PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) lauka kopnes standarts pastāv jau vairāk nekā divas desmitgades, tomēr tā fiziskā slāņa prasības joprojām ir neskaidras, kas bieži rada neskaidrības uztvērēju definīcijās. Tomēr jebkādas neskaidrības nepārprotami nav traucējušas PROFIBUS kļūt par ļoti veiksmīgu lauka kopnes risinājumu, kurā visā pasaulē ir uzstādīti vairāk nekā 50 miljoni ierīču. Kad tiek ieviestas jaunas sistēmas, projektēšanas inženieriem ir ļoti svarīgi zināt, ka viņu izmantotie raiduztvērēji ir izstrādāti jaunākajai un precīzākajai PROFIBUS-DP standarta interpretācijai.
PROFIBUS{0}}DP (izplatītās perifērijas ierīces) pamati
Ātrāks un vienkāršāks PROFIBUS{0}}DP standarts tika izveidots 1993. gadā no tā lēnākā, sarežģītākā vecākstandarta PROFIBUS FMS (laukkopnes ziņojumu specifikācijas). PROFIBUS-DP ir arī jaunāks, mazāk populārs līdzvērtīgs vai atvasināts standarts PROFIBUS-PA (procesu automatizācija), kas izmanto Mančestras kopnes barošanas (MBP) pārraidi un tiek darbināts no kopnes, padarot to ideāli piemērotu iekšēji drošiem lietojumiem bīstamās vidēs. Tomēr PROFIBUS-DP joprojām ir visplašāk izmantotā PROFIBUS versija šodien, pateicoties tās pievienošanas-un-iespējam, elastībai un izmaksu-efektivitātei. Sākot ar sensoru un izpildmehānismu pārvaldību rūpnieciskajās iekārtās līdz saziņai ar plūsmas mērītājiem dzelzceļa stacijās un dažādām robotizētām lietojumprogrammām, PROFIBUS{11}}DP decentralizē ievades/izvades kartes (masterus) no kontrolleriem uz vietām, kas ir tuvāk sensoriem un izpildmehānismiem (pakalpojumiem).
PROFIBUS-DP var sazināties, izmantojot vairākus datu nesējus, tostarp vara vadu, optisko šķiedru un pat gaisu infrasarkanajos komunikatoros. Līdz šim visizplatītākā bitu pārraides vide (ISO/OSI modeļa 1. slānis) PROFIBUS-DP masteriem un palīgierīcēm ir vītā-pāra kabelis, izmantojot RS485 raiduztvērējus. Tas nav pārsteidzoši, ņemot vērā RS485 ātrdarbīgo-diferenciālo signalizāciju un spēcīgu saziņu lielos attālumos starp vairākām ierīcēm trokšņainā vidē. Vairāki saimnieki, piemēram, PLC (programmējamie loģiskie kontrolleri), var pieslēgt līdz 30 vergu katrā segmentā lineārā topoloģijā. Izmantojot centrmezglus (paralēlos segmentus) vai atkārtotājus (seriālos segmentus), tīklu var paplašināt līdz 124 vergiem. Segmenti ir jāpārtrauc abos galos, izmantojot aktīvo pārtraukšanu. Visi vergi var būt karsti{15}}pieslēgti autobusam,
95% RS485, 5% apjukums
PROFIBUS{0}}DP izmanto lielāko daļu TIA/EIA-485-A RS485 standarta, taču tajā ir iekļautas modifikācijas, kuras var nejauši neievērot lielāku sistēmas problēmu dēļ. Tāpēc, pretēji izplatītajam uzskatam, ne visi RS485 raiduztvērēji un kabeļi ir piemēroti PROFIBUS-DP tīkliem. Pastāv atšķirības elektroinstalācijas, izbeigšanas, signāla nosaukšanas un draiveru prasībās; pārāk ātri tos neievērojot, var viegli tikt apdraudēta jūsu galveno vai pakārtoto ierīču veiktspēja (vai vēl ļaunāk, sertifikācija).
Lai gan standarts RS485 nenosaka vadu prasības, 120-Ω ekranēts vītā pāra (STP) kabelis ir kļuvis par parastu ieteikumu. Tomēr PROFIBUS-DP iesaka 150 Ω STP kabeli. Diemžēl 120 Ω nevar tuvināt līdz 150 Ω, un šī nelielā kabeļa pretestības atšķirība faktiski liek izmantot dažādus kabeļus. PROFIBUS-DP nosaka arī maksimālos kabeļu garumus, kas ir atkarīgi no tā, kurš no 10 bodu ātruma "soļiem" tiek izmantots, sākot no 1200 m pie 9,6 kbit/s līdz 100 m pie 12 Mbit/s.
Protams, dažādas kabeļa pretestības prasības rada dažādas izbeigšanas prasības. Lai samazinātu signāla atstarošanu, RS485 instalācijas parasti izmanto vienu 120-Ω gala rezistoru abos kopnes galos, savukārt PROFIBUS-DP iesaka 171-Ω gala rezistoru abos galos. Pagaidiet, vai tā ir drukas kļūda? PROFIBUS-DP iesaka 171 Ω, tātad, vai tas nesakrīt ar ieteicamā kabeļa 150 Ω raksturīgo pretestību? Pilnīgi noteikti. 1. attēlā parādītas atšķirības starp PROFIBUS-DP un RS485 izmantoto kabeļa un gala tīklu. Jūs varat redzēt divus 390 Ω kopnes nobīdes rezistorus, ko izmanto ar 220 Ω gala rezistoriem; diferenciālā pretestība ir 171 Ω. Tas noteikti nav ideāls 150 Ω kabelis, kā rezultātā tīkla slāpēšana ir nedaudz nepietiekama. Bet neuztraucieties, jo tas norāda tikai uz nelielu signāla sprieguma palielināšanos kabeļa uztveršanas galā, kas ilgst divas reizes ilgāk par kabeļa izplatīšanās aizkavi.
1. attēls: RS485 un PROFIBUS{2}}DP tīklu kabeļu, galu un kontaktu piešķiršanas atšķirības.
Ja ar kabeļa/gala neatbilstību nepietiktu, PROFIBUS raiduztvērēju kopnes kontaktu nosaukumiem vajadzētu vēl vairāk apjukt jūsu cerības. Iespējams, esat ievērojuši 1. attēlā lietotos apgrieztos tapu nosaukumus. Vairumā vispārīgo RS485 uztvērēju tapa A ir kopējā -režīma uztvērēja ieeja (un kopējā-režīma draivera izvade), savukārt tapa B ir diferenciālā-režīma uztvērēja izeja un draivera ieeja. Tomēr PROFIBUS standarts kopnes polaritāti apraksta tā, ka tapas B un A ir apgrieztas. Kāpēc nekonsekvence? Sākotnējais TIA/EIA-485-A standarts neprecīzi definēja kopnes polaritāti saistībā ar loģiskā signāla funkciju, tāpēc RS485 IC izstrādātāji gandrīz vienmēr interpretēja specifikāciju vienā veidā, bet citi to interpretēja citādi. Ko tas nozīmē jums? Īpaši, ja jums ir gan RS485, gan PROFIBUS-DP projekti, jums jāpievērš īpaša uzmanība, kartējot uztvērēja kopnes tapas ar savienotājiem.
Ņemot vērā esošo raiduztvērēju skaitu ar nenoteiktām specifikācijām, diferenciālā draivera izejas spriegums (V_(OD)), iespējams, ir visvairāk pārprastā vai ignorētā specifikācija PROFIBUS-DP fiziskajā slānī. RS485 norāda V_(OD) starp līnijām A un B kā 1,5 līdz 5 V maksimuma-līdz-diferenciālo maksimumu, mērot draivera spailēs, izmantojot 54-Ω rezistorus starp A un B. PROFIBUS-DP norāda V_(OD) kā 4 līdz 7 V pīķa{16}}diferenciāls, ko mēra kabeļa tālākajā galā ar terminatoriem abos galos.
Izplatīts nepareizs uzskats ir tāds, ka, ja RS485 draiveris rada vairāk nekā 2,1 V pie 54-Ω slodzes, tas atbildīs PROFIBUS-DP prasībām, ja to izmantos ar PROFIBUS-DP pieslēgtu tīklu. Tomēr tas ne vienmēr ir taisnība. RS485 draivera jauda var būt pārmērīga un pārsniegt 7-V maksimuma-līdz-maksimālā PROFIBUS-DP ierobežojumu. Ņemiet vērā, ka visi izplatītie ar "PROFIBUS" saderīgie RS485 raiduztvērēji nosaka tikai minimālo V_(OD) (ti, 2,1 V) bez maksimuma. Labākā metode PROFIBUS-DP V_(OD) atbilstības nodrošināšanai ir raiduztvērēja pārbaude, izmantojot PROFIBUS slodzi.
2. attēlā parādīts, kā pārbaudīt LTC2877 izturīgo PROFIBUS RS485 raiduztvērēju, izmantojot PROFIBUS-DP slodzi un dažus sērijas rezistorus, lai modelētu kabeļa zudumu, kur V_(OD) (zilā līkne) tiek mērīts no "kabeļa gala" (A' un B'), lai nodrošinātu patiesu atbilstību PROFIBUS-DP{5}DP. LTC2877 ir arī pilnībā pārbaudīts ar RS485 slodzēm, lai nodrošinātu VOD atbilstību abiem standartiem.
2. attēls. LTC2877 diferenciālā izejas sprieguma (VOD) pārbaude, izmantojot PROFIBUS-DP slodzi.
Aizsargā PROFIBUS{0}}DP
Standarts TIA/EIA-485-A nodrošina minimālās prasības aizsardzībai pret troksni, bojājumiem, ESD, pārejām (elektriskas ātras pārejas) vai pārsprieguma. Līdz ar to raiduztvērēju ražotājiem un projektētājiem elektriskā aizsardzība jāievieš neatkarīgi. Lai gan aizsardzības prasības atšķiras atkarībā no lietojumprogrammas, daži raiduztvērēji, tostarp LTC2877, kas parādīts 3. attēlā, nodrošina augsta līmeņa aizsardzību, kas atbilst visām tirgus prasībām.
TIE/EIA-485-A standarts nosaka, ka zemējuma nobīde starp divām tīkla ierīcēm var būt no –7 līdz +12 V. Tomēr daudzas PROFIBUS-DP instalācijas var saskarties ar spriegumu, kas ir ievērojami augstāks par šo, kas var izraisīt nopietnus PROFIBUS{15}}DP raiduztvērēju bojājumus. PROFIBUS parasti izmanto 24 V sistēmās, kur "standarta" RS485 ierīces īssavienojums līdz 24 V var būt letāls. Projektētājiem ir nepieciešams uztvērējs ar paplašinātu kopējo režīmu diapazonu no –25 līdz +25 V. Tipisku PROFIBUS-DP raiduztvērēju aizstāšana ar ±60 V-aizsargāto LTC2877 novērš lauka kļūmes, kas rodas pārsprieguma kļūmju dēļ, neprasot dārgu ārējo aizsardzību. Tā kā PROFIBUS-DP raiduztvērēji faktiski ir sistēmas pirmā aizsardzības līnija, tiem ir jāaizsargājas pret dažāda līmeņa ESD pārspriegumiem. Daži PROFIBUS raiduztvērēji piedāvā 15kV ESD aizsardzību uz kopnes tapām, kad tie ir atslēgti no sprieguma; citi produkti, piemēram, LTC2877, nodrošina ±26kV HBM ESD aizsardzību attiecībā pret zemi vai barošanas avotu bez aizslēgšanās vai bojājumiem neatkarīgi no tā, vai tie ir atslēgti vai baroti, un jebkurā darbības režīmā. Turklāt kopnes tapas ir aizsargātas pret ±52kV zeme-zeme pārspriegumiem, kad tie netiek baroti.
Cits elektriskās pārslodzes veids ir EFT, ko standarts IEC 61000-4-4 EFT definē kā augstsprieguma impulsu impulsus, kas ilgst 60 mikrosekundes. Šāda veida pārspriegumu parasti izraisa loka kontakti slēdžos un relejos, kas ir izplatīti industriālajā vidē, kur elektromehāniskie slēdži savieno un atvieno induktīvās slodzes. Tiem jānodrošina, ka izvēlētais raiduztvērējs atbilst augstākajam IEC 61000-4-4 līmenim, 4. līmenim, kas ir līdzvērtīgs 2 kV atvērtas ķēdes spriegumam uz kopnes tapām.
Iespējams, visnopietnākā elektriskās pārslodzes forma ir dabas radītais pārspriegums zibens veidā. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka miniatūriem raiduztvērēju IC, piemēram, LTC2877, trūkst raksturīgās aizsardzības pret šāda mēroga pārspriegumiem. Tā vietā PROFIBUS-DP sistēmās, kurās komponenti ir jebkādā veidā pakļauti, parasti tiek izmantoti ārējie pārsprieguma aizsardzības komponenti, tostarp MOV, TVS diodes, TSPD (tiristoru pārsprieguma aizsardzības ierīces) un GDT (gāzizlādes caurules). LTC2877 nevar izturēt zibens spērienus viens pats, taču tā augstais ±60 V kontaktu reitings ļauj viegli atrast ārējos aizsardzības komponentus, kas spēj nodrošināt šāda līmeņa aizsardzību.