Standard fieldbus PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) obstaja že več kot dve desetletji, vendar zahteve njegove fizične plasti ostajajo nejasne, kar pogosto vodi v zmedo pri definicijah oddajnikov. Vendar kakršna koli dvoumnost očitno ni preprečila, da bi PROFIBUS postal zelo uspešna rešitev fieldbus z več kot 50 milijoni naprav, nameščenih po vsem svetu. Ko se uvajajo novi sistemi, je za načrtovalce ključnega pomena, da vedo, da so oddajniki-sprejemniki, ki jih uporabljajo, zasnovani za najnovejšo in najbolj natančno interpretacijo standarda PROFIBUS-DP.
Osnove PROFIBUS-DP (razdeljene periferije).
Hitrejši in enostavnejši standard PROFIBUS-DP je nastal leta 1993 iz svojega počasnejšega in bolj zapletenega nadrejenega standarda PROFIBUS FMS (Specifikacija sporočil Fieldbus). PROFIBUS-DP ima tudi mlajši, manj priljubljen enakovreden ali izpeljan standard, PROFIBUS-PA (Process Automation), ki uporablja prenos Manchester Bus Power (MBP) in se napaja preko vodila, zaradi česar je idealen za intrinzično varne aplikacije v nevarnih okoljih. Vendar PROFIBUS-DP ostaja najpogosteje uporabljena različica PROFIBUS danes zaradi svojih lastnosti plug-and-play, prilagodljivosti in stroškovne-učinkovitosti. Od upravljanja senzorjev in aktuatorjev v industrijskih obratih do komunikacije z merilniki pretoka na postajališčih in različnih robotskih aplikacij, PROFIBUS-DP decentralizira V/I kartice (glavne) iz krmilnikov na lokacije bližje senzorjem in aktuatorjem (podrejene).
PROFIBUS-DP lahko komunicira prek več medijev, vključno z bakreno žico, optičnimi vlakni in celo zrakom v infrardečih komunikatorjih. Do danes je najpogostejši bitni prenosni medij (plast 1 modela ISO/OSI) za glavne in podrejene PROFIBUS-DP kabel z zvitimi{4}}žicami z uporabo oddajnikov RS485. To ni presenetljivo glede na visoko-hitro diferencialno signalizacijo RS485 in robustno komunikacijo na velikih razdaljah med več napravami v hrupnem okolju. Več nadrejenih, kot so PLC-ji (Programmable Logic Controllers), lahko povežejo do 30 podrejenih na segment v linearni topologiji. Z uporabo vozlišč (vzporednih segmentov) ali repetitorjev (zaporednih segmentov) je mogoče omrežje razširiti na 124 podrejenih. Segmente je treba zaključiti na obeh koncih z aktivnim zaključkom. Vse sužnje je mogoče vroče-priklopiti na avtobus,
95 % RS485, 5 % zmede
PROFIBUS-DP sprejema večino standarda TIA/EIA-485-A RS485, vendar vključuje spremembe, ki so lahko nehote spregledane zaradi večjih težav s sistemom. Zato v nasprotju s splošnim prepričanjem niso vsi sprejemniki in kabli RS485 primerni za omrežja PROFIBUS-DP. Obstajajo razlike v ožičenju, zaključku, poimenovanju signala in zahtevah gonilnika; če jih prehitro spregledate, lahko zlahka ogrozite delovanje (ali še huje, certificiranje) vaših nadrejenih ali podrejenih naprav.
Medtem ko standard RS485 ne določa zahtev za ožičenje, je 120-Ω kabel z oklopljenim sukanim parom (STP) postal običajno priporočilo. Vendar PROFIBUS-DP priporoča 150-Ω STP kabel. Na žalost 120 Ω ni mogoče približati 150 Ω in ta majhna razlika v impedanci kabla dejansko zahteva uporabo različnih kablov. PROFIBUS-DP določa tudi največje dolžine kablov, ki so odvisne od tega, kateri od 10 "korakov" hitrosti prenosa podatkov je uporabljen, v razponu od 1.200 m pri 9,6 kbits/s do 100 m pri 12 Mbits/s.
Seveda različne zahteve glede impedance kabla vodijo do različnih zahtev za zaključke. Za zmanjšanje odbojev signala namestitve RS485 običajno uporabljajo en zaključni upor 120-Ω na vsakem koncu vodila, medtem ko PROFIBUS-DP priporoča zaključno omrežje 171-Ω na vsakem koncu. Čakaj, je to tipkarska napaka? PROFIBUS-DP priporoča 171 Ω, torej ali se to ne ujema s karakteristično impedanco 150 Ω priporočenega kabla? Vsekakor. Slika 1 prikazuje razlike med kabelskim in priključnim omrežjem, ki se uporablja za PROFIBUS-DP, v primerjavi z RS485. Vidite lahko dva 390-Ω prednapetostna upora vodila, ki se uporabljata z 220-Ω zaključnimi upori; diferencialni upor je 171 Ω. To očitno ni popolno ujemanje za 150-Ω kabel, kar ima za posledico rahlo nezadostno omrežno dušenje. Vendar ne skrbite, ker to kaže le na majhen udarec ali povečanje napetosti signala na sprejemnem koncu kabla, ki traja dvakrat dlje od zakasnitve širjenja kabla.
Slika 1: Razlike v kablih, zaključkih in dodelitvah pinov med omrežji RS485 in PROFIBUS-DP.
Če neusklajenost kablov/zaključkov ni bila dovolj, bi moralo poimenovanje zatičev vodila na sprejemno-sprejemnih enotah PROFIBUS dodatno zamešati vaša pričakovanja. Morda ste opazili obrnjena imena nožic, uporabljenih na sliki 1. V večini generičnih sprejemnikov RS485 je nožica A skupni-način vhod sprejemnika (in skupni-izhod gonilnika), medtem ko je nožica B diferencialni-izhod sprejemnika in vhod gonilnika. Vendar pa standard PROFIBUS opisuje polarnost vodila tako, da sta pina B in A zamenjana. Zakaj nedoslednost? Izvirni standard TIA/EIA-485-A ni eksplicitno definiral polarnosti vodila v povezavi s funkcijo logičnega signala, zato so snovalci IC RS485 specifikacijo skoraj brez izjeme interpretirali na en način, drugi pa drugače. Kaj to pomeni za vas? Še posebej, če imate oba projekta RS485 in PROFIBUS-DP, morate biti zelo pozorni pri preslikavi zatičev vodila oddajnika na konektorje.
Glede na število obstoječih oddajnikov z nedefiniranimi specifikacijami je diferenčna izhodna napetost gonilnika (V_(OD)) verjetno najbolj napačno razumljena ali spregledana specifikacija v fizičnem sloju PROFIBUS-DP. RS485 določa V_(OD) med linijama A in B kot razliko od 1,5 do 5 V vrha-do-vrha, izmerjeno na sponkah gonilnika z uporabo uporov 54-Ω med A in B. PROFIBUS-DP določa V_(OD) kot 4 do 7 V diferencial vrh-to vrh, izmerjen na skrajnem koncu kabla s terminatorjema na obeh koncih.
Pogosta napačna predstava je, da če gonilnik RS485 proizvede več kot 2,1 V pri obremenitvi 54-Ω, bo izpolnjeval zahteve PROFIBUS-DP, če se uporablja z omrežjem s priključkom PROFIBUS-DP. Vendar to ni vedno res. Moč gonilnika RS485 je lahko pretirana in presega omejitev 7-V peak2.1to-peak PROFIBUS-DP. Upoštevajte, da vsi običajni oddajniki-sprejemniki RS485, združljivi s "PROFIBUS", določajo samo najmanjši V_(OD) (tj. 2,1 V) brez maksimuma. Najboljši način za zagotovitev skladnosti PROFIBUS-DP V_(OD) je testiranje sprejemno-sprejemne enote z obremenitvijo PROFIBUS.
Slika 2 prikazuje, kako preizkusiti robusten oddajnik-sprejemnik LTC2877 PROFIBUS RS485 z uporabo obremenitve PROFIBUS-DP in nekaterih serijskih uporov za simulacijo izgube kabla, kjer se V_(OD) (modra krivulja) meri od "konca kabla" (A' in B'), da se zagotovi prava skladnost s specifikacijo PROFIBUS-DP. LTC2877 je tudi v celoti preizkušen z obremenitvami RS485, da se zagotovi skladnost VOD z obema standardoma.
Slika 2: Preizkušanje diferencialne izhodne napetosti (VOD) LTC2877 z obremenitvijo PROFIBUS-DP.
Zaščita PROFIBUS-DP
Standard TIA/EIA-485-A zagotavlja minimalne zahteve za zaščito pred hrupom, napakami, ESD, prehodnimi pojavi (hitri električni prehodi) ali prenapetostmi. Posledično morajo proizvajalci in oblikovalci oddajnikov in oddajnikov samostojno izvajati električno zaščito. Medtem ko se zahteve glede zaščite razlikujejo glede na aplikacijo, nekateri oddajniki-sprejemniki - vključno z LTC2877, prikazanim na sliki 3 - zagotavljajo zaščito na visoki ravni, ki izpolnjuje vse zahteve trga.
Standard TIE/EIA-485-A določa, da je odmik od tal med dvema napravama v omrežju lahko v razponu od –7 do +12 V. Vendar lahko številne instalacije PROFIBUS-DP naletijo na napetosti, ki so precej višje od te, kar lahko povzroči resno škodo na sprejemnikih in sprejemnikih PROFIBUS-DP. PROFIBUS se običajno uporablja v 24-voltnih sistemih, kjer je lahko kratki stik "standardne" naprave RS485 na 24-voltno napetost usoden. Načrtovalci bi morali zahtevati sprejemnik z razširjenim običajnim-območjem načina od –25 do +25 V. Zamenjava tipičnih oddajnikov PROFIBUS-DP z ±60V-zaščitenim LTC2877 odpravi napake na polju zaradi prenapetostnih napak brez potrebe po dragi zunanji zaščiti. Ker so oddajniki-sprejemniki PROFIBUS-DP dejansko prva obrambna linija sistema, se morajo zaščititi pred različnimi ravnmi ESD sunkov. Nekateri oddajniki-sprejemniki PROFIBUS ponujajo 15 kV ESD zaščito na svojih zatičih vodila, ko so brez napajanja; drugi izdelki, kot je LTC2877, zagotavljajo ±26kV HBM ESD zaščito glede na ozemljitev ali kateri koli napajalnik brez zaklepanja ali poškodb, ne glede na to, ali so -brez napetosti ali pod napetostjo in v katerem koli načinu delovanja. Poleg tega so zatiči vodila zaščiteni pred prenapetostmi zemlja-zemlja ±52 kV, ko niso pod napajanjem.
Druga oblika električne preobremenitve je EFT, ki ga standard IEC 61000-4-4 EFT opredeljuje kot visokonapetostne impulze, ki trajajo 60 mikrosekund. To vrsto preobremenitve običajno povzročijo obločni kontakti v stikalih in relejih, kar je običajno v industrijskih okoljih, kjer elektromehanska stikala povezujejo in odklapljajo induktivna bremena. Zagotoviti morajo, da izbrani sprejemnik-sprejemnik ustreza najvišji ravni standarda IEC 61000-4-4, raven 4, kar ustreza 2 kV napetosti odprtega tokokroga na zatičih vodila.
Morda je najhujša oblika električne preobremenitve val, ki ga povzroči narava v obliki strele. Zato ni presenetljivo, da miniaturnim IC-jem oddajnikov, kot je LTC2877, manjka inherentna zaščita pred prenapetostmi te velikosti. Namesto tega se v sistemih PROFIBUS-DP, kjer so komponente na kakršen koli način izpostavljene, običajno uporabljajo zunanje komponente prenapetostne zaščite, vključno z diodami MOV, diodami TVS, TSPD (tiristorske naprave za zaščito pred prenapetostjo) in GDT (cevi za izpust plina). LTC2877 sam ne more prenesti udarcev strele, vendar njegova visoka ocena nožice ±60 V olajša iskanje zunanjih zaščitnih komponent, ki lahko zagotovijo to raven zaščite.