El cable adecuado para una aplicación industrial: cómo se lo elige y utiliza para el éxito del diseño

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Internet de las cosas industrial (IIoT) depende en gran medida de los cables para transferir datos, comandos y energía entre máquinas industriales, y entre la fábrica, la TI y la nube. Sin embargo, la conectividad en el taller requiere una cuidadosa atención a la selección de cables y al enrutamiento debido a los peligros físicos, ambientales y eléctricos: los diseñadores deben combinar un conjunto complejo de prioridades de costo y rendimiento, a menudo, conflictivas.

Este artículo revisará los desafíos de cableado planteados por el entorno industrial e IIoT, y analizará las diferencias entre las soluciones de cableado comerciales en serie (COTS) e industrial. Luego, mostrará cómo especificar el cable correcto puede aumentar el rendimiento y reducir el costo total de propiedad (TCO), una métrica clave en la planificación de IIoT.

Se considerarán dos ejemplos de aplicaciones: cables de variador de frecuencia (VFD) para motores industriales, y redes industriales de Ethernet. Se los eligió porque ilustran diferentes aspectos del uso del cable en la fábrica: operación de alta potencia y redes de datos de alta velocidad.

El entorno industrial es el enemigo de los cables.

Las instalaciones industriales abarcan instalaciones de fabricación, plantas de procesamiento de gas y petróleo, minas de carbón, instalaciones de tratamiento de aguas residuales y sistemas de transporte, incluidos los túneles y metros. Estos entornos son duros con los cables. Los peligros incluyen químicos, luz ultravioleta (UV), ingreso de humedad, impacto, temperaturas extremas y vibración (Figura 1). Al mismo tiempo, el cable debe garantizar la integridad de la señal y minimizar las pérdidas de señal y los efectos de la interferencia electromagnética (EMI).

Diagrama de cables de grado industrial frente a numerosos peligros en la fábrica

Figura 1: Los cables de grado industrial deben mantener la integridad de la señal ante numerosos peligros en la fábrica. (Fuente de la imagen: Belden)

Las fallas pueden comprometer la seguridad del operador, causar problemas de calidad y ser muy costosos: cada minuto de producción perdida puede costar miles de dólares.

Los peligros mecánicos para los cables en la fábrica incluyen impacto, abrasión, golpes, tensión y vibración. Además, muchas aplicaciones industriales están continuamente en movimiento: las máquinas herramienta multieje, los robots, los aerogeneradores, las máquinas de recogida y colocación, los sistemas de manejo automático y los de transporte son algunos ejemplos. Los cables para estas aplicaciones deben ser capaces de soportar tensiones repetidas durante cientos de miles de ciclos.

Los peligros de ingreso incluyen la humedad, los químicos y el polvo. Muchas industrias utilizan químicos agresivos, y el cable debe sobrevivir a la exposición prolongada sin comprometer el rendimiento. Por ejemplo, en el procesamiento de alimentos y bebidas, los equipos deben someterse a limpiezas regulares con agua a alta presión y químicos cáusticos para cumplir con los estrictos requisitos de higiene. Un cable mal diseñado puede permitir que los líquidos penetren en los conductores.

A menudo, el cableado industrial está expuesto a elementos en instalaciones tanto interiores como exteriores. Los peligros resultantes incluyen temperaturas extremas altas y bajas, radiación UV (luz solar), humedad e incluso mordeduras de roedores o raíces de árboles invasivas.

El entorno eléctrico industrial incluye fuertes corrientes, altos voltajes, conexión a tierra inadecuada e interferencia electromagnética de los soldadores de arco, hornos y equipos HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado). En las ampliaciones de la fábrica, las limitaciones de espacio pueden hacer que los nuevos cables se enruten cerca de fuentes de ruido, como por ejemplo, los motores y generadores.

Compare los peligros industriales que se mencionaron anteriormente con los de un entorno comercial típico. Las instalaciones comerciales, incluidos el espacio de oficinas, las salas de servidores y los hogares, suelen estar climatizadas con sistemas HVAC que mantienen los cables a un nivel constante de temperatura y humedad. Gran parte del cableado de la infraestructura se encuentra en el espacio de aire sobre las placas del techo (el impelente), o se ejecuta dentro de paredes donde puede permanecer intacto durante años. Generalmente, los entornos comerciales estándar están libres de partículas finas, líquidos y temperaturas excesivas, por lo que los cables comerciales no están expuestos a polvo, humedad, químicos, temperaturas extremas o radiación UV.

Los cables COTS están diseñados para cumplir con las condiciones en las que se utilizarán, por lo que el uso de un cable comercial en una aplicación industrial conducirá a un alto índice de fallas, pérdida de producción, mayor costo y seguridad comprometida. Una comparación entre los dos tipos de cables en una serie de pruebas estándar muestra el rendimiento superior de los productos de grado industrial (Figura 2).

Prueba Resumen de la prueba Resultados: cable comercial Resultados: cable industrial
Abrasión Cables estirados a lo largo del tambor abrasivo, después se los movió hacia adelante y hacia atrás cíclicamente. Falla después de 25 ciclos (cubierta rota, conductores visibles) Los conductores quedaron protegidos (cubierta blindada).
Doblado en frío (UL 444) Cable enfriado a temperatura, luego, enrollado alrededor de una barra de 3" mientras está bajo tensión; probado a -80 °C, -60 °C y -40 °C. Se volvió quebradizo con grietas visibles. Sin daños visibles
Impacto en frío (UL 444) Peso liberado en el tubo: 2.7 joules de impacto de energía Temperatura progresivamente más baja Falla a -20 °C Falla a -70 °C con una cubierta para temperatura adecuada
Aplastamiento Placa de 2" x 2" aplicada al segmento de cable: aumenta la fuerza mientras monitorea el rendimiento. Falla a las 400 lb Falla a las 2,250 lb (cable blindado)
Corte (CSA C22.2) Punta del cincel bajada sobre el cable con una fuerza creciente hasta que los conductores hicieron cortocircuito. Falla a las 92 lb de fuerza aplicada Falla a las 1048 lb de fuerza aplicada
Alta temperatura Cable expuesto a +60 °C a lo largo del tiempo, probado el rendimiento comparado con temperatura ambiente (20 °C) Atenuación aumentada a +60 °C, no soportó un tramo de 100 metros de distancia. Continuó soportando un tramo de 100 metros de distancia a +60 °C.
Resistencia a aceites (UL 1277) Inmersión en aceite durante 60 días, +125 °C Se muestran signos de deterioro en las propiedades de tracción y alargamiento. No se observan signos de deterioro.
Exposición a rayos UV (ASTM G154) Exposición a la luz fluorescente durante 720 horas Decoloración, precursora de la degradación Sin daños
Inmersión en agua Prueba de 6 meses, pruebas periódicas Aumento de la atenuación y degradación Atenuación leve, excedió las especificaciones Cat 5e después de 6 meses

Figura 2: Cuando se someten a las mismas pruebas, los cables de grado industrial proporcionan un rendimiento superior. (Fuente de la imagen: Belden)

Anatomía de un cable

Un cable está formado por varios componentes clave que contribuyen a su rendimiento general, como se muestra en la Figura 3. Estos son:

  • Conductores de cable
  • Aislamiento para cables y cubiertas de cables
  • Blindaje contra interferencia electromagnética (EMI)

Imagen de la selección de cables industriales Ethernet de Cat 5e DataTuff (haga clic para ampliar)

Figura 3: Una selección de cables Ethernet industriales de Cat 5e DataTuff muestra algunas de las mejoras de diseño que aumentan la confiabilidad y el rendimiento. (Fuente de la imagen: Belden)

Conductores de cable

Hay dos tipos de hilos que se usan comúnmente para transmitir señales de potencia o eléctricas a través del cable: sólido y trenzado. Cada uno tiene características que los diferencian.

Como su nombre lo indica, la ruta de conducción en un cable sólido es un solo hilo, con frecuencia, de cobre. En general, un cable sólido es menos costoso que uno trenzado y tiene un diámetro menor para una corriente equivalente. Tiene un rendimiento eléctrico superior con menor resistencia; pero no es tan flexible, por lo que un cable sólido es menos adecuado para usar con maquinaria en movimiento, como la robótica.

En un cable trenzado, los conductores están hechos de muchos filamentos trenzados entre sí para formar un hilo más grande y más grueso. La flexibilidad de los cables trenzados los hace preferibles cuando la vibración es un problema, o en aplicaciones que requieren frecuente tensión y doblado.

Aislamiento para conductores y cubiertas de cables

Además de proporcionar aislamiento, los plásticos utilizados para recubrir los conductores actúan como dieléctricos. Su constante dieléctrica y el factor de disipación afectan la transmisión de la señal (Figura 4). Específicamente, la constante dieléctrica mide la capacidad del cable para almacenar energía eléctrica: es una función de la velocidad a la que la energía viaja a través del aislamiento. El factor de disipación mide la velocidad a la que el dieléctrico pierde (absorbe) la energía. La reducción del valor de cualquiera de estos parámetros proporciona una mejor transmisión de la señal.

Tipo de aislamiento Gravedad específica Constante dieléctrica Factor de disipación Resistividad de volumen (ohm-cm) Resistencia dieléctrica (Voltios/Mil) Inflamabilidad Rango de temperatura (°C)
PVC (estándar) 1.25-1.38 4-6 0.06-0.10 1011 800-900 Buena -20 a +80
PVC (prémium) 1.38 3-5 0.080-0.085 1012 800-900 Buena -55 a +105
Polietileno 0.92 2.27 0.0002 >1016 1200 Deficiente -60 a +80
Polipropileno 0.90 2.24 0.0003 >1016 850 Deficiente -60 a +80
Polietileno celular 0.50 1.5 0.0002 - 500 Deficiente -60 a +80
Polietileno pirorretardante 1.30 2.5 0.0015 >1016 1000 Justa -60 a +80
FEP (o TFE) 2.15 2.1 0.0007 >1018 1200 Excelente -70 a +200 (o +260)
FEP celular 1.2 1.4 0.0007 - 500 Buena -70 a +200

Figura 4: Comparación de las propiedades de los materiales comunes para aislamiento de cables. Una constante dieléctrica y un factor de disipación más bajos permiten una mejor transmisión de la señal. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Muchos cables industriales incluyen blindaje alrededor de los conductores para reducir el ruido eléctrico y proteger contra interferencias. El blindaje trenzado y el blindaje de lámina son los dos tipos más comunes. El blindaje de lámina proporciona una cobertura del 100 % pero es difícil de terminar, y su resistencia relativamente alta ofrece un pobre camino a tierra. El blindaje de cobre trenzado ofrece solo del 60 % al 85 % de cobertura de blindaje, pero su mayor masa proporciona una mejor conductividad y una terminación más fácil con una buena conexión a tierra.

En entornos hostiles de EMI, un blindaje combinado (de lámina/trenzado) puede proporcionar el nivel más alto de protección. Por ejemplo, Alpha Wire tiene cables que incluyen un blindaje de lámina de aluminio/poliéster/aluminio de triple capa y un blindaje trenzado de cobre estañado (Figura 5).

Gráfico de blindaje de lámina, trenzado de cobre, o de aluminio/poliéster/aluminio

Figura 5: El blindaje puede comprender una lámina (parte inferior), trenzado de cobre (centro) o, para un mejor desempeño, una combinación de blindaje de lámina de aluminio/poliéster/aluminio más un blindaje trenzado de cobre estañado (parte superior). (Fuente de la imagen: Alpha Wire)

La cubierta del cable protege a los conductores subyacentes de daños mecánicos, humedad y químicos durante la instalación y la vida útil del cable. La cubierta también puede mejorar la resistencia a las llamas, proteger contra la radiación UV y facilitar la instalación.

Los cables con cubiertas blindadas protegen los hilos y el blindaje contra el aplastamiento; sus técnicas de construcción incluyen revestimiento de hilo de armadura entrelazada de aluminio y de acero galvanizado. Un cable blindado también puede incluir una cubierta de PVC o material similar alrededor del metal, sellando el cable y la armadura contra los vapores corrosivos y la humedad.

Las opciones de cable estándar incluyen una armadura entrelazada de aluminio o acero, y cables optimizados para entierro o uso en exteriores, resistencia a la gasolina, capacidad de flexión alta o funcionamiento a alta y baja temperatura.

Muchos fabricantes incluyen características patentadas adicionales en cables de alto rendimiento. Los cables Ethernet industriales de Cat 5e DataTuff de Belden, por ejemplo, usan su construcción patentada de pares pegados que elimina las brechas entre los pares de conductores para un rendimiento eléctrico confiable de manera constante.

Ejemplo de aplicación: Redes de Ethernet

Ethernet ha estado en las fábricas durante muchos años, pero recientemente su uso se ha expandido a aplicaciones de control de máquinas de alto voltaje (>600 voltios) donde la seguridad es una consideración primordial del diseño. Aunque no transportan voltajes altos, los cables de control destinados a estas aplicaciones aún están sujetos a los requisitos del Código Eléctrico Nacional (NEC), lo que lleva a un aumento en la disponibilidad de cables Ethernet de 600 voltios.

La serie de cables Flamar de Molex es un buen ejemplo. Diseñados para la automatización industrial, estos cables tienen una capacidad de 600 voltios y se ofrecen en versiones para aplicaciones de control general, control de servomotor y redes. Los cables son resistentes a la escoria de soldadura y al aceite, han alcanzado compatibilidad con las normas Ecolab para la higiene de los alimentos y la norma de cumplimiento de la resistencia al aceite II de Underwriters Laboratories (UL).

Los cables relacionados con las telecomunicaciones tienen su propia norma medioambiental (ANSI/TIA-1005-A) que abarca a las instalaciones industriales. La norma define cuatro niveles de clasificaciones ambientales para la robustez mecánica, de ingreso, climática/química y electromagnética (MICE). Las clasificaciones se catalogan por severidad para cada categoría: 1, 2 o 3. La clasificación ambiental para un edificio comercial es típicamente M1I1C1E1; la clasificación ambiental más dura en la norma es M3I3C3E3.

Al seleccionar entre los cables que satisfacen nominalmente los requisitos de nivel superior (como Ethernet de Cat 5e), el diseñador debe comparar las especificaciones de los cables con cuidado. A menudo, hay varios cables a diferentes precios que parecen satisfacer los requisitos de la aplicación de nivel superior, pero un examen más detenido revelará las diferencias en las especificaciones.

Los modelos 7928 y 7939 de Belden, por ejemplo, son cables DataTuff de 8 conductores clasificados para la operación industrial de Cat 5e, pero existen diferencias en sus aplicaciones recomendadas. La razón es que las variaciones sutiles en la construcción le da al 7928 ventajas de rendimiento sobre el 7939, pero también hace que sea más caro de producir (Tabla 1).

Especificación 7939 7928
Alambre Cobre trenzado 7x32 Cobre sólido de 0.02 pulgadas
Aislamiento Cloruro de polivinilo (PVC) Etileno fluorado (FEP)
Material del blindaje exterior Cinta de aluminio-poliéster Ninguno

Tabla 1: El 7939 y el 7928 de Belden son cables DataTuff de 8 conductores y Cat 5e, pero las variaciones sutiles en la construcción otorgan al 7928 algunas ventajas de rendimiento. (Fuente de los datos: Belden)

El aislamiento FEP del 7928 le permite operar a una temperatura más alta que el PVC del 7939. El conductor de cobre sólido del cable del 7928 da como resultado una mejor resistencia de corriente continua (DCR) por pie y una capacitancia máxima por pie mucho más baja en comparación con el conductor trenzado del 7939. Estas diferencias eléctricas dan al 7928 un retardo más bajo y una velocidad de propagación más alta.

Todo se une en la especificación de rendimiento de alta frecuencia. El funcionamiento del cable 7928 se especifica para hasta 350 megahercios (MHz) frente a 100 MHz para el 7939. El 7928 también tiene un mejor rendimiento en frecuencias más bajas.

Aunque hay diferencias claras en el rendimiento, también hay diferencias en el costo. Cualquiera de los dos puede cumplir con las especificaciones básicas para una aplicación en particular, pero la versión de mayor calidad proporcionará un margen adicional de rendimiento y confianza en la operación.

Ejemplo de aplicación: Cable VFD

Un motor convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico, y los motores han sido un componente clave en las operaciones industriales durante décadas. Los tipos de motores incluyen diseños de corriente continua con y sin escobillas (BLDC), diseños de corriente alterna (CA) y motores paso a paso, cada uno con sus propias características de rendimiento y accionamiento.

Características de un tren de pulsos VFD

Un VFD proporciona un control preciso de la velocidad y el par de torsión de un motor de CA a través de la modulación de ancho de pulso (PWM). Los VFD se utilizan ampliamente en los procesos de fabricación, pero las características de la señal del variador de conmutación hacen que sea fundamental elegir el cable correcto para obtener el mejor rendimiento y una larga vida útil. Algunas de estas características son:

  • Ondas estacionarias: Un cable VFD tiene una impedancia de alrededor de 85 a 120 ohmios (Ω).La impedancia de un motor VFD es mayor, típicamente varios cientos de ohmios. Cuando el tren de impulsos PWM cumple con la impedancia más alta del motor, se refleja una parte significativa de la energía. Esta onda estacionaria aumenta el voltaje en el cable en un factor de dos o tres, lo que lleva a la degradación del aislamiento y a una falla final.
  • Efecto corona: El intenso campo eléctrico que rodea a los conductores ioniza el aire entre ellos, lo que causa una descarga de energía. Los efectos corona degradan el material de aislamiento del cable y dañan el blindaje. También pueden dañar la electrónica del variador, desperdiciar energía e, incluso, generar suficiente calor para derretir el aislamiento.
  • Distorsión armónica: Cualquier señal contiene energía en su frecuencia de operación más energía en múltiplos de esa frecuencia (armónicos), lo que resulta en una distorsión de onda. La energía en armónicos más altos aumenta las pérdidas de joules en el cable y provoca el calentamiento.
  • Corriente de irrupción: En el arranque, un motor puede consumir una corriente muy alta. La mayoría de los controladores VFD limitan la corriente de arranque máxima aumentando la velocidad del motor lentamente, pero el cable debe estar diseñado para manejar una sobrecarga inicial.
  • EMI: La rápida conmutación de los pulsos digitales crea interferencias electromagnéticas. Esta energía puede transferirse a otros circuitos, lo que causa degradación de la señal, señales falsas y otros problemas.

Al seleccionar un cable VFD, es fundamental comprender todo el sistema del variador y la capacidad de corriente requerida, tal vez, con una previsión para un aumento futuro. Los cables VFD de alto rendimiento tienen capacidades superiores de conexión a tierra y blindaje que los cables de grado de construcción y proporcionan conexiones más confiables y estables. Aquí, hay algunos consejos y recomendaciones clave para mejorar el rendimiento del VFD:

  • El sistema de conexión a tierra debe estar diseñado para la menor impedancia posible del camino a tierra. Un cable con cobre adicional en el camino a tierra (llamado diseño de tierra al 300 %) garantiza que la corriente de modo común (CMC) potencialmente dañina se contenga y se devuelva al variador sin efectos adversos.
  • Elija un conductor diseñado para operación de alta frecuencia con conductores de cobre estañado, para proteger contra la corrosión; y un alto número de trenzas, para mayor área de superficie.
  • Elija un cable con baja capacitancia y alta resistencia dieléctrica. Los cables VFD termoplásticos de grado de construcción recubiertos con nailon de alto calor (THHN) tienen mayores pérdidas de carga del cable y aumentarán los voltajes de onda reflejada más rápidamente. Tales cables tienen aproximadamente un tercio de la resistencia de aislamiento de un conductor de alta calidad con un aislamiento termoestable como el polietileno reticulado (XLP): el XLP también proporciona una resistencia mucho mejor a las descargas de corona que el THHN.
  • El material de blindaje influye enormemente en el rendimiento del ruido. El blindaje de baja impedancia produce una menor reflexión de la corriente y una mayor confiabilidad del sistema. A la inversa, un cable sin blindaje puede actuar como una antena y ser una fuente de emisiones radiadas. El blindaje debe tener un área de superficie máxima para el mejor rendimiento de alta frecuencia. Como se mencionó anteriormente, las cintas doble faz o trenzado de cobre proporcionarán el mejor rendimiento de blindaje.

Los cables V-Flex de Alpha Wire están diseñados específicamente para aplicaciones VFD de alto rendimiento en robots, transportadores y otras máquinas con movimiento repetitivo o continuo. La familia cuenta con siete diseños de cables, conductores de cobre estañado trenzado de 4 AWG a 16 AWG, una cubierta de TPE y una flexibilidad mejorada para un enrutamiento y un manejo más fáciles. El cable VF16006 BK005 , por ejemplo, es un cable de cuatro conductores con hilo de 6 AWG y un blindaje de lámina/trenzado (Figura 6).

Imagen del cable VF16006 BK005 de Alpha Wire

Figura 6: El cable VF16006 BK005 de Alpha Wire está diseñado para aplicaciones VFD. Puede tolerar hasta 52 amperios por conductor y utiliza un blindaje de lámina/trenzado. (Fuente de la imagen: Alpha Wire)

El cable es resistente al aceite y los rayos UV, tiene una temperatura de funcionamiento de -40 °C a +90 °C y puede manejar unidades de hasta 50 caballos de fuerza (HP) con una corriente de carga total de 52 amperios por conductor.

Conclusión

Para una aplicación dada, el diseñador tiene generalmente una selección de varios cables a diferentes precios que parecen satisfacer las especificaciones de nivel superior. Sin embargo, los entornos operativos comerciales e industriales son muy diferentes. Este artículo ha revisado las diferencias de construcción entre los cables comerciales e industriales, y ha examinado los requisitos de cableado para dos aplicaciones industriales comunes.

Como se muestra, los cables industriales incluyen mejoras sutiles y no tan sutiles sobre los cables comerciales que se pagan por sí mismos durante toda su vida útil en la fábrica.

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