Štandard prevádzkovej zbernice PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) existuje už viac ako dve desaťročia, no požiadavky na jeho fyzickú vrstvu zostávajú nejasné, čo často vedie k nejasnostiam v definíciách transceiverov. Žiadna nejednoznačnosť však zjavne nezabránila tomu, aby sa PROFIBUS stal veľmi úspešným riešením priemyselnej zbernice s viac ako 50 miliónmi inštalovaných zariadení po celom svete. Pri nasadzovaní nových systémov je pre konštruktérov kľúčové vedieť, že transceivery, ktoré používajú, sú navrhnuté pre najnovšiu a najpresnejšiu interpretáciu štandardu PROFIBUS-DP.
Základy PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals).
Rýchlejší a jednoduchší štandard PROFIBUS-DP vznikol v roku 1993 zo svojho pomalšieho a komplexnejšieho nadradeného štandardu PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). PROFIBUS-DP má tiež mladší, menej populárny rovnocenný alebo odvodený štandard PROFIBUS-PA (Process Automation), ktorý využíva prenos Manchester Bus Power (MBP) a je napájaný cez zbernicu, vďaka čomu je ideálny pre vnútorne bezpečné aplikácie v nebezpečných prostrediach. PROFIBUS-DP však zostáva dnes najpoužívanejšou verziou PROFIBUS vďaka svojim charakteristikám plug{7}}and{8}}prehrávania, flexibilite a nákladovej-efektívnosti. Od správy senzorov a akčných členov v priemyselných závodoch až po komunikáciu s prietokomermi na železničných koľajach a rôznych robotických aplikáciách, PROFIBUS{11}}DP decentralizuje I/O karty (hlavné) z ovládačov na miesta bližšie k senzorom a akčným členom (podriadené).
PROFIBUS-DP môže komunikovať prostredníctvom viacerých médií vrátane medeného drôtu, optických vlákien a dokonca aj vzduchu v infračervených komunikátoroch. K dnešnému dňu je najbežnejším bitovým prenosovým médiom (vrstva 1 modelu ISO/OSI) pre PROFIBUS-DP master a slave kábel s krútenými-pármi pomocou RS485 transceiverov. To nie je prekvapujúce vzhľadom na vysokorýchlostnú diferenciálnu signalizáciu RS485-a robustnú komunikáciu na veľké vzdialenosti medzi viacerými zariadeniami v hlučnom prostredí. Viacero masterov, ako sú PLC (Programmable Logic Controllers), môže pripojiť až 30 slave na segment v lineárnej topológii. Pomocou rozbočovačov (paralelné segmenty) alebo opakovačov (sériové segmenty) je možné sieť rozšíriť na 124 podriadených. Segmenty musia byť ukončené na oboch koncoch pomocou aktívneho ukončenia. Všetky podriadené jednotky môžu byť{15}}zapojené do zbernice,
95% RS485, 5% zmätok
PROFIBUS-DP preberá väčšinu štandardu TIA/EIA-485-A RS485, ale zahŕňa úpravy, ktoré môžu byť neúmyselne prehliadnuté kvôli väčším problémom so systémom. Preto, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, nie všetky transceivery a káble RS485 sú vhodné pre siete PROFIBUS-DP. Rozdiely existujú v zapojení, ukončení, pomenovaní signálov a požiadavkách na ovládač; ich príliš rýchle prehliadanie môže ľahko ohroziť výkon (v horšom prípade certifikáciu) vašich nadriadených alebo podriadených zariadení.
Zatiaľ čo štandard RS485 nešpecifikuje požiadavky na zapojenie, 120-Ω tienený krútený pár (STP) kábel sa stal konvenčným odporúčaním. PROFIBUS-DP však odporúča 150-Ω kábel STP. Bohužiaľ, 120 Ω sa nedá priblížiť k 150 Ω a tento malý rozdiel v impedancii kábla si v skutočnosti vyžaduje použitie rôznych káblov. PROFIBUS-DP tiež špecifikuje maximálne dĺžky káblov, ktoré závisia od toho, ktorý z 10 „krokov“ prenosovej rýchlosti sa použije, v rozsahu od 1200 m pri 9,6 kbit/s do 100 m pri 12 Mbit/s.
Samozrejme, rôzne požiadavky na impedanciu kábla vedú k rôznym požiadavkám na ukončenie. Aby sa minimalizovali odrazy signálu, inštalácie RS485 zvyčajne používajú jeden zakončovací odpor 120-Ω na každom konci zbernice, zatiaľ čo PROFIBUS-DP odporúča zakončovaciu sieť 171-Ω na každom konci. Počkať, je to preklep? PROFIBUS-DP odporúča 171 Ω, takže to nezodpovedá 150-Ω charakteristickej impedancii odporúčaného kábla? Absolútne. Obrázok 1 znázorňuje rozdiely medzi káblovou a koncovou sieťou používanou pre PROFIBUS-DP oproti RS485. Môžete vidieť dva 390-Ω predpätie zbernice použité s 220-Ω ukončovacími odpormi; rozdielový odpor je 171 Ω. Toto zjavne nie je dokonalá zhoda pre kábel 150-Ω, čo má za následok mierne nedostatočné tlmenie siete. Ale nebojte sa, pretože to znamená len malý náraz alebo zvýšenie napätia signálu na prijímacej strane kábla, ktoré trvá dvojnásobok oneskorenia šírenia kábla.
Obrázok 1: Rozdiely v kábloch, zakončeniach a priradení pinov medzi sieťami RS485 a PROFIBUS-DP.
Ak by nezhoda medzi káblom a koncovkou nestačila, pomenovanie pinov zbernice na transceiveroch PROFIBUS by malo ešte viac zmiasť vaše očakávania. Možno ste si všimli obrátené názvy kolíkov použité na obrázku 1. Vo väčšine generických transceiverov RS485 je kolík A vstup prijímača v bežnom -režime (a výstup ovládača v bežnom{4}} režime), zatiaľ čo kolík B je výstup prijímača a vstup ovládača v diferenčnom{5}}režime. Norma PROFIBUS však popisuje polaritu zbernice tak, že kolíky B a A sú zamenené. Prečo tá nekonzistentnosť? Pôvodný štandard TIA/EIA-485-A explicitne nedefinoval polaritu zbernice vo vzťahu k funkcii logického signálu, takže dizajnéri RS485 IC takmer vždy interpretovali špecifikáciu jedným spôsobom, zatiaľ čo iní to interpretovali inak. čo to pre teba znamená? Najmä ak máte projekty RS485 aj PROFIBUS-DP, musíte venovať veľkú pozornosť pri mapovaní pinov zbernice transceivera na konektory.
Vzhľadom na počet existujúcich transceiverov s nedefinovanými špecifikáciami je rozdielové výstupné napätie ovládača (V_(OD)) pravdepodobne najviac nepochopenou alebo prehliadanou špecifikáciou vo fyzickej vrstve PROFIBUS-DP. RS485 špecifikuje V_(OD) medzi linkami A a B ako 1,5 až 5 V špičkový-k{8}}špičkový rozdiel, meraný na svorkách ovládača pomocou 54-Ω rezistorov medzi A a B. PROFIBUS-DP špecifikuje V_(OD) ako 4 až 7 V vrchol-{16}} rozdiel, meraný na vzdialenom konci kábla so zakončeniami na oboch koncoch.
Bežnou mylnou predstavou je, že ak ovládač RS485 produkuje viac ako 2,1 V na záťaži 54-Ω, bude spĺňať požiadavky PROFIBUS-DP pri použití so sieťou ukončenou PROFIBUS-DP. Nie vždy to však platí. Sila ovládača RS485 môže byť nadmerná a prekračuje limit 7-V peak-to{13}}peak PROFIBUS-DP. Všimnite si, že všetky bežné "PROFIBUS" kompatibilné RS485 transceivery špecifikujú len minimum V_(OD) (tj 2,1 V) bez maxima. Najlepšou metódou na zabezpečenie súladu PROFIBUS-DP V_(OD) je testovanie transceivera pomocou záťaže PROFIBUS.
Obrázok 2 ilustruje, ako testovať LTC2877 odolný transceiver PROFIBUS RS485 pomocou záťaže PROFIBUS-DP a niektorých sériových rezistorov na simuláciu straty kábla, kde sa V_(OD) (modrá krivka) meria od „konca kábla“ (A' a B'), aby sa zabezpečila skutočná zhoda so špecifickou špecifikáciou PROFIBUS{5}}. LTC2877 je tiež plne testovaný so záťažou RS485, aby sa zabezpečila zhoda VOD s oboma normami.
Obrázok 2: Testovanie rozdielového výstupného napätia LTC2877 (VOD) pomocou záťaže PROFIBUS-DP.
Ochrana PROFIBUS-DP
Norma TIA/EIA-485-A poskytuje minimálne požiadavky na ochranu proti hluku, poruchám, ESD, prechodovým javom (rýchle elektrické prechody) alebo prepätiu. V dôsledku toho musia výrobcovia a dizajnéri transceiverov implementovať elektrickú ochranu nezávisle. Zatiaľ čo požiadavky na ochranu sa líšia v závislosti od aplikácie, niektoré transceivery – vrátane LTC2877 znázorneného na obrázku 3 – poskytujú ochranu na vysokej úrovni, ktorá spĺňa všetky požiadavky trhu.
Norma TIE/EIA-485-A špecifikuje, že odsadenie uzemnenia medzi dvoma zariadeniami v sieti sa môže pohybovať od –7 do +12 V. Mnohé inštalácie PROFIBUS-DP však môžu naraziť na výrazne vyššie napätie, čo môže spôsobiť vážne poškodenie vysielačov/prijímačov PROFIBUS{15}DP. PROFIBUS sa bežne používa v 24V systémoch, kde skratovanie „štandardného“ RS485 zariadenia na 24V môže byť fatálne. Dizajnéri by mali vyžadovať prijímač s rozšíreným rozsahom bežného{17}}režimu od –25 do +25 V. Výmena typických vysielačov a prijímačov PROFIBUS{20}}DP za ±60 V-chránený LTC2877 eliminuje zlyhania poľa v dôsledku prepätia bez potreby nákladnej externej ochrany. Keďže vysielače a prijímače PROFIBUS-DP sú skutočne prvou obrannou líniou systému, musia sa chrániť pred rôznymi úrovňami prepätia ESD. Niektoré PROFIBUS transceivery ponúkajú 15kV ESD ochranu na svojich zbernicových kolíkoch, keď sú vypnuté; iné produkty, ako napríklad LTC2877, poskytujú ±26kV HBM ESD ochranu voči zemi alebo buď napájaciemu zdroju bez blokovania alebo poškodenia, či už sú bez napájania alebo pod napätím, a v akomkoľvek prevádzkovom režime. Okrem toho sú kolíky zbernice chránené proti prepätiu ±52 kV zem-zem, keď nie sú napájané.
Ďalšou formou elektrického nadmerného napätia je EFT, definované normou IEC 61000-4-4 EFT ako vysokonapäťové impulzy s trvaním 60 mikrosekúnd. Tento typ nadmerného napätia je zvyčajne spôsobený oblúkovými kontaktmi v spínačoch a relé, ktoré sú bežné v priemyselných prostrediach, kde elektromechanické spínače pripájajú a odpájajú indukčné záťaže. Mali by zabezpečiť, aby vybraný transceiver spĺňal najvyššiu úroveň IEC 61000-4-4, úroveň 4, ekvivalentnú 2 kV napätiu naprázdno na kolíkoch zbernice.
Snáď najvážnejšou formou elektrického preťaženia je prepätie spôsobené prírodou vo forme blesku. Preto nie je prekvapujúce, že miniatúrne integrované obvody transceiveru, ako je LTC2877, nemajú prirodzenú ochranu proti prepätiu tohto rozsahu. Namiesto toho sa v systémoch PROFIBUS-DP, kde sú komponenty akýmkoľvek spôsobom vystavené, zvyčajne používajú komponenty externej prepäťovej ochrany, vrátane MOV, TVS diód, TSPD (tyristorové prepäťové ochranné zariadenia) a GDT (plynové výbojky). LTC2877 nedokáže odolať samotným úderom blesku, ale vďaka vysokému kolíku ±60 V je ľahké nájsť externé ochranné komponenty schopné poskytnúť túto úroveň ochrany.