Robustez de los equipos de comunicaciones

Indice
Indice ............................................................................................................................................. 1
Introducción ................................................................................................................................... 2
Fiabilidad de los equipos de comunicaciones................................................................................ 3
Diseño orientado a la fiabilidad.................................................................................................. 3
Calidad de los componentes utilizados: rango industrial ........................................................... 4
Una buena base: la fuente de alimentación robusta ...................................................................... 4
Problemas habituales en el entorno industrial ............................................................................... 6
Conexiones de tierra, o el por qué del aislamiento.................................................................... 6
Fenómenos que perturban las comunicaciones ........................................................................ 7
Perturbaciones radiadas ....................................................................................................... 7
Perturbaciones conducidas ................................................................................................... 7
Transitorios rápidos............................................................................................................... 8
Fenómenos potencialmente dañinos para los equipos de comunicaciones .............................. 8
Descargas electrostáticas ..................................................................................................... 8
El peor enemigo del equipo de comunicaciones: el rayo. ..................................................... 9
Referencias.................................................................................................................................. 11
Aitor Arzuaga (Resp. Ing. HW)
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Fecha de creación: 06/04/2005
Introducción
En pleno siglo XXI, existe una oferta amplísima de productos capaces de satisfacer todas las
necesidades de comunicaciones que puedan imaginarse (e incluso las que no puedan
imaginarse). Los fabricantes ponen en el mercado equipos cuyas características tratan de
adaptarse a las necesidades de cada cliente y a cada escenario concreto en el que deben
trabajar dichos equipos. Pero por otro lado existe cierta ambigüedad en la definición de los
sistemas entre los requisitos funcionales (derivados de las necesidades de comunicación) y los
requisitos ambientales (derivados de la aplicación concreta en la que se quiere utilizar el equipo).
Así pues no es lo mismo el switch de 4 puertos que puede estar encima de la mesa de la oficina,
que un switch de 4 puertos de fibra que concentra las comunicaciones de un armario en una
subestación. Aunque el requisito funcional para ambos es el mismo (conmutar paquetes en capa
2), el entorno en el que se van a utilizar hace que ambos equipos sean muy distintos desde su
propia concepción inicial. Es aquí donde µSysCom presenta su gama de productos de
comunicaciones robustos orientados al mercado industrial.
Ahora bien, ¿qué es un equipo de comunicaciones industrial robusto? ¿en qué se diferencia de
un equipo destinado al mercado doméstico o de oficina? ¿en qué casos es preciso decantarse
por una solución robusta?
La presente nota técnica trata de responder a las preguntas anteriores. Primero expone los
rasgos distintivos que hacen que un producto pueda considerarse robusto. Tambien enumera los
problemas más habituales que se encuentran en los entornos industriales y realiza un
paralelismo entre las pruebas de homologación que µSysCom realiza a sus equipos, y los
problemas observados en la vida real.
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Fiabilidad de los equipos de comunicaciones
El objetivo de todo fabricante es crear productos fiables, cuya vida útil exceda ampliamente el
plazo de garantía que se le da. Para ello existen dos tareas a llevar a cabo:
•
•
Concebir el diseño desde el principio de forma fiable.
Ir mejorando el producto con el tiempo, corrigiendo los problemas de fiabilidad
detectados en las primeras revisiones del producto e implementando alternativas de
diseño.
Así como el segundo punto es una evolución natural de todos los productos de todas las
compañías, a la hora de afrontar el primero hay dos tipos de compañias: las que realizan el
diseño poniéndo el énfasis en conseguir el mínimo coste, y después tratan de mejorar las
prestaciones del producto, y las que ponen el énfasis en asegurar las prestaciones del producto,
y después estudian el coste.
uSysCom, en el desarrollo de sus productos, trata de maximizar la fiabilidad siguiendo los dos
siguientes criterios:
•
•
El diseño se aborda con el objetivo de optimizar las prestaciones y fiabilidad del
conjunto.
El producto es más fiable en tanto que cada uno de los componentes individuales que lo
componen sea más fiable.
Diseño orientado a la fiabilidad
Los equipos de uSysCom se conciben siguiendo las siguientes pautas:
•
•
•
•
•
•
•
Ausencia de elementos que precisen mantenimiento.
Ningún componente debe estar cerca de sus límites de operación.
Aplicación de redundancias y sobredimensionamientos donde sea preciso.
Ausencia de elementos mecánicos móviles (ventiladores...)
Reutilización de conceptos y subsistemas en el caso de que estén suficientemente
probados en campo.
Utilización masiva de elementos de protección y filtrado de interferencias.
Garantizar el correcto funcionamiento del equipo, implementando sistemas de
recuperación de posibles estados de error (watchdog, reset programable...)
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Calidad de los componentes utilizados: rango industrial
Conceptos como vida útil o tiempo medio entre fallos de un equipo son el resultado de su
aplicación a cada uno de los componentes que lo forman, más el estudio de la interacción entre
los distintos componentes y las incidencias a las que pudieran dar lugar. Por tanto, utilizar
componentes mejores siempre mejora la calidad final del producto.
Todos los productos de uSysCom utilizan componentes semiconductores de rango de
temperatura industrial (desde –40ºC a +85ºC). Los componentes pasivos seleccionados siempre
tienen rangos de operación extendidos y tolerancias bajas. Así pues el rango de temperatura de
operación de los equipos que aparece en la hoja de características está asegurado por diseño y
no está condicionado por las tolerancias de los componentes.
Una buena base: la fuente de alimentación robusta
La fuente de alimentación es uno de los elementos más importantes a tener en cuenta a la hora
de valorar la robustez de un equipo de comunicaciones. Esto se debe a varios factores.
•
•
•
•
Es la principal fuente de estrés térmico en el equipo, ya que inevitablemente se calienta.
Va conectada a la red de distribución eléctrica, y por tanto está sometida a todas las
perturbaciones que vengan por ella, así como a posibles errores de instalación (inversión
de la polaridad en los terminales).
Es un componente esencial. Una pequeña degradación de sus características ocasiona
necesariamente un fallo en el equipo en un plazo breve.
Estadísticamente, es la principal causa de fallo en los equipos de comunicaciones.
uSysCom, consciente de esta problemática, incorpora en sus productos fuentes de alimentación
específicamente diseñadas para su utilización en entornos industriales difíciles. Cada fuente de
uSysCom se diseña teniendo en cuenta las siguientes pautas:
•
Sobredimensionamiento. Las fuentes están calculadas para entregar la potencia nominal
consumida por el equipo de comunicaciones, más un margen adicional de seguridad. Así
pues, en el funcionamiento normal del equipo, la fuente no alcanza nunca el nivel
máximo de disipación que puede soportar, y como consecuencia la temperatura del
conjunto es notablemente inferior. Esto revierte en un menor estrés de los componentes
sensibles a la temperatura (condensadores), y en un aumento significativo de la
esperanza de vida del equipo. Los equipos de comunicaciones estándar, por contra,
tienen una fuente muy ajustada en prestaciones, y habitualmente fallan por estrés
térmico cuando se mantienen a elevada temperatura durante periodos prolongados de
tiempo.
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•
Fiabilidad. Todos los componentes utilizados en las fuentes de uSysCom soportan
rangos de temperatura extendidos. Los componentes más sensibles son los
condesandores electrolíticos, ya que por sus características tienen un tiempo de vida
limitado, y son insustituíbles en cualquier fuente de alimentación como elemento de
almacenamiento de energía. uSysCom utiliza sólamente condensadores de clase de
temperatura 105ºC. Hay que destacar que la vida de un condensador electrolítico
disminuye a la mitad por cada aumento de 10ºC de la temperatura [1]. Por tanto, un
equipo de comunicaciones de tipo comercial, que utilice en su fuente condensadores de
clase 85ºC (clase estándar), tiene un tiempo de vida 4 veces menor (diferencia de 20ºC)
que los diseñados por uSysCom (véase figura 1).
Figura 1. Expectativa de vida últil para los condensadores electrolíticos de aluminio
•
•
Protección frente a inversiones de polaridad. Este elemento es crítico en equipos que se
alimentan a tensión continua (DC). En este caso, una inversión de la polaridad, típicamente
por un error en el momento de la instalación, puede dañar irreversiblemente el equipo. Todas
las fuente DC de uSysCom incorporan un elemento de protección que impide que el equipo
sufra ningún deterioro.
Protección frente a sobretensiones. Al utilizar componentes de gran calidad, los equipos de
comunicaciones de uSysCom pueden someterse a tensiones de alimentación superiores en
un 10% a su tensión máxima nominal durante periodos prolongados sin que el equipo sufra
daños. Algunos modelos incluso implementan un sistema de desconexión automática si la
tensión de entrada, por alguna razón, sobrepasa un umbral de seguridad máximo
(típicamente el 110% de la tensión máxima nominal).
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•
•
•
Amplio rango de tensiones de entrada. Los rangos de alimentación que se ofrecen están
orientados a las necesidades del mundo industrial, y son notablemente amplios, permitiendo
utilizar un mismo equipo en sistemas con diferente tensión de alimentación. Los rangos son
complementarios, para permitir utilizar el equipo a cualquier entorno. Algunos rangos típicos
son:
o 60 – 260VAC
o 60 – 360VDC
o 40 – 140 VDC
o 14 – 75VDC
o 6 – 36VDC
Mínimo consumo. Cuanto menos se calienta un equipo, su vida útil es más larga y con
menos fallos. Teniéndolo en cuenta, uSysCom diseña sus equipos de comunicaciones con
un doble requerimiento, a fin de minimizar el consumo total de energía:
o Minimizar el consumo de energía del equipo.
o Optimizar el rendimiento de la fuente de alimentación.
Modo de fallo benigno. Si por alguna causa se produjera un fallo interno en el equipo o en la
fuente de alimentación, ésta entra en un modo de autoprotección y deja de funcionar. Por
tanto, dicho de otra forma, las fuentes de alimentación diseñadas por uSysCom fallan en
circuito abierto. Esto es muy importante para proteger los sistemas de alimentación primarios
y no dañar las infraestructuras, y evita la necesidad de interruptores magnetotérmicos en
muchas aplicaciones.
Problemas habituales en el entorno industrial
Los ambientes industriales presentan una serie de dificultades que rara vez afectan a los
entornos domésticos o de oficina. Los equipos de comunicaciones robustos están
específicamente diseñados para trabajar normalmente en presencia de estas perturbaciones.
Además, uSysCom ofrece un gran número de equipos con interfaces de fibra óptica, que son
inherentemente más robustos y fiables al ser inmunes a los fenómenos de tipo electromagnético.
A continuación se detallan algunos de los fenómenos más habituales, centrados en su incidencia
en los interfaces eléctricos por ser éstos más susceptibles.
Conexiones de tierra, o el por qué del aislamiento
Los equipos de comunicaciones de uSysCom tienen sus interfaces de comunicación aislados
galvánicamente (sin conexión eléctrica entre ellos). Esto permite que no haya ningún tipo de
problema al conectar entre sí equipos que estén alimentados con diferentes subsistemas de
alimentación o conectados a diferentes tomas de tierra, ya que al conectar los equipos no se
cierra ningún circuito eléctrico.
Un caso típico en el que esta situación origina problemas se da en las subestaciones eléctricas,
en el momento en el que se produce una falta. Al abrirse los seccionadores, saltan arcos
eléctricos que originan corrientes instantáneas muy elevadas, y ello puede dar lugar a
diferencias de tensión muy importantes entre diferentes conexiones eléctricas de la subestación.
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Si los interfaces del equipo de comunicación no implementan aislamiento galvánico, el equipo se
convierte en un conductor por el que pasa una corriente instántanea muy alta para equilibrar las
diferencias de tensión, ocasionando inevitablemente la destrucción del equipo.
Por otra parte, el aislamiento tiene otro efecto secundario positivo. Al no existir la conexión
eléctrica entre circuitos, se rompe el llamado “lazo de tierra” (ground loop), con lo que
disminuyen de forma significativa las emisiones electromagnéticas radiadas y conducidas del
equipo de comunicaciones, y aumenta su inmunidad ante perturbaciones externas de la misma
naturaleza [2].
Fenómenos que perturban las comunicaciones
Perturbaciones radiadas
Las perturbaciones radiadas son interferencias electromagnéticas de origen externo que el
equipo de comunicaciones recibe por el espacio que lo rodea, y que se pueden manifestar como
una degradación de su funcionalidad parcial o total. Algunos ejemplos de fuentes de
perturbaciones radiadas son los transmisores de radio, antenas, motores eléctricos, elementos
inductivos de potencia, transformadores, líneas de distribución eléctrica.
Los equipos de comunicaciones de uSysCom se homologan con un nivel de perturbación de
10V/m (nivel de campo eléctrico al que es sometido), requerido para entornos industriales
severos. Con este nivel de interferencia se asegura que se mantiene intacta la funcionalidad de
comunicación. Los equipos de tipo comercial se homologan para niveles de 1V/m ó 3V/m [3].
Perturbaciones conducidas
Las perturbaciones conducidas son interferencias electromagnéticas de origen externo que
llegan al equipo de comunicaciones por los conductores eléctricos que los unen al exterior. Al
igual que las perturbaciones radiadas, el efecto observado en el equipo que las sufre es que no
funciona correctamente (o no funciona del todo).
Los conductores eléctricos se comportan como antenas que recogen las interferencias
electromagnéticas presentes en el espacio que los rodea. Por tanto, cuando un equipo de
comunicaciones está ubicado en un entorno industrial típico (cercano a fuentes de ruido como
las citadas en el punto anterior), los cables de conexión recogen el ruido y lo introducen por los
interfaces eléctricos. Esta situación es especialmente crítica en los entornos industriales, ya que
las fuentes contaminantes son muchas, y los cables de conexión suelen ser muy largos, lo que
agrava la situación.
Los equipos de comunicaciones de uSysCom se homologan con un nivel de perturbación de
10V/m, requerido para entornos industriales severos. Por contra los equipos de comunicación
destinados a entornos domésticos o de oficina se homologan con unos valores de 1V/m ó 3V/m
[4].
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Transitorios rápidos
Estas perturbaciones se dan típicamente cuando se abren o cierran interruptores de potencia. En
ese momento se generan unos transitorios rápidos que se propagan por todos los conductores
eléctricos que se encuentren en las cercanías del interruptor. Un caso especialmente complicado
es el de las subestaciones eléctricas, al abrirse y cerrarse los interruptores de las líneas de alta
tensión.
El efecto que se observa en los equipos sometidos a esta perturbación es que “se vuelven
locos”: se resetean, las luces indicadoras se encienden y apagan solas, en los PCs se abren y
cierran ventanas, el cursor se desplaza solo por la pantalla, no responden al teclado...
Los equipos de comunicaciones de uSysCom se homologan con un nivel de perturbación de
±4KV de tensión de cresta en los terminales de alimentación, y ±2KV en los terminales de datos.
Cabe destacar que este nivel es el mismo que se exige a los equipos de control de las
subestaciones, correspondiente al entorno industrial más severo [5]. Los equipos comerciales se
homologan sólamente con un nivel de 0,5KV en la alimentación.
Estos transitorios son la causa más habitual de problemas al utilizar equipamiento doméstico en
entornos industriales, ya que los equipos domésticos no se diseñan para satisfacer estas
interferencias, y además los síntomas suelen ser fallos esporádicos de funcionamiento sin motivo
aparente, y muy difíciles de determinar.
Fenómenos potencialmente dañinos para los equipos de
comunicaciones
Descargas electrostáticas
Las personas, en el transcurso de su actividad diaria, adquieren un potencial respecto a masa y
se cargan electrostáticamente, debido fundamentalmente a rozamientos. Esto se debe a tres
factores:
o Habitualmente el material de los zapatos no es conductor (cuero, goma...)
o Puede pasar un periodo de tiempo largo sin que se toque algún objeto conductor
conectado a masa.
o La utilización de materiales sintéticos, y un valor de humedad relativa del aire bajo
favorecen el almacenamiento de carga.
Por ello el cuerpo se comporta como un condensador cargado. En el momento que se toca algún
objeto que ofrece un camino de descarga a masa, salta un arco eléctrico desde el cuerpo al
objeto. Este arco puede tener un valor considerable y alterar el funcionamiento (o incluso
destruir) los equipos de comunicaciones.
Para demostrar la resistencia de los equipos a estas descargas, se ha modelizado el
comportamiento eléctrico del cuerpo humano [6] como puede verse en la figura 2, y los equipos
son sometidos según este modelo a descargas sin contacto (por el aire) y por contacto (al tocar
partes metálicas expuestas del equipo).
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Figura 2. Modelo de descarga electrostática del cuerpo humano
En los equipos de comunicaciones de µSysCom, la carcasa metálica siempre tiene un tornillo
que permite la conexión a masa del equipo, con una doble finalidad: satisfacer las normativas de
seguridad eléctrica, y al mismo tiempo minimizar el impacto de las descargas electrostáticas en
el momento de la instalación y posterior manipulación del equipo. Se homologan con unos
niveles mínimos de ±8KV de descarga por el aire y ±6KV de descarga por contacto
(correspondientes a un caso de atmósfera seca y entorno sin protección ESD) [7].
El peor enemigo del equipo de comunicaciones: el rayo.
Los rayos son la principal causa de fallos graves y roturas en los equipos de telecomunicación.
Se calcula que en cualquier momento dado hay 1800 tormentas en desarrollo en el mundo, y
unos 100 rayos alcanzan la superficie terrestre cada segundo. Cada rayo suele impactar en el
suelo en 3 –5 puntos distintos, pudiendo tener cada uno de ellos una corriente instantanea de
hasta 20KA!!
Los problemas generados por los rayos se clasifican en tres tipos distintos.
o Impacto directo. Las instalaciones en las que se utilizan los equipos de comunicaciones
están protegidas por pararrayos, de forma que no es habitual un impacto directo. Si se
produce, de todas formas, el resultado casi inevitable es la destrucción del equipo (y de
todo lo que le rodea). En el caso de antenas ubicadas en el exterior, µSysCom
recomienda el uso de supresores externos contra rayos, conectados a la masa del
edificio, para evitar daños a los equipos.
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o Impacto indirecto. Este fenómeno ocurre cuando un rayo impacta en las cercanías de los
equipos, y se inducen tensiones perturbadoras en todos los conductores cercanos, como
se ve en la figura 3. Tambien aparece un fenómeno similar cuando se abre un
seccionador en una subestación eléctrica. Es la causa más común de fallos en entornos
industriales.
Figura 3: Tensiones inducidas por la caída de un rayo [8]
o Circulación de corrientes por tierra. Cuando un rayo impacta directamente en tierra en
las proximidades del equipo, la corriente se acopla a través de la puesta a tierra de la
instalación, afectando a todos los equipos conectados a ella. En las subestaciones
eléctricas ocurre lo mismo cuando se produce una falta de tierra.
Para analizar la resistencia de los equipos de comunicaciones a los casos citados en el segundo
y tercer punto, se realizan ensayos de inmunidad a ondas de choque en los terminales de
alimentación [9]. Los equipos de uSysCom se prueban con unos niveles de 4KV entre las lineas
de alimentación y tierra, y 2KV entre las lineas de alimentación, correspondiente a un nivel de
severidad máximo (aplicado a equipos cuya interconexión se realiza con cables exteriores junto
con los cables de potencia). Cabe destacar que los equipos de uso comercial se prueban para
unas tensiones de 1K y 0,5KV respectivamente, niveles insuficientes para una instalación
industrial tipo.
Hay un interfaz que se ve frecuentemente afectado por las impactos de rayos, a menudo con
resultados fatales, es el de la red telefónica conmutada. Cumple el requisito de ser una red de
distribución no conectada a tierra, que va por el exterior, y a menudo la distancia es
considerable, sobre todo en entornos rurales.
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Los equipos de uSysCom implementan un circuito de protección propio para estos interfaces,
basado en una combinación de supresor de transitorios, fusibles rearmables y un descargador
de gas, que garantizan una protección adicional al modem en el caso de impacto cercano de un
rayo.
Otro caso similar al daño producido por los rayos es el de los interfaces ethernet eléctricos
(100BaseTx) en las subestaciones eléctricas. Habitualmente los cables ethernet son
considerablemente largos (típicamente hasta 100m), con lo que al producirse una falta o abrirse
un seccionador, la tensión inducida en los mismos es muy alta. Para protegerse, los equipos con
interfaces ethernet de uSysCom montan una circuitería específica en cada boca, basada en
supresores de transitorios para lineas de alta velocidad. Hay que destacar que los switches,
routers, puntos de acceso y demás equipamiento de red orientados al mercado de oficina no
utilizan este tipo de protección, debido a su elevado coste por cada puerto ethernet.
Referencias
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•
[1] Parler, S. “Thermal Modelling of Aluminum Electrolytic Capacitors”, 34th annual
meeting of the IEEE IAS, 1999.
[2] Nilsson, U. “EMC for Communication Systems”, EMC Services, 2000.
[3] AENOR, “Norma EN61000-4-3, Ensayos de Inmunidad a los Campos
Electromagnéticos Radiados”, 1998.
[4] AENOR, “Norma EN61000-4-6, Ensayos de Inmunidad a las Perturbaciones
Conducidas”, 1998.
[5] AENOR, “Norma EN61000-4-4, Ensayos de Inmunidad a los Transitorios Eléctricos
Rápidos en Ráfagas”, 1998.`
[6] Kelly, M. et al. “An Investigation of Human Body Electrostatic Discharge”, 19th
International Symposium for Testing and Failure Analysis, 1993.
[7] AENOR, “Norma EN61000-4-2, Ensayos de Inmunidad a las Descargas
Electrostáticas”, 1998.
[8] Clark, O.M., “Lightning Protection for Computer Data Lines”, EOS/ESD Symposium
Proceedings, 1981.
[9] AENOR, “Norma EN61000-4-5, Ensayos de Inmunidad a las Ondas de Choque”,
1998.
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