcional do sistema via conector PROFIBUS-DP, de tal forma a proporcionar uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada.
Ao passar o cabo, deve-se ter o cuidado de que o acabamento doshield esteja bem feito e não dando contato com outros pontos a não ser os pontos de terra. A máxima proteção se dá com os pontos aterrados, onde se proporciona um caminho de baixa impedância aos sinais de alta freqüência.
Em casos onde se tem um diferencial de tensão entre os pontos de aterramento, por exemplo, áreas distintas em prédios separados recomenda-se passar junto ao cabeamento uma linha de equalização de potencial (a própria calha metálica pode ser usada ou, por exemplo, um cabo AWG 10-12). Veja Figura 33.
Desta forma se tem a proteção é mais efetiva para uma ampla faixa de freqüência.
Figura 33 – Linha de Equipotencial.
A Figura 34 apresenta detalhes de cabeamento, shield e aterramento quando se tem áreas distintas.
Figura 34 – Detalhe de Cabeamento em Áreas Distintas com Potenciais de Terras Equalizados.
Ao considerar a questão de shield e aterramento em barramentos de campo, deve-se levar em conta:
De acordo com a IEC61158-2, aterrar significa estar permanentemente conectado ao terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade de condução suficiente para prevenir qualquer tensão que possa resultar em danos de equipamentos ou pessoas. Linhas de tensão com 0 Volts devem ser conectadas ao terra e serem galvanicamente isoladas do barramento fieldbus. O propósito de se aterrar o shield é evitar ruídos de alta freqüência.
Preferencialmente, o shield deve ser aterrado em dois pontos, no início e final de barramento, desde que não haja diferença de potencial entre estes pontos, permitindo a existência e caminhos a corrente de loop. Na prática, quando esta diferença existe, recomenda-se aterrar shield somente em um ponto, ou seja, na fonte de alimentação ou na barreira de segurança intrínseca. Deve-se assegurar a continuidade da blindagem do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo.
O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção.
Nunca se deve utilizar o shield como condutor de sinal. É preciso verificar a continuidade do shield até o último equipamento PA do segmento, analisando a conexão e acabamento, pois este não deve ser aterrado nas carcaças dos equipamentos.
Em áreas classificadas, se uma equalização de potencial entre a área segura e área perigosa não for possível, o shield deve ser conectado diretamente ao terra (Equipotencial Bonding System) somente no lado da área perigosa. Na área segura, o shield deve ser conectado através de um acoplamento capacitivo (capacitor preferencialmente cerâmico (dielétrico sólido), C<= 10nF, tensão de isolação >= 1.5kV).
Figura 35 – Combinação Ideal de Shield e Aterramento.
Figura 36 – Aterramento Capacitivo.
A IEC 61158-2 recomenda que se tenha a isolação completa. Este método é usado principalmente nos Estados Unidos e na Inglaterra. Neste caso, o shield é isolado de todos os terras, a não ser o ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro. O shield tem continuidade desde a saída do coupler DP/PA, passa pelas caixas de junções e distribuições e chega até os equipamentos. As carcaças dos equipamentos são aterradas individualmente do lado não seguro. Este método tem a desvantagem de não proteger os sinais totalmente dos sinais de alta freqüência e, dependendo da topologia e comprimento dos cabos, pode gerar em alguns casos a intermitência de comunicação. Recomenda-se nestes casos o uso de canaletas metálicas.
Outra forma complementar à primeira seria ainda aterrar as caixas de junções e as carcaças dos equipamentos em uma linha de equipotencial de terra, do lado não seguro. Os terras do lado não seguro com o lado seguro são separados.
A condição de aterramento múltiplo também é comum, onde se tem uma proteção mais efetiva às condições de alta freqüência e ruídos eletromagnéticos. Este método é preferencialmente adotado na Alemanha e em alguns países da Europa. Neste método, o shield é aterrado no ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro e, além disso, no terra das caixas de junções e nas carcaças dos equipamentos, sendo estas também aterradas pontualmente, no lado não seguro. Outra condição seria complementar a esta, porém os terras seriam aterrados em conjunto em uma linha equipotencial de terra, unindo o lado não seguro ao lado seguro.
Para mais detalhes, sempre consultar as normas de segurança do local. Recomenda-se utilizar a IEC60079-14 como referência em aplicações em áreas classificadas.
Figura 37 – Várias Formas de Aterramento e Shield.
Em síntese, pode-se adotar as seguintes formas de aterramento do shield:
Quando se tem os aterramentos em dois pontos a resistência do aterramento deve ser a mais baixa possível em ambos os extremos para minimizar os loops de terra, principalmente em baixas freqüências. A figura 38 mostra uma situação em campo onde o shield estava aterrado em vários pontos, nas carcaças de vários equipamentos Profibus-PA e nesta condição o sinal ficava com ruído e atenuado. Na figura 39, temos o mesmo sinal, ao se desconectar o shield e deixando-o somente aterrado em um ponto no terra do painel (no coupler DP/PA).
Figura 38 – Sinal Profibus-PA com shield aterrado na carcaça do equipamento
Figura 39 – Sinal Profibus-PA com shield aterrado somente em um ponto
Em baixas freqüências, de níveis de CC até 1 MHz, a blindagem do cabo pode ser aterrada em uma única extremidade do cabo e oferecer uma boa resposta quanto aos efeitos da interferência eletromagnética. Em freqüências mais altas, recomenda-se aterrar a blindagem do cabo em ambas as extremidades do cabo. Nesses casos, é muito importante que as diferenças de potencial de terra em ambos os pontos de conexão ao aterramento sejam as mínimas possíveis. A diferença em tensão, entre ambos os extremos deve ser, no máximo, de 1 V (rms) para que os efeitos dos loops de terra sejam minimizados. É também importante considerar que em altas freqüências há a capacitância parasita de acoplamento que tende a completar o loop quando a blindagem está aterrada em um único extremo do cabo.
A figura 40 mostra um sinal Profibus-PA onde o aterramento da rede digital estava junto ao aterramento de um CCM.
Na questão da melhor eficiência de proteção a ruídos, a dupla blindagem (trança e folha) tem sido aplicada com melhora significativa na relação sinal/ruído e podemos comentar que:
No caso das baixas freqüências pode-se aterrar o cabo em apenas uma das extremidades e espera-se neste caso que nestas freqüências a blindagem apresente o mesmo potencial. Com isto teríamos uma maior proteção em ruídos de baixas freqüências.
No caso das altas freqüências, a blindagem apresentará alta suscetibilidade ao ruído e neste caso, recomenda-se que seja aterrada nas duas extremidades (aqui alguns cuidados devem ser tomados na prática por questões da equipotencialidade e mesmo segurança).
Com esta alternativa da dupla proteção, protegeria a comunicação das baixas e altas freqüências, sendo melhor na proteção a EMI.
A eficácia da malha(trança) é geralmente mais eficaz em baixas freqüências, enquanto que a folha é mais eficaz em freqüências mais altas.
Cabos com shield em espiral precisam ser avaliados, pois podem apresentar efeitos indutivos e serem ineficientes em altas freqüências.
Em relação a inversores, que normalmente serão geradores de ruídos, um ponto importante é que a maioria dos inversores possui freqüência de comutação que pode ir desde 1 kHz a 30 kHz. Além disso, alguns fabricantes de inversores comentam que atendem as normas CE, mas que em instalações envolvendo inversores deve-se:
1. Aterrar adequadamente e segundo os seus manuais (shield aterrado nos dois extremos e as carcaças de motores aterradas são recomendações de fabricantes)
2. Potência de saída, fiação de controle (E/S) e sinal devem ser de cabo blindado, trançado com cobertura igual ou superior a 75%, conduíte metálico ou atenuação equivalente.
3. Todos os cabos blindados devem ter sua terminação num conector blindado apropriado.
4. Os cabos de controle e sinais devem ficar afastados no mínimo 0.3 m fios de força/potência.
O meio físico RS485: Neste padrão temos dois canais independentes conhecidos como A e B, que transmitem níveis de tensão iguais, porém com polaridades opostas (VOA e VOB ou simplesmente VA e VB).
Por esta razão, é importante que a rede seja ligada com a polaridade correta.
Embora os sinais sejam opostos, um não é o retorno do outro, isto é, não existe um loop de corrente.
Cada sinal tem seu retorno pela terra ou por um terceiro condutor de retorno, entretanto, o sinal deve ser lido pelo receptor de forma diferencial sem referência ao
terra ou ao condutor de retorno.
Quanto ao aterramento neste sistema de comunicação, esta é a grande vantagem do sinal diferencial: note na figura 41 que o sinal está trafegando com fases invertidas nos condutores do cabo enquanto o ruído trafega com mesma fase.
Nos terminais de entrada do amplificador diferencial, o sinal de comunicação Profibus chega em modo diferencial e o ruído em modo comum, rejeitando-o. Sendo assim, todo ruído que for induzido no cabo, em geral de origem eletromagnética, será em sua maioria rejeitado.
Figura 41 – Sinal Profibus-DP – RS485
Figura 42 – Rede Profibus-DP – RS485
Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de potencial existente entre os dois condutores do par trançado, independente da diferença de potencial que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra).
A reflexão do sinal ocorre quando um sinal é transmitido ao longo de um meio de transmissão, tal como um cabo de cobre ou fibra óptica e parte da energia do sinal pode ser refletido de volta para sua origem. Isso pode acontecer por imperfeições no cabo, mudança de impedância ao longo da linha de comunicação(splices), falta do terminador, spur além do permitido, comprimento total além do permitifo, etc.
Os pontos mais prováveis para reflexões são nas conexões ou junções do cabo, ou ainda em pontos onde se tem violada a curvatura mínima do cabo.
Figura 43 – Sinal Profibus sem reflexão (à esquerda) e com reflexão por falta de terminador (à direita)
Figura 44 – Sinal Profibus com reflexão por splices na instalação (à esquerda) e sem reflexão (à direita)
Observe na figura 45 que quanto maior for a taxa de comunicação maior será a influência da reflexão, pois o tempo de bit é menor.
Figura 45 – Sinal Profibus com reflexões em diferentes baud rates
A figura 47 mostra um exemplo de instalação onde a curvatura mínima foi violada e com isto o sinal Profibus se comporta como o da figura 48.
Flexão, alongamento, torções, esmagamentos durante o processo de instalação do cabo Profibus podem forçar os condutores ou mesmo alterarem suas seções transversais. Isso perturba o eixo comum dos condutores e blindagem, e mostra-se como uma mudança na impedância no ponto de stress do cabo. Através da captura de sinais, estes pontos podem ser facilmente identificados pelas reflexões nos sinais. Em todos os casos, o raio mínimo especificado refere-se à superfície interna do cabo, e não ao eixo do cabo.
Figura 46 – Raio de Curvatura Mínimo
Freqüentemente os danos não são visíveis e a própria isolação e integridade do cabo podem ficar comprometidas.
Figura 47 - Exemplos de Curvaturas Mínimas Inadequadas e de Cabos Danificados
Figura 48 – Sinal Profibus com reflexão devido à violação da curvatura mínima do cabo
A Figura 49 apresenta um diagrama de uma linha básica de transmissão “single-ended”. Uma fonte de tensão (Vs) gera uma sinal digital com uma impedância Zs. A linha de transmissão tem a impedância AC (Z0) em relação ao terra e, no final do cabo tem-se a impedância (ZT), casadora de impedância. No caso do Profibus, temos o terminador no ínicio e término de cada segmento, garantindo a melhor condição de sinais.
Figura 49 - Diagrama de uma linha de transmissão básica (single-ended)
O terminador é uma impedância que se acrescenta na rede Profibus com a função de casar a impedância da rede. Quanto maior for o comprimento da rede, maior poder ser a distorção dos sinais. O terminador elimina erros de comunicação por distorções de sinais. Vale a pena ainda lembrar que se não colocarmos o terminador, o cabeamento funciona como uma antena, facilitando a distorção de sinais e aumentando a susceptibilidade a ruídos. A impedância característica é o valor da carga, que colocada no final desta linha, não reflete nenhuma energia. Ou em outras palavras, é o valor da carga que proporciona um coeficiente de reflexão zero, ou ainda, uma relação de ondas estacionárias igual a um.
Se não há os terminadores no segmento Profibus, o sinal resultante na carga é distorcido no tempo (jitter) e amplitude (oscilações). Toda vez que a geometria do cabo for alterada resultará em desequilíbrios de impedância e haverá reflexões resultantes.
Tanto a rede Profibus-DP quanto a rede Profibus-PA exigem os terminadores. É obrigatório o uso dos terminadores de barramento, onde sua ausência causa o desbalanceamento, provocando atraso de propagação, assim como a oscilações ressonantes amortecidas causando transposição dos níveis lógicos (thresholds). Além disso, melhora a margem de ruído estático. No Profibus-DP, os terminadores são ativos, isto é, são alimentados. Veja a figura 50.
Figura 50 – Terminador de barramento Profibus-DP.
Há necessidade da terminação ativa no barramento no começo e no fim de cada segmento, para manter a integridade do sinal de comunicação, ambos terminadores devem ser energizados. Vide figura 51.
Figura 51 – Terminador ativo de barramento Profibus-DP.
No Profibus-PA, deve-se ter terminadores no barramento (resistor de 100 Ohms e um capacitor de 1 uF em série), um no início e outro no final. Não se deve ligar a blindagem ao terminador e sua impedância deve ser 100 Ohms +/-20% entre 7.8 a 39 kHz. Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas freqüências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão, assim como para converter o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000 mV.
Figura 52a – Forma de onda típica na rede PA e a influência dos terminadores
Figura 52b – Terminador PA com sinais de umidade: terminação indevida
Pelo fato dos terminadores serem ativos, um erro comum que se comete é colocar como escravo DP as estações de trabalho onde em uma queda de energia ou reset do microcomputador, as linhas de alimentação balançam, desbalanceando a rede, causando intermitência e paradas indesejadas.
Aterramento e blindagem são requisitos mandatórios para garantir a integridade dos dados de uma planta. É muito comum na prática encontrarmos funcionamento intermitente e erros grosseiros em medições devido às más instalações.
Os efeitos de ruídos podem ser minimizados com técnicas adequadas de projetos, instalação, distribuição de cabos, aterramento e blindagens. Aterramentos inadequados podem ser fontes de potenciais indesejados e perigosos e que podem comprometer a operação efetiva de um equipamento ou o próprio funcionamento de um sistema.
A blindagem (shield) deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo, vide figura 53.
Figura 53 - Blindagem conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo
Quando se tem múltiplos segmentos deve-se mantê-los conectados, garantindo o mesmo potencial de referência, conforme a figura 54.
Figura 54 - Blindagem me múltiplos segmentos conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo
Neste caso a corrente não circulará pela malha e não cancelará campos magnéticos.
Deve-se minimizar o comprimento do condutor que se estende fora da blindagem e garantir uma boa conexão do shield ao terra.
Figura 55 - Efeito Blindagem x aterramento em um único ponto
Ocorre uma distribuição das correntes, em função das suas freqüências, pois a corrente tende a seguir o caminho de menor impedância.
Até alguns kHz: a reatância indutiva é desprezível e a corrente circulará pelo caminho de menor resistência.
Acima de kHz: há predominância da reatância indutiva e com isto a corrente circulará pelo caminho de menor indutância.
O caminho de menor impedância é aquele cujo percurso de retorno é próximo ao percurso de ida, por apresentar maior capacitância distribuída e menor indutância distribuída.
Deve-se minimizar o comprimento do condutor que se estende fora da blindagem e garantir uma boa conexão do shield ao terra.
Figura 56- Efeito Blindagem x aterramento em dois pontos
Vale citar neste caso:
A blindagem de cabos é usada para eliminar interferências por acoplamento capacitivo devidas a campos elétricos.
A blindagem só é eficiente quando estabelece um caminho de baixa impedância para o terra.
Uma blindagem flutuante não protege contra interferências.
A malha de blindagem deve ser conectada ao potencial de referência (terra) do circuito que está sendo blindado.
Aterrar a blindagem em mais de um ponto pode ser problemático.
Minimizar comprimento da ligação blindagem-referência, pois funciona como uma bobina.
Figura 57- Deve-se minimizar o comprimento da ligação blindagem-referência pois funciona como uma bobina.
Campos elétricos são muito mais fáceis de blindar que campos magnéticos e o uso de blindagens em um ou mais pontos funciona contra campos elétricos.
O uso de metais não magnéticos em volta de condutores não blinda contra campos magnéticos.
A chave para blindagem magnética é reduzir a área de loop. Utiliza-se um par trançado ou o retorno de corrente pela blindagem.
Para prevenir a radiação de um condutor, uma blindagem aterrada em ambos os lados é geralmente utilizada acima da freqüência de corte, porém alguns cuidados devem ser tomados.
Apenas uma quantidade limitada de ruído magnético pode ser blindada devido ao loop de terra formado.
Qualquer blindagem na qual flui corrente de ruído não deve ser parte do caminho para o sinal.
Utilize um cabo trançado blindado ou um cabo triaxial em baixas freqüências.
A efetividade da blindagem do cabo trançado aumenta com o número de voltas por cm.
Recomenda-se verificar a NBR 5418 para aterramento e ligação com sistema equipotencial de sistemas intrinsecamente seguros.
Um circuito intrinsecamente seguro deve estar flutuando ou estar ligado ao sistema equipotencial associado com a área classificada em somente um ponto.
O nível de isolação requerido (exceto em um ponto) deve ser projetado para suportar 500 V no ensaio de isolação de acordo com 6.4.12 da IEC 60079-11.
Quando este requisito não for atendido, então o circuito deve ser considerado aterrado naquele ponto. Mais de uma conexão ao terra é permitida no circuito, desde que o circuito seja dividido em sub circuitos galvanicamente isolados, e cada qual esteja aterrado somente em um ponto.
Blindagens devem ser conectadas a terra ou à estrutura de acordo com a ABNT NBR IEC 60079-14.
Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos ao sistema de linha equipotencial.
As malhas(Shield) devem ser aterradas em um único ponto no condutor de equalização de potencial. Se houver necessidade, por razões funcionais, de outros pontos de aterramento é permitido que sejam feitos por meio de pequenos capacitores, tipo cerâmico, inferiores a 1 nF e para 1500V, desde que a somatória das capacitâncias não ultrapasse 10 nF.
Nunca instale um dispositivo que tenha sido instalado anteriormente sem uma barreira intrinsecamente segura em um sistema intrinsecamente seguro, pois o zener de proteção pode estar queimado e não vai atuar em áreas intrinsecamente segura.
Vimos neste artigo vários detalhes sobre aterramento, blindagens, ruídos, interferências e reflexões. Todo projeto de redes deve levar em conta os padrões para garantir níveis de sinais adequados, assim como, a segurança exigida pela aplicação.
Recomenda-se que anualmente ações preventivas de manutenção sejam tomadas, verificando cada conexão ao sistema de aterramento, onde deve-se assegurar a qualidade de cada conexão em relação à robustez, confiabilidade e baixa impedância (deve-se garantir que não haja contaminação e corrosão).
Este artigo não substitui a NBR 5410, a NBR 5418, os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida,as normas, os padrões IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.
Acesse a lista completa de artigos técnicos SMAR.
* César Cassiolato foi Diretor de Marketing, Qualidade e Engenharia de Projetos & Serviços da Nova Smar S/A, foi Presidente da Associação PROFIBUS Brasil América Latina de 2006 a 2010, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil, Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester.
