Standardul magistralei de câmp PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) există de peste două decenii, dar cerințele sale de nivel fizic rămân neclare, ceea ce duce frecvent la confuzie în definițiile transceiver-ului. Cu toate acestea, orice ambiguitate nu a împiedicat în mod clar PROFIBUS să devină o soluție fieldbus de mare succes, cu peste 50 de milioane de dispozitive instalate în întreaga lume. Pe măsură ce sisteme noi sunt implementate, este esențial ca inginerii de proiectare să știe că transceiver-urile pe care le folosesc sunt proiectate pentru cea mai recentă și mai precisă interpretare a standardului PROFIBUS-DP.
Fundamentele PROFIBUS-DP (periferice distribuite).
Standardul PROFIBUS-DP mai rapid și mai simplu a apărut în 1993 din standardul său principal mai lent și mai complex, PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). PROFIBUS-DP are, de asemenea, un standard peer sau derivat mai tânăr, mai puțin popular, PROFIBUS-PA (Process Automation), care utilizează transmisia Manchester Bus Power (MBP) și este alimentat prin autobuz, ceea ce îl face ideal pentru aplicații intrinsec sigure în medii periculoase. Cu toate acestea, PROFIBUS-DP rămâne cea mai utilizată versiune PROFIBUS astăzi datorită caracteristicilor plug-and-, flexibilității și rentabilității-. De la gestionarea senzorilor și actuatoarelor din fabrici industriale până la comunicarea cu debitmetrele din șantierele de cale ferată și diverse aplicații robotizate, PROFIBUS-DP descentralizează cardurile I/O (master) de la controlere la locații mai apropiate de senzori și actuatori (slave).
PROFIBUS-DP poate comunica prin mai multe medii, inclusiv fir de cupru, fibră optică și chiar aer în comunicatoarele cu infraroșu. Până în prezent, cel mai obișnuit mediu de transmisie de biți (Layer 1 al modelului ISO/OSI) pentru master și slave PROFIBUS-DP este cablul de pereche-răsucită folosind transceiver RS485. Acest lucru nu este surprinzător, având în vedere semnalizarea diferențială de mare-viteză a RS485 și comunicarea robustă pe distanțe lungi între mai multe dispozitive în medii zgomotoase. Mai multe master-uri, cum ar fi PLC-urile (controlere logice programabile), pot conecta până la 30 de slave pe segment într-o topologie liniară. Folosind hub-uri (segmente paralele) sau repetoare (segmente seriale) poate extinde rețeaua la 124 de slave. Segmentele trebuie să fie terminate la ambele capete folosind terminarea activă. Toți sclavii pot fi conectați fierbinți-în autobuz,
95% RS485, 5% confuzie
PROFIBUS-DP adoptă cea mai mare parte a standardului TIA/EIA-485-A RS485, dar încorporează modificări care pot fi trecute cu vederea din greșeală din cauza preocupărilor mai mari ale sistemului. Prin urmare, contrar credinței comune, nu toate transceiver-urile și cablurile RS485 sunt potrivite pentru rețelele PROFIBUS-DP. Există diferențe în ceea ce privește cablarea, terminarea, denumirea semnalului și cerințele driverului; trecerea cu vederea prea repede a acestora poate compromite cu ușurință performanța (sau, mai rău, certificarea) dispozitivelor dumneavoastră master sau slave.
Deși standardul RS485 nu specifică cerințele de cablare, cablul STP (Shielded Twisted Pereche) de 120-Ω a devenit recomandarea convențională. Cu toate acestea, PROFIBUS-DP recomandă cablul STP de 150-Ω. Din păcate, 120 Ω nu poate fi aproximat la 150 Ω, iar această ușoară diferență în impedanța cablului necesită de fapt utilizarea de cabluri diferite. PROFIBUS-DP specifică, de asemenea, lungimile maxime ale cablurilor, care depind de care dintre cele 10 „pași” de rată de baud este utilizat, variind de la 1.200 m la 9,6 kbit/s până la 100 m la 12 Mbit/s.
Desigur, cerințele diferite de impedanță a cablului conduc la cerințe diferite de terminare. Pentru a minimiza reflexiile semnalului, instalațiile RS485 utilizează de obicei o singură rezistență de terminare de 120-Ω la fiecare capăt al magistralei, în timp ce PROFIBUS-DP recomandă o rețea de terminare de 171-Ω la fiecare capăt. Stai, e o greșeală de tipar? PROFIBUS-DP recomandă 171 Ω, deci nu se potrivește asta cu impedanța caracteristică de 150 Ω a cablului recomandat? Absolut. Figura 1 ilustrează diferențele dintre rețeaua de cablu și de terminare utilizată pentru PROFIBUS-DP față de RS485. Puteți vedea două rezistențe de polarizare magistrală de 390-Ω utilizate cu rezistențe de terminare de 220-Ω; rezistența diferențială este de 171 Ω. În mod clar, aceasta nu este o potrivire perfectă pentru cablul de 150-Ω, rezultând o amortizare ușor insuficientă a rețelei. Dar nu vă faceți griji, deoarece aceasta indică doar o mică denivelare sau o creștere a tensiunii semnalului la capătul de recepție a cablului, care durează de două ori întârzierea de propagare a cablului.
Figura 1: Diferențele de cabluri, terminații și alocări de pin între rețelele RS485 și PROFIBUS-DP.
Dacă nepotrivirile de cablu/terminare nu ar fi suficiente, denumirea pinilor magistralei pe transceiver-urile PROFIBUS ar trebui să vă încurce și mai mult așteptările. Este posibil să fi observat numele de pin inversate folosite în Figura 1. În majoritatea transceiver-urilor RS485 generice, pinul A este intrarea receptorului în mod comun-(și ieșirea driverului în modul-comun), în timp ce pinul B este ieșirea receptorului în modul-diferenţial și intrarea driverului. Cu toate acestea, standardul PROFIBUS descrie polaritatea magistralei în așa fel încât pinii B și A sunt inversați. De ce inconsecvența? Standardul inițial TIA/EIA-485-A nu a definit în mod explicit polaritatea magistralei în raport cu funcția semnalului logic, astfel încât proiectanții de circuite integrate RS485 au interpretat aproape invariabil specificația într-un fel, în timp ce alții au interpretat-o în alt mod. Ce înseamnă asta pentru tine? Mai ales dacă aveți atât proiecte RS485, cât și PROFIBUS-DP, trebuie să acordați o atenție deosebită atunci când mapați pinii magistralei transceiver la conectori.
Având în vedere numărul de transceiver-uri existente cu specificații nedefinite, tensiunea diferenţială de ieșire a driverului (V_(OD)) este probabil cea mai greșit înțeleasă sau trecută cu vederea specificația din stratul fizic PROFIBUS-DP. RS485 specifică V_(OD) între liniile A și B ca diferență de 1,5 până la 5 V vârf-la-vârf, măsurată la bornele driverului folosind rezistențe de 54{-Ω între A și B. PROFIBUS-DP specifică V_(OD) ca 4 până la V7 diferenţial-vârf la vârf, măsurat la capătul îndepărtat al cablului cu terminatoare la ambele capete.
O concepție greșită comună este că, dacă un driver RS485 produce peste 2,1 V la o sarcină de 54-Ω, acesta va îndeplini cerințele PROFIBUS-DP atunci când este utilizat cu o rețea terminată cu PROFIBUS-DP. Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna adevărat. Puterea driverului RS485 poate fi excesivă și poate depăși limita de 7-V de vârf-la-vârf-PROFIBUS-DP. Rețineți că toate transceiver-urile RS485 compatibile cu „PROFIBUS” obișnuite specifică doar un minim V_(OD) (adică, 2,1 V) fără un maxim. Cea mai bună metodă de a asigura conformitatea PROFIBUS-DP V_(OD) este testarea transceiver-ului utilizând o sarcină PROFIBUS.
Figura 2 ilustrează modul de testare a transceiver-ului robust PROFIBUS RS485 LTC2877 folosind o sarcină PROFIBUS-DP și unele rezistențe în serie pentru a simula pierderea cablului, unde V_(OD) (curba albastră) este măsurată de la „capătul cablului” (A’ și B’) pentru a asigura conformitatea reală cu specificația PROFIBUS{5}}DP-. LTC2877 este, de asemenea, testat complet cu sarcini RS485 pentru a asigura conformitatea VOD cu ambele standarde.
Figura 2: Testarea tensiunii diferenţiale de ieşire (VOD) LTC2877 utilizând o sarcină PROFIBUS-DP.
Protejarea PROFIBUS-DP
Standardul TIA/EIA-485-A oferă cerințe minime pentru protecție împotriva zgomotului, defecțiunilor, ESD, tranzitorii (tranzitorii electrici rapidi) sau supratensiuni. În consecință, producătorii și proiectanții de transceiver trebuie să implementeze protecția electrică în mod independent. În timp ce cerințele de protecție variază în funcție de aplicație, anumite transceiver-inclusiv LTC2877 prezentat în Figura 3 oferă protecție la nivel înalt care îndeplinește toate cerințele pieței.
Standardul TIE/EIA-485-A specifică faptul că decalajul la sol între două dispozitive din rețea poate varia de la –7 la +12 V. Cu toate acestea, multe instalații PROFIBUS-DP pot întâlni tensiuni semnificativ mai mari decât aceasta, ceea ce poate cauza daune grave transmisoarelor PROFIBUS-DP. PROFIBUS este utilizat în mod obișnuit în sistemele de 24 V, unde scurtcircuitarea unui dispozitiv RS485 „standard” la 24 V poate fi fatală. Proiectanții ar trebui să solicite un receptor cu o gamă extinsă de mod comun-de la –25 la +25 V. Înlocuirea transceiverelor PROFIBUS-DP obișnuite cu LTC2877 protejat la ±60V-elimină defecțiunile de câmp din cauza defecțiunilor de supratensiune fără a necesita o protecție externă costisitoare. Deoarece transceiverele PROFIBUS-DP sunt efectiv prima linie de apărare a sistemului, ele trebuie să se protejeze împotriva diferitelor niveluri de supratensiune ESD. Unele transceiver-uri PROFIBUS oferă protecție ESD de 15 kV pe pinii lor de magistrală atunci când sunt de-sub tensiune; alte produse, cum ar fi LTC2877, oferă protecție HBM ESD de ±26 kV față de masă sau de la sursa de alimentare fără blocare sau deteriorare, indiferent dacă sunt de-energizate sau sub tensiune și în orice mod de funcționare. În plus, pinii magistralei sunt protejați împotriva supratensiunii sol-sol de ±52kV atunci când nu sunt alimentați.
O altă formă de suprasolicitare electrică este EFT, definită de standardul IEC 61000-4{-4 EFT ca impulsuri de vârf de înaltă tensiune care durează 60 de microsecunde. Acest tip de suprasolicitare este cauzat de obicei de contactele arcului electric în întrerupătoare și relee, frecvente în mediile industriale în care întrerupătoarele electromecanice conectează și deconectează sarcinile inductive. Ar trebui să se asigure că transceiver-ul selectat îndeplinește cel mai înalt nivel al IEC 61000-4-4, Nivel 4, echivalent cu tensiunea de circuit deschis de 2 kV pe pinii magistralei.
Poate cea mai gravă formă de suprasarcină electrică este supratensiunea produsă de natură sub formă de fulger. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că circuitele integrate transceiver miniaturale precum LTC2877 nu au o protecție inerentă împotriva supratensiunilor de această magnitudine. În schimb, componentele externe de protecție la supratensiune, inclusiv MOV-uri, diode TVS, TSPD (dispozitive de protecție împotriva supratensiunii cu tiristoare) și GDT-uri (tuburi cu descărcare în gaz), sunt utilizate de obicei în sistemele PROFIBUS-DP unde componentele sunt expuse în orice fel. LTC2877 nu poate rezista singur la loviturile de trăsnet, dar valoarea sa ridicată a pinii de ±60V face ușor găsirea componentelor de protecție externe capabile să ofere acest nivel de protecție.