PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) fieldbus standard postoji više od dvije decenije, ali njegovi zahtjevi fizičkog sloja ostaju nejasni, što često dovodi do zabune u definicijama primopredajnika. Međutim, bilo kakva nejasnoća očigledno nije spriječila PROFIBUS da postane vrlo uspješno rješenje sabirnice polja, s preko 50 miliona uređaja instaliranih širom svijeta. Kako se postavljaju novi sistemi, od ključne je važnosti da projektantski inženjeri znaju da su primopredajnici koje koriste dizajnirani za najnoviju i najprecizniju interpretaciju PROFIBUS{4}}DP standarda.
PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) Osnove
Brži, jednostavniji PROFIBUS-DP standard je nastao 1993. godine iz njegovog sporijeg, složenijeg roditeljskog standarda, PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). PROFIBUS-DP također ima mlađi, manje popularan istovrsni ili derivatni standard, PROFIBUS-PA (Process Automation), koji koristi prijenos snage Manchester Bus Power (MBP) i napaja se preko magistrale, što ga čini idealnim za intrinzično sigurne aplikacije u opasnim okruženjima. Međutim, PROFIBUS-DP ostaje najraširenija verzija PROFIBUS-a danas zbog svojih plug{7}}and- karakteristika, fleksibilnosti i -efikasnosti. Od upravljanja senzorima i aktuatorima u industrijskim postrojenjima do komunikacije s mjeračima protoka u željezničkim kolodvorima i raznim robotskim aplikacijama, PROFIBUS-DP decentralizira I/O kartice (mastere) od kontrolera do lokacija bliže senzorima i aktuatorima (slave).
PROFIBUS-DP može komunicirati preko više medija, uključujući bakarne žice, optička vlakna, pa čak i zrak u infracrvenim komunikatorima. Do danas, najčešći bitni medij za prijenos (Sloj 1 ISO/OSI modela) za PROFIBUS-DP master i slave je kabel upredene{4}}parice koji koristi RS485 primopredajnike. Ovo nije iznenađujuće s obzirom na RS485-brzinu diferencijalnu signalizaciju i robusnu komunikaciju na velikim udaljenostima između više uređaja u bučnim okruženjima. Više mastera, kao što su PLC (programabilni logički kontroleri), mogu povezati do 30 slave-ova po segmentu u linearnoj topologiji. Korištenje čvorišta (paralelni segmenti) ili repetitora (serijski segmenti) može proširiti mrežu na 124 slave. Segmenti se moraju završiti na oba kraja korištenjem aktivnog završetka. Svi robovi se mogu vruće-priključiti u autobus,
95% RS485, 5% konfuzija
PROFIBUS-DP usvaja većinu TIA/EIA-485-A RS485 standarda, ali uključuje modifikacije koje se mogu nehotice previdjeti zbog većih problema sa sistemom. Stoga, suprotno uobičajenom mišljenju, nisu svi RS485 primopredajnici i kablovi prikladni za PROFIBUS-DP mreže. Postoje razlike u ožičenju, završetku, imenovanju signala i zahtjevima drajvera; ako ih prebrzo previdite, može lako ugroziti performanse (ili još gore, certifikaciju) vaših glavnih ili slave uređaja.
Iako standard RS485 ne specificira zahtjeve za ožičenje, 120-Ω oklopljeni upredeni par (STP) kabl je postao konvencionalna preporuka. Međutim, PROFIBUS-DP preporučuje 150-Ω STP kabl. Nažalost, 120 Ω se ne može približiti 150 Ω, a ova mala razlika u impedansi kabela zapravo zahtijeva upotrebu različitih kablova. PROFIBUS-DP takođe specificira maksimalne dužine kablova, koje zavise od toga koji se od 10 „koraka“ brzine prenosa koristi, u rasponu od 1200 m pri 9,6 kbit/s do 100 m pri 12 Mbit/s.
Naravno, različiti zahtjevi za impedancijom kabela dovode do različitih zahtjeva za završetak. Da bi se minimizirala refleksija signala, RS485 instalacije obično koriste jedan završni otpornik od 120-Ω na svakom kraju magistrale, dok PROFIBUS-DP preporučuje 171-Ω terminalnu mrežu na svakom kraju. Čekaj, je li to greška u kucanju? PROFIBUS-DP preporučuje 171 Ω, pa zar to ne odgovara karakterističnoj impedanciji od 150 Ω preporučenog kabla? Apsolutno. Slika 1 ilustruje razlike između kablovske i terminalne mreže koja se koristi za PROFIBUS-DP u odnosu na RS485. Možete vidjeti dva otpornika sabirnice od 390 Ω koji se koriste sa završnim otpornicima od 220 Ω; diferencijalni otpor je 171 Ω. Ovo očigledno nije savršeno podudaranje sa kablom od 150 Ω, što rezultira neznatno nedovoljnim prigušenjem mreže. Ali ne brinite, jer ovo ukazuje samo na mali udar ili povećanje napona signala na kraju prijema kabla, koji traje dvostruko od kašnjenja širenja kabla.
Slika 1: Razlike u kablovima, završecima i rasporedu pinova između RS485 i PROFIBUS-DP mreža.
Ako neusklađenost kablova/završetaka nije bila dovoljna, imenovanje pinova sabirnice na PROFIBUS primopredajnicima trebalo bi dodatno zbuniti vaša očekivanja. Možda ste primijetili obrnute nazive pinova koji se koriste na slici 1. U većini generičkih RS485 primopredajnika, pin A je ulaz prijemnika zajedničkog{3}}moda (i izlaz drajvera zajedničkog-moda), dok je pin B izlaz prijemnika diferencijalnog-moda i ulaz drajvera. Međutim, PROFIBUS standard opisuje polaritet sabirnice na način da su pinovi B i A obrnuti. Zašto nedosljednost? Originalni TIA/EIA-485-A standard nije eksplicitno definisao polaritet magistrale u odnosu na funkciju logičkog signala, tako da su RS485 IC dizajneri gotovo uvek tumačili specifikaciju na jedan način, dok su je drugi tumačili na drugi. Šta ovo znači za vas? Posebno ako imate i RS485 i PROFIBUS-DP projekte, morate obratiti veliku pažnju kada mapirate pinove sabirnice primopredajnika na konektore.
S obzirom na broj postojećih primopredajnika sa nedefiniranim specifikacijama, diferencijalni izlazni napon drajvera (V_(OD)) je vjerovatno najpogrešnije shvaćena ili zanemarena specifikacija u PROFIBUS-DP fizičkom sloju. RS485 specificira V_(OD) između linija A i B kao 1,5 do 5 V peak-do-diferencijal, mjereno na drajverskim terminalima pomoću 54-Ω otpornika između A i B. PROFIBUS-DP specificira V_(OD) kao 4 do 5 V ak-do-različitog kraja mjerenja} kabla sa terminatorima na oba završava.
Uobičajena zabluda je da ako RS485 drajver proizvodi preko 2,1 V na 54-Ω opterećenju, on će zadovoljiti PROFIBUS-DP zahtjeve kada se koristi sa PROFIBUS-DP terminiranom mrežom. Međutim, to nije uvijek tačno. Snaga RS485 drajvera može biti prevelika i premašiti 7-V peak-do-vrh PROFIBUS-DP ograničenje. Imajte na umu da svi uobičajeni "PROFIBUS"-kompatibilni RS485 primopredajnici specificiraju samo minimalni V_(OD) (tj. 2,1 V) bez maksimuma. Najbolji način da se osigura usklađenost PROFIBUS-DP V_(OD) je testiranje primopredajnika korištenjem PROFIBUS opterećenja.
Slika 2 ilustruje kako testirati LTC2877 robusni PROFIBUS RS485 primopredajnik pomoću PROFIBUS-DP opterećenja i nekih serijskih otpornika za simulaciju gubitka kabla, gdje se V_(OD) (plava kriva) mjeri od "kraja kabla" (A' i B') kako bi se osigurala prava usklađenost sa PROFIBDP-om{5}. LTC2877 je također u potpunosti testiran sa RS485 opterećenjem kako bi se osigurala VOD usklađenost sa oba standarda.
Slika 2: Testiranje diferencijalnog izlaznog napona LTC2877 (VOD) korištenjem PROFIBUS-DP opterećenja.
Zaštita PROFIBUS-DP-a
TIA/EIA-485-Standard pruža minimalne zahtjeve za zaštitu od buke, kvarova, ESD-a, prolaznih pojava (brzi električni prijelazni procesi) ili prenapona. Shodno tome, proizvođači i dizajneri primopredajnika moraju samostalno implementirati električnu zaštitu. Iako se zahtjevi zaštite razlikuju ovisno o primjeni, određeni primopredajnici – uključujući LTC2877 prikazan na slici 3 – pružaju zaštitu visokog nivoa koja zadovoljava sve zahtjeve tržišta.
TIE/EIA-485-Standard navodi da pomak uzemljenja između dva uređaja na mreži može biti u rasponu od –7 do +12 V. Međutim, mnoge PROFIBUS{{11}DP instalacije mogu naići na napone znatno veće od ovog, što može uzrokovati ozbiljna oštećenja PROFIBUS-DP primopredajnika. PROFIBUS se obično koristi u 24V sistemima, gdje kratki spoj "standardnog" RS485 uređaja na 24V može biti fatalan. Dizajneri bi trebali zahtijevati prijemnik sa proširenim rasponom zajedničkog-načina od –25 do +25 V. Zamjena tipičnih PROFIBUS-DP primopredajnika sa ±60V-zaštićenim LTC2877 eliminiše kvarove na polju zbog kvarova prenapona bez potrebe za skupom eksternom zaštitom. Pošto su PROFIBUS-DP primopredajnici efektivno prva linija odbrane sistema, oni se moraju zaštititi od različitih nivoa ESD prenapona. Neki PROFIBUS primopredajnici nude 15kV ESD zaštitu na svojim pinovima magistrale kada su bez napona; drugi proizvodi, kao što je LTC2877, pružaju ±26kV HBM ESD zaštitu u odnosu na uzemljenje ili bilo koje napajanje bez zaključavanja ili oštećenja, bez-bez struje ili pod naponom, iu bilo kojem načinu rada. Dodatno, pinovi sabirnice su zaštićeni od ±52kV prenapona zemlja-zemlja kada su bez napajanja.
Drugi oblik električnog prenaprezanja je EFT, definisan standardom IEC 61000-4-4 EFT kao visokonaponski šik impulsi u trajanju od 60 mikrosekundi. Ova vrsta prenaprezanja obično je uzrokovana lučnim kontaktima u prekidačima i relejima, uobičajenim u industrijskim okruženjima gdje elektromehanički prekidači povezuju i isključuju induktivna opterećenja. Oni treba da osiguraju da odabrani primopredajnik ispunjava najviši nivo IEC 61000-4-4, nivo 4, što je ekvivalentno naponu otvorenog kola od 2 kV na pinovima sabirnice.
Možda najteži oblik električnog preopterećenja je prenapon koji priroda isporučuje u obliku munje. Stoga nije iznenađujuće da minijaturni primopredajni IC-ovi poput LTC2877 nemaju inherentnu zaštitu od prenapona ove veličine. Umjesto toga, vanjske komponente za zaštitu od prenapona, uključujući MOV, TVS diode, TSPD (tiristorski zaštitni uređaji od prenapona) i GDT (cijevi za ispuštanje plina), obično se koriste u PROFIBUS-DP sistemima gdje su komponente izložene na bilo koji način. LTC2877 ne može sam da izdrži udare groma, ali njegov visok ±60V napon pinova olakšava pronalaženje vanjskih zaštitnih komponenti koje mogu pružiti ovaj nivo zaštite.