Fältbussstandarden PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) har funnits i över två decennier, men kraven på det fysiska lagret är fortfarande oklara, vilket ofta leder till förvirring i transceiverdefinitioner. Någon tvetydighet har dock uppenbarligen inte hindrat PROFIBUS från att bli en mycket framgångsrik fältbusslösning, med över 50 miljoner enheter installerade över hela världen. När nya system distribueras är det avgörande för konstruktionsingenjörer att veta att de transceivrar de använder är designade för den senaste och mest exakta tolkningen av PROFIBUS-DP-standarden.
PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) Fundamentals
Den snabbare, enklare PROFIBUS-DP-standarden uppstod 1993 från sin långsammare, mer komplexa överordnade standard, PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). PROFIBUS-DP har också en yngre, mindre populär peer- eller derivatstandard, PROFIBUS-PA (Process Automation), som använder Manchester Bus Power (MBP)-överföring och drivs över bussen, vilket gör den idealisk för egensäkra tillämpningar i farliga miljöer. PROFIBUS-DP är dock fortfarande den mest använda PROFIBUS-versionen idag på grund av dess plug-and-play-egenskaper, flexibilitet och kostnads-effektivitet. Från att hantera sensorer och ställdon i industrianläggningar till att kommunicera med flödesmätare på bangårdar och olika robotapplikationer, PROFIBUS-DP decentraliserar I/O-kort (masters) från styrenheter till platser närmare sensorer och ställdon (slavar).
PROFIBUS-DP kan kommunicera över flera medier, inklusive koppartråd, fiberoptik och till och med luft i infraröda kommunikatörer. Hittills är det vanligaste bitöverföringsmediet (Layer 1 av ISO/OSI-modellen) för PROFIBUS-DP-master och slavar tvinnad-parkabel med RS485-sändtagare. Detta är föga förvånande med tanke på RS485:s höga-differentiella signalering och robusta kommunikation över långa avstånd mellan flera enheter i bullriga miljöer. Flera masters, såsom PLC:er (Programmable Logic Controllers), kan ansluta upp till 30 slavar per segment i en linjär topologi. Genom att använda hubbar (parallella segment) eller repeaters (seriella segment) kan nätverket utökas till 124 slavar. Segment måste avslutas i båda ändar med aktiv avslutning. Alla slavar kan vara heta-anslutna till bussen,
95 % RS485, 5 % förvirring
PROFIBUS-DP använder det mesta av TIA/EIA-485-A RS485-standarden men innehåller ändringar som av misstag kan förbises på grund av större systemproblem. Därför, i motsats till vad man tror, är inte alla RS485-transceivrar och kablar lämpliga för PROFIBUS-DP-nätverk. Det finns skillnader i ledningar, terminering, signalnamn och krav på drivrutiner; Att förbise dessa för snabbt kan lätt äventyra prestandan (eller ännu värre, certifieringen) för dina master- eller slavenheter.
Även om RS485-standarden inte specificerar ledningskrav, har 120-Ω skärmad tvinnat par (STP) kabel blivit den konventionella rekommendationen. PROFIBUS-DP rekommenderar dock en 150-Ω STP-kabel. Tyvärr kan 120 Ω inte uppskattas till 150 Ω, och denna lilla skillnad i kabelimpedans gör det faktiskt nödvändigt att använda olika kablar. PROFIBUS-DP anger också maximala kabellängder, som beror på vilket av de 10 baudhastighets-"stegen" som används, från 1 200 m vid 9,6 kbit/s till 100 m vid 12 Mbit/s.
Naturligtvis leder olika kabelimpedanskrav till olika termineringskrav. För att minimera signalreflektioner använder RS485-installationer vanligtvis ett enda 120-Ω termineringsmotstånd i varje ände av bussen, medan PROFIBUS-DP rekommenderar ett 171-Ω terminerande nätverk i varje ände. Vänta, är det ett stavfel? PROFIBUS-DP rekommenderar 171 Ω, så överensstämmer inte det med den karakteristiska impedansen på 150 Ω för den rekommenderade kabeln? Absolut. Figur 1 visar skillnaderna mellan kabel- och termineringsnätverket som används för PROFIBUS-DP kontra RS485. Du kan se två 390-Ω bussförspänningsmotstånd som används med 220-Ω termineringsmotstånd; differentialresistansen är 171 Ω. Detta är helt klart inte en perfekt matchning för 150-Ω-kabel, vilket resulterar i något otillräcklig nätverksdämpning. Men oroa dig inte, eftersom detta bara indikerar en liten bula eller ökning av signalspänningen vid kabelmottagande änden, som varar dubbelt så lång tid som kabelns utbredningsfördröjning.
Figur 1: Skillnader i kablar, termineringar och stifttilldelningar mellan RS485- och PROFIBUS-DP-nätverk.
Om det inte räckte med oöverensstämmelse mellan kabel/terminering, bör namngivningen av bussstiften på PROFIBUS-sändtagare ytterligare förvirra dina förväntningar. Du kanske har märkt de omvända stiftnamnen som används i figur 1. I de flesta generiska RS485-sändtagare är stift A den gemensamma-modemottagaringången (och common-modedrivrutinutgången), medan pinn B är den differentiella-modtagarutgången och drivrutiningången. Däremot beskriver PROFIBUS-standarden busspolaritet på ett sådant sätt att stift B och A vänds om. Varför inkonsekvensen? Den ursprungliga TIA/EIA-485-A-standarden definierade inte explicit busspolaritet i förhållande till logisk signalfunktion, så RS485 IC-designers tolkade nästan undantagslöst specifikationen på ett sätt, medan andra tolkade den på ett annat sätt. Vad betyder detta för dig? Speciellt om du har både RS485- och PROFIBUS-DP-projekt måste du vara noggrann uppmärksam när du mappar transceiverbussstift till kontakter.
Med tanke på antalet befintliga transceivrar med odefinierade specifikationer, är den differentiella drivenhetens utspänning (V_(OD)) troligen den mest missförstådda eller förbisedda specifikationen i PROFIBUS-DP fysiska lagret. RS485 specificerar V_(OD) mellan linje A och B som 1,5 till 5 V topp-till-toppskillnad, mätt vid drivterminalerna med 54-Ω motstånd mellan A och B. PROFIBUS-DP anger V_(OD) som topp}{-{76 V} differential, mätt längst ut på kabeln med terminatorer i båda ändar.
En vanlig missuppfattning är att om en RS485-drivrutin producerar över 2,1 V på en belastning på 54-Ω, kommer den att uppfylla PROFIBUS-DP-kraven när den används med ett PROFIBUS-DP-terminerat nätverk. Detta är dock inte alltid sant. RS485-drivrutinens styrka kan vara överdriven och överstiga 7-V topp-till-topp PROFIBUS-DP-gränsen. Observera att alla vanliga "PROFIBUS"-kompatibla RS485-transceivrar endast anger ett minimum V_(OD) (dvs. 2,1 V) utan ett maximum. Den bästa metoden för att säkerställa överensstämmelse med PROFIBUS-DP V_(OD) är att testa transceivern med en PROFIBUS-belastning.
Figur 2 illustrerar hur man testar den robusta PROFIBUS RS485-sändtagaren LTC2877 med en PROFIBUS-DP-last och några seriemotstånd för att simulera kabelförlust, där V_(OD) (blå kurva) mäts från "kabeländen" (A' och B') för att säkerställa sann specifik överensstämmelse med PROFIBUS{.{5}}DPUS{. LTC2877 är också helt testad med RS485-belastningar för att säkerställa VOD-överensstämmelse med båda standarderna.
Figur 2: Testa LTC2877 differential output voltage (VOD) med en PROFIBUS-DP-last.
Skyddar PROFIBUS-DP
TIA/EIA-485-A-standarden ger minimala krav på skydd mot brus, fel, ESD, transienter (elektriska snabba transienter) eller överspänningar. Följaktligen måste transceivertillverkare och designers implementera elektriskt skydd oberoende. Även om skyddskraven varierar beroende på applikation, levererar vissa transceivrar, inklusive LTC2877 som visas i figur 3, högnivåskydd som uppfyller alla marknadens krav.
TIE/EIA-485-A-standarden anger att markförskjutningen mellan två enheter i nätverket kan variera från –7 till +12 V. Däremot kan många PROFIBUS-DP-installationer stöta på spänningar som är betydligt högre än detta, vilket kan orsaka allvarliga skador på PROFIBUS-sändare{15}} PROFIBUS används ofta i 24V-system, där kortslutning av en "standard" RS485-enhet till 24V kan vara dödlig. Designers bör kräva en mottagare med ett utökat gemensamt-lägesområde på –25 till +25 V. Att ersätta typiska PROFIBUS-DP-sändtagare med den ±60V-skyddade LTC2877 eliminerar fältfel på grund av överspänningsfel utan att kräva kostsamt externt skydd. Eftersom PROFIBUS-DP-sändtagare i praktiken är systemets första försvarslinje måste de skydda sig mot olika nivåer av ESD-överspänningar. Vissa PROFIBUS-sändare/mottagare erbjuder 15 kV ESD-skydd på sina bussstift när de- är avstängda; andra produkter, t.ex. LTC2877, ger ±26kV HBM ESD-skydd i förhållande till jord eller strömförsörjning utan låsning eller skada, vare sig{30}}är strömlös eller strömsatt, och i valfritt driftsläge. Dessutom är bussstiften skyddade mot ±52kV jord-till-jord överspänningar när de inte är strömlösa.
En annan form av elektrisk överspänning är EFT, definierad av IEC 61000-4-4 EFT-standarden som högspänningsspetspulser som varar i 60 mikrosekunder. Denna typ av överspänning orsakas vanligtvis av ljusbågskontakter i omkopplare och reläer, vanliga i industriella miljöer där elektromekaniska omkopplare ansluter och kopplar bort induktiva belastningar. De bör säkerställa att den valda transceivern uppfyller den högsta nivån av IEC 61000-4-4, nivå 4, motsvarande 2 kV öppen kretsspänning på bussstiften.
Den kanske allvarligaste formen av elektrisk överbelastning är den överspänning som naturen levererar i form av blixtnedslag. Därför är det inte förvånande att miniatyrtransceiver-ICs som LTC2877 saknar inneboende skydd mot överspänningar av denna storlek. Istället används externa överspänningsskyddskomponenter, inklusive MOV, TVS-dioder, TSPD (Tyristor Surge Protective Devices) och GDT (Gas Discharge Tubes), i PROFIBUS-DP-system där komponenter exponeras på något sätt. LTC2877 klarar inte enbart blixtnedslag, men dess höga ±60V stiftvärde gör det enkelt att hitta externa skyddskomponenter som kan ge denna skyddsnivå.