Cómo proteger los sistemas de controladores lógicos programables (PLC): Dos tecnologías que hay que conocer

Los diseñadores de infraestructuras energéticas inteligentes, como redes inteligentes, medidores inteligentes y alumbrado público inteligente, necesitan comunicaciones fiables, rentables y seguras. Aunque las tecnologías inalámbricas tienen un papel que desempeñar, sus vulnerabilidades, costos y limitaciones de cobertura plantean importantes retos. La tecnología de controladores lógicos programables (PLC), que permite la transferencia de datos a través de las líneas eléctricas existentes, presenta una buena tecnología de base para las comunicaciones críticas.

Aunque los controladores lógicos programables (PLC) están bien definidos y se utilizan ampliamente, los diseñadores deben tener en cuenta algunos problemas que pueden interrumpir la comunicación, como la atenuación de la señal, el ruido y los transitorios de voltaje. Para hacer frente a estos problemas se necesitan soluciones prácticas y eficaces que garanticen un rendimiento óptimo. Dos de estas soluciones son los transformadores PLC y los protectores de sobretensión GMOV.

Los transformadores lógicos programables (PLC) están optimizados para una pérdida de inserción mínima en aplicaciones de banda estrecha (NB). También reducen el aislamiento galvánico y las interferencias electromagnéticas (EMI), mejorando la calidad y fiabilidad de la señal. Un GMOV es un componente híbrido de protección contra sobretensiones que combina un GDT (tubo de descarga de gas) y un varistor de óxido de meta (MOV). Está diseñado para superar las limitaciones y los problemas de fallo de los MOV estándar, que son susceptibles de degradación y fuga térmica en entornos difíciles y no controlados.

Este artículo repasa brevemente cómo funcionan los controladores lógicos programables (PLC) y por qué son adecuados para las infraestructuras inteligentes. A continuación, presenta ejemplos de transformadores lógicos programables (PLC) y protectores GMOV de Bourns, muestra cómo funcionan y presenta algunos factores a tener en cuenta a la hora de elegirlos y aplicarlos.

Funcionamiento, aplicaciones y retos de los controladores lógicos programables (PLC)

En un sistema de controladores lógicos programables (PLC), los datos que se van a transmitir se modulan en una señal portadora y se inyectan en la línea eléctrica. Los detalles varían mucho según las aplicaciones, pero la norma IEEE 1901.2 es la norma mundial para redes eléctricas. Especifica comunicaciones NB de baja frecuencia (≤ 500 Kilohertz (kHz)). NB de hasta 500 kilobits por segundo (Kbits/s), y es adecuada para aplicaciones como redes inteligentes, medidores inteligentes y alumbrado público inteligente.

Aunque la tecnología PLC ha demostrado ser una solución útil para los diseñadores de infraestructuras energéticas inteligentes, no está exenta de dificultades. Los obstáculos de diseño incluyen la atenuación de la señal, el ruido y los transitorios de voltaje, todos los cuales pueden degradar significativamente la calidad y fiabilidad de la comunicación. Específicamente:

• La atenuación de la señal es un problema porque las señales de los controladores lógicos programables (PLC) utilizan líneas diseñadas para alimentación, no para datos. Estas líneas tienen características de impedancia que pueden imponer una atenuación considerable, sobre todo en largas distancias. La caída resultante en la intensidad de la señal puede reducir el alcance efectivo y potencialmente provocar pérdidas de datos o errores.
• El ruido puede proceder de diversas fuentes, como los aparatos electrónicos conectados a las líneas de alimentación, las variaciones de la fuente de alimentación y las EMI (interferencias electromagnéticas) externas. La naturaleza de frecuencia relativamente alta de las señales de datos de los controladores lógicos programables (PLC) las hace especialmente susceptibles a estas fuentes de ruido dentro de la red eléctrica sin apantallar.
• Pueden producirse transitorios de voltaje debido a rayos o a la conmutación de cargas inductivas. Tales transitorios pueden inducir altos voltajes en la línea eléctrica, dañando potencialmente los módems de los controladores lógicos programables (PLC).

A la hora de abordar los retos a los que se enfrentan los sistemas de controladores lógicos programables (PLC), los diseñadores disponen de dos tecnologías clave que pueden aplicar: los transformadores PLC y los protectores GMOV. Ambos componentes desempeñan un papel crucial a la hora de garantizar la fiabilidad, el rendimiento y la seguridad de los controladores lógicos programables (PLC).

Revisión del diseño: Transformadores lógicos programables (PLC) y GMOV en el circuito de acoplamiento

Para ilustrar los problemas que pueden resolver los transformadores lógicos programables (PLC) y los GMOV, considere el circuito de acoplamiento ilustrado en la Figura 1. Este circuito debe aislar el módem de los controladores lógicos programables (PLC) (Z_Module) de la línea de red (Z_Line), proporcionando al mismo tiempo una vía para la señal de datos. Al hacerlo, el circuito de acoplamiento debe manejar tanto comunicaciones de alta frecuencia y baja potencia como CA de baja frecuencia y alta potencia.

Figura 1: Se muestra un circuito de acoplamiento simplificado con protección contra sobretensiones que aísla el módem PLC (Z_Module) de la línea de red (Z_Line), al tiempo que proporciona una vía para la señal de datos. (Fuente de la imagen: Bourns)

El transformador PLC (T1) proporciona aislamiento galvánico entre el módem PLC y la línea de CA, ayudando a separar el PLC de la red de CA. Una característica clave de estos transformadores es su mínima pérdida de inserción, que reduce la distorsión y atenuación de la señal. Por ejemplo, la Figura 2 muestra el rendimiento de los transformadores PLC de la serie PFB de Bourns, optimizados para aplicaciones NB por debajo de 500 kHz. Además, la capacidad de los transformadores lógicos programables (PLC) para suprimir la EMI (interferencia electromagnética) ayuda a reducir el ruido, lo que contribuye a una comunicación más fiable y eficaz.

Figura 2: Se muestra un gráfico de la pérdida de inserción en función de la frecuencia de los transformadores lógicos programables (PLC) de la serie PFB, diseñados para aplicaciones NB por debajo de 500 kHz. (Fuente de la imagen: Bourns)

En la figura 1, de nuevo, los transitorios de voltaje son gestionados por el protector GMOV (figura 3). Este novedoso dispositivo es un componente híbrido de protección contra sobretensiones que integra la rápida respuesta de un MOV y la alta capacidad de manejo de sobrecorriente de un GDT (tubo de descarga de gas). Esta combinación proporciona una sólida protección contra los transitorios de tensión causados por rayos o eventos de conmutación que pueden dañar los circuitos electrónicos de los sistemas de controladores lógicos programables (PLC).

En un GMOV, los componentes MOV y GDT están acoplados capacitivamente en una configuración en serie. En condiciones de baja frecuencia, la limitación de tensión del componente GMOV es igual a la suma de la limitación de tensión de los componentes MOV y GDT.

Figura 3: El GMOV combina la rápida respuesta de un MOV con la alta capacidad de manejo de sobrecorriente de un GDT (tubo de descarga de gas). (Fuente de la imagen: Bourns)

A diferencia de los MOV estándar, que son propensos a la degradación y al desbordamiento térmico, el protector GMOV está diseñado para resistir entornos difíciles e incontrolados. El componente MOV bloquea los voltajes excesivos a niveles seguros, mientras que el GDT actúa como dispositivo de seguridad en condiciones extremas de sobretensión. Esta función redirige la energía excesiva fuera del MOV, alargando así su vida útil y reduciendo la probabilidad de fallo del sistema.

Consideraciones sobre el diseño de transformadores lógicos programables y protectores GMOV

El diseño de un circuito de acoplamiento de línea para un sistema de controladores lógicos programables (PLC) requiere una cuidadosa consideración de los componentes clave y sus interacciones. Estos son algunos de los aspectos que hay que tener en cuenta en el diseño.

Requisitos del sistema de controladores lógicos programables (PLC): Antes de iniciar el proceso de diseño, conozca claramente los requisitos del sistema de controladores lógicos programables (PLC). Esto incluye la velocidad de datos requerida, el rango de funcionamiento, el tipo de líneas eléctricas en las que funcionará y las condiciones ambientales a las que estará expuesto.

Seguridad y conformidad: La seguridad es especialmente importante en los diseños a los que pueden tener acceso los usuarios o los trabajadores de mantenimiento. Dependiendo de la aplicación, el diseño puede requerir el cumplimiento de las normas EN 62368-1 (TI y equipos de audio/visual) o EN 61885 (redes de comunicación y automatización de servicios públicos de energía).

Desde el punto de vista de las comunicaciones, los diseños deben cumplir la norma europea CENELEC EN 50065-1, que define los niveles máximos de señal y las Bandas de frecuencia de portadora permitidas.

Selección de un transformador lógicos programables (PLC): Compruebe que el transformador cumple los requisitos de frecuencia de funcionamiento, voltaje e impedancia. Por ejemplo, la Serie PFB de Bourns mencionada anteriormente está optimizada para aplicaciones de controladores lógicos programables (PLC) NB (NB-PLC), lo que la hace adecuada para el funcionamiento a larga distancia. Con soporte para rangos de voltaje bajo y medio, la Serie PFB puede utilizarse tanto en interiores como en exteriores.

Asegúrese de elegir un transformador con una relación de transformaciones que permita que la impedancia del módem de los controladores lógicos programables (PLC) coincida con la impedancia de la línea eléctrica. Muchas veces, la impedancia del módem no puede modificarse, por lo que el transformador debe seleccionarse cuidadosamente para lograr una coincidencia de impedancias que permita una transmisión eficaz de la señal.

También hay que tener en cuenta el entorno de la aplicación. Por ejemplo, la Serie PFB está disponible en forma estándar y alargada. El modelo estándar PFBR45-ST13150S está diseñado para su uso dentro de receptáculos protegidos, mientras que el modelo alargado PFB45-SP13150S añade características de seguridad para su uso en zonas donde los trabajadores de mantenimiento o los usuarios puedan tener acceso a él. El aislamiento reforzado de este último modelo protege contra las descargas eléctricas y aísla al usuario final de las tensiones de entrada peligrosas. La figura 4 ilustra las principales características de los dos modelos.

Figura 4. El transformador PLC PFB45-SP13150S alargado tiene características de seguridad más resistentes en comparación con el PFBR45-ST13150S. (Fuente de la imagen: Bourns)

Selección de un protector GMOV: Considere los tipos de sobretensiones y transitorios de voltaje a los que puede enfrentarse el sistema a la hora de seleccionar un protector adecuado. Por ejemplo, Bourns ofrece protectores GMOV de 14 milímetros (mm) como el GMOV-14D301K que soporta corrientes de sobretensión de 6 kiloamperios (kA), así como variantes de 20 mm como el GMOV-20D151K que soporta corrientes de sobretensión de 10 kA. En particular, tanto la variante de 14 mm como la de 20 mm son compatibles con las MOV estándar en tamaño y huella. En la Figura 5 se muestra la lista completa de configuraciones disponibles para estos dispositivos.

Figura 5: Los protectores GMOV se presentan en variantes de 14 y 20 mm, siendo esta última la que soporta mayores corrientes de sobretensión. (Fuente de la imagen: Bourns)

También es importante tener en cuenta la capacitancia y la Corriente de fuga. Una alta capacitancia puede impedir la transmisión de datos en los sistemas de controladores lógicos programables (PLC). La baja capacitancia del protector Bourns GMOV, inferior a 2 picofaradios (pF), minimiza la distorsión de la señal, lo que significa que no afecta significativamente a la transmisión de datos a través de las líneas eléctricas.

Los protectores Bourns GMOV también presentan menos de 1 microamperio (µA) de Corriente de fuga. Aunque las fugas puedan parecer triviales, se acumulan en las aplicaciones a escala urbana. Por ejemplo, en una aplicación de alumbrado público con una corriente de fuga de 10 microamperios, si se multiplica por el millón de farolas que hay en una zona urbana típica, la pérdida de energía debida a las fugas es significativa.

Conclusión:

La llegada de infraestructuras energéticas inteligentes -caracterizadas por redes inteligentes, medidores inteligentes y alumbrado público inteligente- ha puesto en primer plano la necesidad de sistemas de comunicación fiables, rentables y eficientes. Como se ha demostrado, el PLC es una opción adecuada, sobre todo cuando se apoya en transformadores PLC y protectores GMOV especializados para garantizar la calidad y fiabilidad de la señal, y para proteger contra transitorios o sobretensiones, minimizando al mismo tiempo la corriente de fuga.