Το πρότυπο διαύλου πεδίου PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) υπάρχει για πάνω από δύο δεκαετίες, ωστόσο οι απαιτήσεις του φυσικού επιπέδου παραμένουν ασαφείς, οδηγώντας συχνά σε σύγχυση στους ορισμούς του πομποδέκτη. Ωστόσο, οποιαδήποτε ασάφεια σαφώς δεν εμπόδισε το PROFIBUS να γίνει μια εξαιρετικά επιτυχημένη λύση fieldbus, με πάνω από 50 εκατομμύρια συσκευές εγκατεστημένες παγκοσμίως. Καθώς αναπτύσσονται νέα συστήματα, είναι σημαντικό για τους μηχανικούς σχεδιασμού να γνωρίζουν ότι οι πομποδέκτες που χρησιμοποιούν είναι σχεδιασμένοι για την πιο πρόσφατη και ακριβέστερη ερμηνεία του προτύπου PROFIBUS-DP.
Βασικές αρχές PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals).
Το ταχύτερο, απλούστερο πρότυπο PROFIBUS-DP προέκυψε το 1993 από το πιο αργό, πιο σύνθετο μητρικό πρότυπο, PROFIBUS FMS (Προδιαγραφές μηνυμάτων Fieldbus). Το PROFIBUS-DP διαθέτει επίσης ένα νεότερο, λιγότερο δημοφιλές ομότιμο ή παράγωγο πρότυπο, το PROFIBUS-PA (Αυτοματισμός διεργασιών), το οποίο χρησιμοποιεί μετάδοση τροφοδοσίας Manchester Bus Power (MBP) και τροφοδοτείται μέσω του διαύλου, καθιστώντας το ιδανικό για εγγενώς ασφαλείς εφαρμογές σε επικίνδυνα περιβάλλοντα. Ωστόσο, το PROFIBUS-DP παραμένει η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη έκδοση PROFIBUS σήμερα λόγω των χαρακτηριστικών plug-και-παιχνιδιών, της ευελιξίας και της αποτελεσματικότητας-κόστους. Από τη διαχείριση αισθητήρων και ενεργοποιητών σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις έως την επικοινωνία με μετρητές ροής σε ναυπηγεία σιδηροδρόμων και διάφορες ρομποτικές εφαρμογές, το PROFIBUS{11}}DP αποκεντρώνει τις κάρτες εισόδου/εξόδου (κύρια) από ελεγκτές σε τοποθεσίες πιο κοντά σε αισθητήρες και ενεργοποιητές (σκλάβους).
Το PROFIBUS-Το DP μπορεί να επικοινωνεί μέσω πολλαπλών μέσων, όπως χάλκινο σύρμα, οπτικές ίνες, ακόμη και αέρα σε τηλεπικοινωνίες υπερύθρων. Μέχρι σήμερα, το πιο κοινό μέσο μετάδοσης bit (Επίπεδο 1 του μοντέλου ISO/OSI) για κύριους και υποτελείς PROFIBUS-DP είναι ένα καλώδιο στριμμένης-ζεύξης χρησιμοποιώντας πομποδέκτες RS485. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, δεδομένης της διαφορικής σηματοδότησης υψηλής ταχύτητας του RS485 και της ισχυρής επικοινωνίας σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ πολλών συσκευών σε θορυβώδη περιβάλλοντα. Πολλαπλοί κύριοι, όπως τα PLC (Programmable Logic Controllers), μπορούν να συνδέσουν έως και 30 slaves ανά τμήμα σε μια γραμμική τοπολογία. Η χρήση διανομέων (παράλληλα τμήματα) ή επαναλήπτες (σειριακά τμήματα) μπορεί να επεκτείνει το δίκτυο σε 124 slaves. Τα τμήματα πρέπει να τερματίζονται και στα δύο άκρα χρησιμοποιώντας ενεργό τερματισμό. Όλοι οι σκλάβοι μπορούν να-ενωθούν στο λεωφορείο,
95% RS485, 5% σύγχυση
Το PROFIBUS-DP υιοθετεί το μεγαλύτερο μέρος του προτύπου TIA/EIA-485-A RS485, αλλά ενσωματώνει τροποποιήσεις που ενδέχεται να παραβλεφθούν ακούσια λόγω μεγαλύτερων προβλημάτων του συστήματος. Επομένως, σε αντίθεση με την κοινή πεποίθηση, δεν είναι όλοι οι πομποδέκτες και τα καλώδια RS485 κατάλληλα για δίκτυα PROFIBUS-DP. Υπάρχουν διαφορές στην καλωδίωση, τον τερματισμό, την ονομασία σήματος και τις απαιτήσεις του προγράμματος οδήγησης. Εάν τα παραβλέψετε πολύ γρήγορα, μπορεί εύκολα να διακυβευτεί η απόδοση (ή χειρότερα, η πιστοποίηση) των κυρίων ή εξαρτημένων συσκευών σας.
Ενώ το πρότυπο RS485 δεν καθορίζει απαιτήσεις καλωδίωσης, το καλώδιο θωρακισμένου συνεστραμμένου ζεύγους 120{3}}Ω (STP) έχει γίνει η συμβατική σύσταση. Ωστόσο, η PROFIBUS-DP συνιστά καλώδιο STP 150-Ω. Δυστυχώς, τα 120 Ω δεν μπορούν να προσεγγιστούν με 150 Ω, και αυτή η μικρή διαφορά στην σύνθετη αντίσταση του καλωδίου στην πραγματικότητα απαιτεί τη χρήση διαφορετικών καλωδίων. Το PROFIBUS-DP καθορίζει επίσης τα μέγιστα μήκη καλωδίων, τα οποία εξαρτώνται από το ποιο από τα 10 "βήματα" ρυθμού baud χρησιμοποιείται, που κυμαίνονται από 1.200 m στα 9,6 kbits/s έως 100 m στα 12 Mbits/s.
Φυσικά, διαφορετικές απαιτήσεις σύνθετης αντίστασης καλωδίου οδηγούν σε διαφορετικές απαιτήσεις τερματισμού. Για να ελαχιστοποιηθούν οι αντανακλάσεις του σήματος, οι εγκαταστάσεις RS485 χρησιμοποιούν συνήθως μια αντίσταση τερματισμού 120{3}}Ω σε κάθε άκρο του διαύλου, ενώ το PROFIBUS-DP συνιστά ένα δίκτυο τερματισμού 171-Ω σε κάθε άκρο. Περιμένετε, είναι τυπογραφικό λάθος; Το PROFIBUS-DP συνιστά 171 Ω, επομένως αυτό δεν ταιριάζει με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση των 150 Ω του προτεινόμενου καλωδίου; Απολύτως. Το Σχήμα 1 απεικονίζει τις διαφορές μεταξύ του δικτύου καλωδίου και τερματισμού που χρησιμοποιείται για το PROFIBUS-DP έναντι του RS485. Μπορείτε να δείτε δύο αντιστάσεις πόλωσης διαύλου 390-Ω που χρησιμοποιούνται με αντιστάσεις τερματισμού 220-Ω. η διαφορική αντίσταση είναι 171 Ω. Αυτό σαφώς δεν ταιριάζει απόλυτα με το καλώδιο 150 Ω, με αποτέλεσμα ελαφρώς ανεπαρκή απόσβεση του δικτύου. Αλλά μην ανησυχείτε, γιατί αυτό υποδηλώνει μόνο ένα μικρό χτύπημα ή αύξηση της τάσης σήματος στο άκρο λήψης του καλωδίου, που διαρκεί δύο φορές την καθυστέρηση διάδοσης του καλωδίου.
Εικόνα 1: Διαφορές στα καλώδια, τους τερματισμούς και τις εκχωρήσεις ακίδων μεταξύ δικτύων RS485 και PROFIBUS-DP.
Εάν οι αναντιστοιχίες καλωδίου/τερματισμού δεν ήταν αρκετές, η ονομασία των ακροδεκτών διαύλου στους πομποδέκτες PROFIBUS θα πρέπει να μπερδέψει περαιτέρω τις προσδοκίες σας. Ίσως έχετε παρατηρήσει τα ονόματα των ανεστραμμένων ακίδων που χρησιμοποιούνται στο Σχήμα 1. Στους περισσότερους γενικούς πομποδέκτες RS485, η ακίδα A είναι η είσοδος του δέκτη κοινής-λειτουργίας (και η έξοδος προγράμματος οδήγησης κοινής{{4}λειτουργίας), ενώ η ακίδα B είναι η έξοδος δέκτη και η είσοδος προγράμματος οδήγησης διαφορικής-λειτουργίας. Ωστόσο, το πρότυπο PROFIBUS περιγράφει την πολικότητα του διαύλου με τέτοιο τρόπο ώστε οι ακίδες Β και Α να αντιστρέφονται. Γιατί η ασυνέπεια; Το αρχικό πρότυπο TIA/EIA-485-A δεν όριζε ρητά την πολικότητα του διαύλου σε σχέση με τη λειτουργία του λογικού σήματος, έτσι οι σχεδιαστές IC του RS485 σχεδόν πάντα ερμήνευαν την προδιαγραφή με έναν τρόπο, ενώ άλλοι την ερμήνευσαν με άλλον τρόπο. Τι σημαίνει αυτό για εσάς; Ειδικά αν διαθέτετε έργα RS485 και PROFIBUS-DP, πρέπει να δίνετε μεγάλη προσοχή κατά την αντιστοίχιση των ακροδεκτών διαύλου πομποδέκτη σε υποδοχές.
Δεδομένου του αριθμού των υπαρχόντων πομποδεκτών με απροσδιόριστες προδιαγραφές, η διαφορική τάση εξόδου του προγράμματος οδήγησης (V_(OD)) είναι πιθανώς η πιο παρεξηγημένη ή παραβλεφθείσα προδιαγραφή στο φυσικό επίπεδο PROFIBUS-DP. Το RS485 καθορίζει το V_(OD) μεταξύ των γραμμών Α και Β ως διαφορικό αιχμής 1,5 έως 5 V-έως-αιχμής, που μετράται στους ακροδέκτες του οδηγού χρησιμοποιώντας αντιστάσεις 54-Ω μεταξύ Α και Β. PROFIBUS-Το DP καθορίζει το V_(5-{11}από το μέγιστο έως το{6}4) διαφορικό, μετρημένο στο μακρινό άκρο του καλωδίου με τερματιστές και στα δύο άκρα.
Μια κοινή παρανόηση είναι ότι εάν ένα πρόγραμμα οδήγησης RS485 παράγει πάνω από 2,1 V σε φορτίο 54-Ω, θα πληροί τις απαιτήσεις PROFIBUS-DP όταν χρησιμοποιείται με ένα δίκτυο τερματισμένου PROFIBUS-DP. Ωστόσο, αυτό δεν είναι πάντα αλήθεια. Η ισχύς του προγράμματος οδήγησης RS485 μπορεί να είναι υπερβολική και να υπερβαίνει το όριο των 7{10}}V αιχμής-έως{13}}αιχμής PROFIBUS-DP. Σημειώστε ότι όλοι οι κοινοί πομποδέκτες RS485 συμβατοί με "PROFIBUS" καθορίζουν μόνο ένα ελάχιστο V_(OD) (δηλ. 2,1 V) χωρίς μέγιστο. Η καλύτερη μέθοδος για να διασφαλιστεί η συμμόρφωση PROFIBUS-DP V_(OD) είναι να ελέγξετε τον πομποδέκτη χρησιμοποιώντας φορτίο PROFIBUS.
Το σχήμα 2 δείχνει τον τρόπο δοκιμής του ανθεκτικού πομποδέκτη PROFIBUS RS485 LTC2877 χρησιμοποιώντας ένα φορτίο PROFIBUS-DP και ορισμένες αντιστάσεις σειράς για προσομοίωση απώλειας καλωδίου, όπου το V_(OD) (μπλε καμπύλη) μετράται από το "άκρο του καλωδίου" (A' και B') για να εξασφαλιστεί η τιμή PROFIBliance{5}. Το LTC2877 είναι επίσης πλήρως ελεγμένο με φορτία RS485 για να διασφαλιστεί η συμμόρφωση με το VOD και με τα δύο πρότυπα.
Εικόνα 2: Δοκιμή της διαφορικής τάσης εξόδου (VOD) LTC2877 χρησιμοποιώντας φορτίο PROFIBUS-DP.
Προστασία του PROFIBUS-DP
Το TIA/EIA-485-Ένα πρότυπο παρέχει ελάχιστες απαιτήσεις για προστασία από θόρυβο, σφάλματα, ESD, μεταβατικά (ηλεκτρικά γρήγορα μεταβατικά) ή υπερτάσεις. Κατά συνέπεια, οι κατασκευαστές και οι σχεδιαστές πομποδέκτη πρέπει να εφαρμόζουν ανεξάρτητα την ηλεκτρική προστασία. Ενώ οι απαιτήσεις προστασίας διαφέρουν ανάλογα με την εφαρμογή, ορισμένοι πομποδέκτες, συμπεριλαμβανομένου του LTC2877 που φαίνεται στην Εικόνα 3, παρέχουν προστασία υψηλού επιπέδου που ικανοποιεί όλες τις απαιτήσεις της αγοράς.
Το TIE/EIA-485-Ένα πρότυπο καθορίζει ότι η μετατόπιση γείωσης μεταξύ δύο συσκευών στο δίκτυο μπορεί να κυμαίνεται από -7 έως +12 V. Ωστόσο, πολλές εγκαταστάσεις PROFIBUS-DP ενδέχεται να αντιμετωπίσουν τάσεις σημαντικά υψηλότερες από αυτήν, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημιά στους μετατροπείς PROFIBUS{15}} Το PROFIBUS χρησιμοποιείται συνήθως σε συστήματα 24V, όπου το βραχυκύκλωμα μιας «τυποποιημένης» συσκευής RS485 στα 24V μπορεί να είναι θανατηφόρο. Οι σχεδιαστές θα πρέπει να απαιτούν έναν δέκτη με εκτεταμένο εύρος κοινών{17}}λειτουργιών από -25 έως +25 V. Η αντικατάσταση των τυπικών πομποδεκτών PROFIBUS-DP με το ±60V-προστατευμένο LTC2877 εξαλείφει τις αστοχίες πεδίου λόγω σφαλμάτων υπέρτασης χωρίς να απαιτείται δαπανηρή εξωτερική προστασία. Εφόσον οι πομποδέκτες PROFIBUS-DP είναι ουσιαστικά η πρώτη γραμμή άμυνας του συστήματος, πρέπει να προστατεύονται από διάφορα επίπεδα υπερτάσεων ESD. Ορισμένοι πομποδέκτες PROFIBUS προσφέρουν προστασία ESD 15 kV στις ακίδες διαύλου τους όταν απενεργοποιούνται. άλλα προϊόντα, όπως το LTC2877, παρέχουν προστασία ±26kV HBM ESD σε σχέση με τη γείωση ή το τροφοδοτικό χωρίς κλείδωμα ή ζημιά, είτε είναι απενεργοποιημένο είτε ενεργοποιημένο, και σε οποιονδήποτε τρόπο λειτουργίας. Επιπλέον, οι ακροδέκτες διαύλου προστατεύονται από υπερτάσεις ±52 kV από έδαφος σε έδαφος όταν δεν τροφοδοτούνται.
Μια άλλη μορφή ηλεκτρικής υπερέντασης είναι το EFT, που ορίζεται από το πρότυπο IEC 61000-4-4 EFT ως παλμοί ακίδας υψηλής τάσης διάρκειας 60 μικροδευτερόλεπτων. Αυτός ο τύπος υπερέντασης προκαλείται συνήθως από επαφές τόξου σε διακόπτες και ρελέ, συνηθισμένο σε βιομηχανικά περιβάλλοντα όπου οι ηλεκτρομηχανικοί διακόπτες συνδέουν και αποσυνδέουν επαγωγικά φορτία. Θα πρέπει να διασφαλίζουν ότι ο επιλεγμένος πομποδέκτης πληροί το υψηλότερο επίπεδο του IEC 61000-4-4, Επίπεδο 4, ισοδύναμο με τάση ανοιχτού κυκλώματος 2 kV στους ακροδέκτες του διαύλου.
Ίσως η πιο σοβαρή μορφή ηλεκτρικής υπερφόρτωσης είναι το κύμα που παρέχεται από τη φύση με τη μορφή κεραυνού. Επομένως, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τα IC μικροσκοπικών πομποδέκτη όπως το LTC2877 δεν διαθέτουν εγγενή προστασία από υπερτάσεις αυτού του μεγέθους. Αντίθετα, τα εξωτερικά εξαρτήματα προστασίας από υπερτάσεις, συμπεριλαμβανομένων των MOV, των διόδων TVS, των TSPD (Thyristor Surge Protective Devices) και των GDT (Gas Discharge Tubes), χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα PROFIBUS-DP όπου τα εξαρτήματα εκτίθενται με οποιονδήποτε τρόπο. Το LTC2877 δεν μπορεί να αντέξει μόνο του κεραυνούς, αλλά η υψηλή του ονομαστική ακίδα ±60V διευκολύνει την εύρεση εξωτερικών εξαρτημάτων προστασίας ικανά να παρέχουν αυτό το επίπεδο προστασίας.