A PROFIBUS{0}}DP (Distributed Peripherals) terepibusz-szabvány több mint két évtizede létezik, ennek ellenére a fizikai réteg követelményei továbbra is tisztázatlanok, ami gyakran zavart okoz az adó-vevő meghatározásában. A kétértelműség azonban nyilvánvalóan nem akadályozta meg abban, hogy a PROFIBUS rendkívül sikeres terepibusz-megoldássá váljon, világszerte több mint 50 millió eszközzel. Az új rendszerek bevezetésekor a tervezőmérnökök számára alapvető fontosságú, hogy tudják, hogy az általuk használt adó-vevőket a PROFIBUS-DP szabvány legújabb és legpontosabb értelmezésére tervezték.
PROFIBUS{0}}DP (elosztott perifériák) alapjai
A gyorsabb, egyszerűbb PROFIBUS{0}}DP szabvány 1993-ban jelent meg lassabb, összetettebb szülőszabványából, a PROFIBUS FMS-ből (Fieldbus Message Specification). A PROFIBUS-DP rendelkezik egy fiatalabb, kevésbé népszerű társ- vagy származékszabvánnyal, a PROFIBUS-PA-val (folyamatautomatizálás), amely Manchester Bus Power (MBP) átvitelt használ, és a buszon keresztül táplálja, így ideális a gyújtószikramentes alkalmazásokhoz veszélyes környezetben. Mindazonáltal a PROFIBUS-DP ma is a legszélesebb körben használt PROFIBUS-verzió, köszönhetően a csatlakoztatási-and-jellemzőknek, a rugalmasságnak és a költséghatékonyságnak. A PROFIBUS{11}}DP decentralizálja az I/O-kártyákat (mastereket) a vezérlőktől az érzékelőkhöz és működtetőkhöz (szolgákhoz) közelebbi helyekre, az ipari üzemekben lévő érzékelők és aktuátorok kezelésétől kezdve a vasúti pályaudvarokon és különféle robotalkalmazásokon keresztül történő áramlásmérőkkel való kommunikációig.
A PROFIBUS-DP többféle médián keresztül tud kommunikálni, beleértve a rézvezetéket, a száloptikát, sőt az infravörös kommunikátorok levegőjét is. A PROFIBUS-DP-masterek és slave-ek eddigi leggyakoribb bitátviteli közege (az ISO/OSI modell 1. rétege) a csavart-párú kábel RS485 adó-vevőket használva. Ez nem meglepő, tekintve az RS485 nagy-sebességű differenciáljelzését és robusztus kommunikációját nagy távolságokon több eszköz között, zajos környezetben. Több master, mint például a PLC-k (programozható logikai vezérlők), szegmensenként akár 30 slave-et is csatlakoztathatnak egy lineáris topológiában. Hubok (párhuzamos szegmensek) vagy átjátszók (soros szegmensek) használatával a hálózat 124 slave-ig bővíthető. A szegmenseket mindkét végén le kell zárni az aktív lezárással. Minden slave csatlakoztatható a buszhoz,{15}}
95% RS485, 5% zavartság
A PROFIBUS{0}}DP átveszi a legtöbb TIA/EIA-485-A RS485 szabványt, de olyan módosításokat is tartalmaz, amelyeket a nagyobb rendszerproblémák miatt véletlenül figyelmen kívül hagyhatnak. Ezért a közhiedelemmel ellentétben nem minden RS485 adó-vevő és kábel alkalmas PROFIBUS-DP hálózatokhoz. Különbségek vannak a vezetékezés, a lezárás, a jel elnevezése és az illesztőprogram követelményei között; ezek túl gyors figyelmen kívül hagyása könnyen veszélyeztetheti a master vagy slave készülékek teljesítményét (vagy rosszabb esetben tanúsítását).
Míg az RS485 szabvány nem ír elő huzalozási követelményeket, a 120-Ω-os árnyékolt csavart érpár (STP) kábel a hagyományos ajánlás lett. A PROFIBUS-DP azonban 150 Ω-os STP-kábelt ajánl. Sajnos a 120 Ω nem közelíthető 150 Ω-hoz, és ez a csekély kábelimpedancia-különbség valójában különböző kábelek használatát teszi szükségessé. A PROFIBUS-DP meghatározza a kábel maximális hosszát is, amely attól függ, hogy a 10 adatátviteli sebesség „lépései” közül melyiket használják, 1200 m-től 9,6 kbit/s-nál és 100 m-ig 12 Mbit/s-nál.
Természetesen a különböző kábelimpedancia-követelmények eltérő lezárási követelményekhez vezetnek. A jelvisszaverődés minimalizálása érdekében az RS485-ös telepítések általában egyetlen 120-Ω-os lezáró ellenállást használnak a busz mindkét végén, míg a PROFIBUS-DP 171-Ω-os lezáróhálózatot javasol mindkét végén. Várj, ez elírás? A PROFIBUS-DP 171 Ω-t ajánl, tehát ez nem egyezik az ajánlott kábel 150 Ω-os karakterisztikus impedanciájával? Teljesen. Az 1. ábra szemlélteti a PROFIBUS-DP és az RS485 kábel- és végponthálózat közötti különbségeket. Két 390 Ω-os busz előfeszítő ellenállást láthat 220 Ω-os lezáró ellenállásokkal; a differenciálellenállás 171 Ω. Ez nyilvánvalóan nem tökéletes a 150 Ω-os kábelhez, ami kissé elégtelen hálózati csillapítást eredményez. De ne aggódjon, mert ez csak egy kis ütést vagy jelfeszültség-növekedést jelez a kábel vételi végén, ami kétszer akkora, mint a kábel terjedési késleltetése.
1. ábra: Az RS485 és a PROFIBUS{2}}DP hálózatok közötti kábelek, végződések és érintkezők kiosztásának különbségei.
Ha a kábel/végződés eltérés nem lenne elég, a PROFIBUS adó-vevők busztüskéinek elnevezése még inkább megzavarja az elvárásait. Lehet, hogy észrevette az 1. ábrán használt, fordított érintkező-neveket. A legtöbb általános RS485 adó-vevőben az A láb a közös-módú vevőbemenet (és a közös-módú illesztőprogram-kimenet), míg a B érintkező a differenciális-módú vevőkimenet és az illesztőprogram-bemenet. A PROFIBUS szabvány azonban úgy írja le a busz polaritását, hogy a B és A érintkezők felcserélődnek. Miért az inkonzisztencia? Az eredeti TIA/EIA-485-A szabvány nem határozta meg kifejezetten a busz polaritását a logikai jel funkcióval kapcsolatban, így az RS485 IC tervezők szinte mindig egy, míg mások másként értelmezték a specifikációt. Mit jelent ez számodra? Különösen akkor, ha RS485 és PROFIBUS-DP projektjei is vannak, fokozott figyelmet kell fordítania az adó-vevő busz érintkezőinek a csatlakozókra való leképezésekor.
Tekintettel a létező, meghatározatlan specifikációkkal rendelkező adó-vevők számára, a differenciális illesztőprogram kimeneti feszültsége (V_(OD)) valószínűleg a leginkább félreértett vagy figyelmen kívül hagyott specifikáció a PROFIBUS-DP fizikai rétegében. Az RS485 az A és B vonalak közötti V_(OD) értéket 1,5–5 V csúcs-csúcs-különbségként határozza meg, a meghajtó terminálokon mérve 54-Ω-os ellenállással A és B között. A PROFIBUS-DP a V_(OD) V_(OD) különbséget 4,{-{10} csúcs között adja meg. a kábel túlsó végén mérve, mindkét végén lezárókkal.
Általános tévhit, hogy ha egy RS485-ös illesztőprogram 2,1 V-nál nagyobb feszültséget produkál 54-Ω-os terhelés mellett, akkor PROFIBUS-DP-végződésű hálózattal együtt használva megfelel a PROFIBUS-DP követelményeinek. Ez azonban nem mindig igaz. Előfordulhat, hogy az RS485 illesztőprogram erőssége túl magas, és túllépheti a 7-V csúcs--csúcs-PROFIBUS-DP határértéket. Vegye figyelembe, hogy minden elterjedt "PROFIBUS"-kompatibilis RS485 adó-vevő csak egy minimális V_(OD)-t (azaz 2,1 V-ot) határoz meg, maximum nélkül. A PROFIBUS-DP V_(OD) megfelelőségének biztosítására a legjobb módszer az adó-vevő tesztelése PROFIBUS terhelés használatával.
A 2. ábra bemutatja, hogyan tesztelhető az LTC2877 robusztus PROFIBUS RS485 adó-vevő PROFIBUS-DP terhelés és néhány soros ellenállás segítségével a kábelveszteség szimulálására, ahol a V_(OD) (kék görbe) a „kábel végétől” (A' és B') mérve a PROFIBUS{{5}DP{5}DP specifikációnak való valós megfelelés érdekében. Az LTC2877 teljes körűen tesztelve van RS485 terhelésekkel is, hogy biztosítsa a VOD mindkét szabványnak való megfelelését.
2. ábra: Az LTC2877 differenciális kimeneti feszültség (VOD) tesztelése PROFIBUS-DP terhelés használatával.
A PROFIBUS{0}}DP védelme
A TIA/EIA-485-A szabvány minimális követelményeket ír elő a zaj, hiba, ESD, tranziens (elektromos gyorstranziens) vagy túlfeszültség elleni védelemre. Következésképpen az adó-vevő gyártóknak és tervezőknek önállóan kell megvalósítaniuk az elektromos védelmet. Míg a védelmi követelmények alkalmazásonként változnak, bizonyos adó-vevők – köztük a 3. ábrán látható LTC2877 – magas szintű védelmet biztosítanak, amely minden piaci igényt kielégít.
A TIE/EIA-485-A szabvány előírja, hogy a hálózaton lévő két eszköz közötti földeltolás –7 és +12 V között lehet. Sok PROFIBUS-DP-telepítés azonban ennél lényegesen magasabb feszültséggel találkozhat, ami súlyosan károsíthatja a PROFIBUS{15}}DP adó-vevőket. A PROFIBUS-t általában 24 V-os rendszerekben használják, ahol a "szabványos" RS485-ös eszköz rövidre zárása 24 V-ra végzetes lehet. A tervezőknek olyan vevőt kell igényelniük, amelynek közös -módusa –25 és +25 V között van. A tipikus PROFIBUS-DP adó-vevők ±60 V-védett LTC2877-re cseréje költséges külső védelem nélkül kiküszöböli a túlfeszültség-hibákból eredő terepi hibákat. Mivel a PROFIBUS{26}}DP adó-vevők gyakorlatilag a rendszer első védelmi vonalát jelentik, meg kell védeniük magukat a különböző szintű ESD-túlfeszültségek ellen. Egyes PROFIBUS adó-vevők feszültségmentes állapotban 15 kV-os ESD-védelmet kínálnak a busz érintkezőkön; más termékek, például az LTC2877, ±26 kV HBM ESD-védelmet biztosítanak a testhez vagy a tápegységhez képest reteszelés vagy sérülés nélkül, függetlenül attól, hogy -le van-e kapcsolva vagy feszültség alatt van-e, és bármilyen üzemmódban. Ezenkívül a busztüskék védve vannak a ±52 kV-os föld-föld túlfeszültség ellen, amikor nincs tápfeszültség.
Az elektromos túlfeszültség másik formája az EFT, amelyet az IEC 61000-4-4 EFT szabvány 60 mikromásodpercig tartó nagyfeszültségű tüskeimpulzusként határoz meg. Az ilyen típusú túlfeszültséget jellemzően a kapcsolókban és relékben lévő íves érintkezők okozzák, amelyek gyakoriak az ipari környezetben, ahol elektromechanikus kapcsolók kapcsolják össze és leválasztják az induktív terheléseket. Gondoskodniuk kell arról, hogy a kiválasztott adó-vevő megfeleljen az IEC 61000-4-4, 4. szint legmagasabb szintjének, amely megfelel a busz érintkezőin 2 kV-os nyitott áramköri feszültségnek.
Az elektromos túlterhelés talán legsúlyosabb formája a természet által villámlás formájában leadott túlfeszültség. Ezért nem meglepő, hogy az olyan miniatűr adó-vevő IC-kből, mint az LTC2877, hiányzik az ilyen mértékű túlfeszültség elleni védelem. Ehelyett a PROFIBUS-DP-rendszerekben általában külső túlfeszültség-védelmi komponenseket, köztük MOV-okat, TVS-diódákat, TSPD-ket (Thyristor Surge Protective Devices) és GDT-ket (Gas Discharge Tubes) használnak, ahol az alkatrészek bármilyen módon ki vannak téve. Az LTC2877 önmagában nem képes ellenállni a villámcsapásoknak, de a magas ±60 V tűs besorolása megkönnyíti az ilyen szintű védelem biztosítására alkalmas külső védelmi alkatrészek megtalálását.