Lo standard del bus di campo Profibus-DP (Periferiche Distribuite) esiste da oltre due decenni, ma i suoi requisiti relativi al livello fisico rimangono poco chiari, il che spesso porta a confusione nelle definizioni dei ricetrasmettitori. Tuttavia, qualsiasi ambiguità non ha chiaramente impedito a Profibus di diventare una soluzione bus di campo di grande successo, con oltre 50 milioni di dispositivi installati in tutto il mondo. Man mano che vengono implementati nuovi sistemi, è fondamentale che i progettisti sappiano che i ricetrasmettitori che utilizzano sono progettati per l'interpretazione più recente e accurata dello standard Profibus-DP.
Fondamenti di Profibus-DP (periferiche distribuite).
Lo standard Profibus-DP più veloce e semplice è emerso nel 1993 dal suo standard genitore più lento e complesso, Profibus FMS (Fieldbus MessageSpecific). Profibus-DP dispone anche di uno standard peer o derivato più giovane e meno popolare, Profibus-PA (Process Automation), che utilizza la trasmissione Manchester Bus Power (MBP) ed è alimentato tramite il bus, rendendolo ideale per applicazioni a sicurezza intrinseca in ambienti pericolosi. Tuttavia, Profibus-DP rimane oggi la versione Profibus più utilizzata grazie alle sue caratteristiche plug{7}}and{8}}play, flessibilità e convenienza-economica. Dalla gestione di sensori e attuatori negli impianti industriali alla comunicazione con i misuratori di portata negli scali ferroviari e varie applicazioni robotiche, Profibus-DP decentralizza le schede I/O (master) dai controller a posizioni più vicine a sensori e attuatori (slave).
Profibus-DP può comunicare su più mezzi, tra cui filo di rame, fibra ottica e persino aria nei comunicatori a infrarossi. Ad oggi, il mezzo di trasmissione di bit più comune (Livello 1 del modello ISO/OSI) per master e slave Profibus-DP è il cavo a doppino intrecciato-che utilizza ricetrasmettitori RS485. Ciò non sorprende, considerati il segnale differenziale ad alta-velocità dell'RS485 e la solida comunicazione su lunghe distanze tra più dispositivi in ambienti rumorosi. Master multipli, come i PLC (controllori logici programmabili), possono collegare fino a 30 slave per segmento in una topologia lineare. Utilizzando hub (segmenti paralleli) o ripetitori (segmenti seriali) è possibile estendere la rete a 124 slave. I segmenti devono essere terminati su entrambe le estremità utilizzando la terminazione attiva. Tutti gli slave possono essere-collegati a caldo al bus,
95% RS485, 5% confusione
Profibus-DP adotta la maggior parte dello standard TIA/EIA-485-A RS485 ma incorpora modifiche che potrebbero essere inavvertitamente trascurate a causa di problemi di sistema più ampi. Pertanto, contrariamente alla credenza comune, non tutti i ricetrasmettitori e i cavi RS485 sono adatti per le reti Profibus-DP. Esistono differenze nel cablaggio, nella terminazione, nella denominazione dei segnali e nei requisiti del driver; trascurarli troppo rapidamente può facilmente compromettere le prestazioni (o peggio, la certificazione) dei dispositivi master o slave.
Anche se lo standard RS485 non specifica i requisiti di cablaggio, il cavo a doppino intrecciato schermato (STP) da 120-Ω è diventato la raccomandazione convenzionale. Tuttavia, Profibus-DP consiglia un cavo STP da 150 Ω. Sfortunatamente, 120 Ω non possono essere approssimati a 150 Ω, e questa leggera differenza nell'impedenza del cavo richiede effettivamente l'uso di cavi diversi. Profibus-DP specifica anche la lunghezza massima del cavo, che dipende da quale dei 10 "passi" di baud rate viene utilizzato, che vanno da 1.200 m a 9,6 kbit/s a 100 m a 12 Mbit/s.
Naturalmente, diversi requisiti di impedenza del cavo portano a diversi requisiti di terminazione. Per ridurre al minimo le riflessioni del segnale, le installazioni RS485 utilizzano in genere un singolo resistore di terminazione da 120-Ω a ciascuna estremità del bus, mentre Profibus-DP consiglia una rete di terminazione da 171-Ω a ciascuna estremità. Aspetta, è un errore di battitura? Profibus-DP consiglia 171 Ω, quindi questo non corrisponde all'impedenza caratteristica di 150 Ω del cavo consigliato? Assolutamente. La Figura 1 illustra le differenze tra il cavo e la rete di terminazione utilizzati per Profibus-DP rispetto a RS485. Puoi vedere due resistori di polarizzazione del bus da 390 Ω utilizzati con resistori di terminazione da 220 Ω; la resistenza differenziale è di 171 Ω. Questo chiaramente non è un abbinamento perfetto per il cavo da 150 Ω, con conseguente smorzamento della rete leggermente insufficiente. Ma non preoccuparti, perché ciò indica solo un piccolo urto o aumento della tensione del segnale all'estremità ricevente del cavo, che dura il doppio del ritardo di propagazione del cavo.
Figura 1: differenze nei cavi, nelle terminazioni e nelle assegnazioni dei pin tra le reti RS485 e Profibus-DP.
Se le discrepanze tra cavo e terminazione non fossero sufficienti, la denominazione dei pin del bus sui ricetrasmettitori Profibus dovrebbe confondere ulteriormente le vostre aspettative. Potresti aver notato i nomi dei pin invertiti utilizzati nella Figura 1. Nella maggior parte dei ricetrasmettitori RS485 generici, il pin A è l'ingresso del ricevitore in modalità-comune (e l'uscita del driver in modalità-comune), mentre il pin B è l'uscita del ricevitore in modalità-differenziale e l'ingresso del driver. Tuttavia la norma Profibus descrive la polarità del bus in modo tale che i pin B e A siano invertiti. Perché questa incoerenza? Lo standard TIA/EIA-485-A originale non definiva esplicitamente la polarità del bus in relazione alla funzione del segnale logico, quindi i progettisti di circuiti integrati RS485 interpretavano quasi invariabilmente la specifica in un modo, mentre altri la interpretavano in un altro. Cosa significa questo per te? Soprattutto se si hanno progetti sia RS485 che Profibus-DP, è necessario prestare molta attenzione quando si mappano i pin del bus del ricetrasmettitore sui connettori.
Dato il numero di ricetrasmettitori esistenti con specifiche non definite, la tensione di uscita del driver differenziale (V_(OD)) è probabilmente la specifica più fraintesa o trascurata nel livello fisico Profibus-DP. RS485 specifica V_(OD) tra le linee A e B come differenziale da 1,5 a 5 V picco-a-picco, misurato ai terminali del driver utilizzando resistori da 54-Ω tra A e B. Profibus-DP specifica V_(OD) come 4 a 7 V picco-differenziale a picco, misurato all'estremità del cavo con terminatori su entrambe le estremità.
Un malinteso comune è che se un driver RS485 produce più di 2,1 V su un carico di 54-Ω, soddisferà i requisiti Profibus-DP se utilizzato con una rete terminata Profibus-DP. Tuttavia, questo non è sempre vero. La potenza del driver RS485 potrebbe essere eccessiva e superare il limite DP di 7-V di picco-a-picco Profibus-DP. Si noti che tutti i comuni ricetrasmettitori RS485 compatibili con "PROFIBUS" specificano solo un minimo V_(OD) (cioè 2,1 V) senza un massimo. Il metodo migliore per garantire la conformità Profibus-DP V_(OD) consiste nel testare il ricetrasmettitore utilizzando un carico Profibus.
La Figura 2 illustra come testare il robusto ricetrasmettitore RS485 Profibus LTC2877 utilizzando un carico Profibus-DP e alcuni resistori in serie per simulare la perdita del cavo, dove V_(OD) (curva blu) viene misurato dall'"estremità del cavo" (A' e B') per garantire la reale conformità con le specifiche Profibus-DP. L'LTC2877 è inoltre completamente testato con carichi RS485 per garantire la conformità VOD con entrambi gli standard.
Figura 2: test della tensione di uscita differenziale (VOD) dell'LTC2877 utilizzando un carico Profibus-DP.
Protezione del Profibus-DP
Lo standard TIA/EIA-485-A fornisce requisiti minimi per la protezione da rumore, guasti, scariche elettrostatiche, transitori (transitori elettrici veloci) o sovratensioni. Di conseguenza, i produttori e i progettisti dei ricetrasmettitori devono implementare la protezione elettrica in modo indipendente. Anche se i requisiti di protezione variano in base all'applicazione, alcuni ricetrasmettitori, incluso l'LTC2877 mostrato nella Figura 3, offrono una protezione di alto livello che soddisfa tutte le richieste del mercato.
Lo standard TIE/EIA-485-A specifica che l'offset di terra tra due dispositivi sulla rete può variare da –7 a +12 V. Tuttavia, molte installazioni Profibus-DP potrebbero incontrare tensioni significativamente più elevate di questa, che possono causare gravi danni ai ricetrasmettitori Profibus-DP. Profibus è comunemente utilizzato nei sistemi a 24 V, dove cortocircuitare un dispositivo RS485 "standard" a 24 V può essere fatale. I progettisti dovrebbero richiedere un ricevitore con un intervallo esteso di modo comune-da –25 a +25 V. La sostituzione dei tipici ricetrasmettitori Profibus-DP con l'LTC2877 protetto da ±60 V-elimina i guasti sul campo dovuti a guasti di sovratensione senza richiedere costose protezioni esterne. Poiché i ricetrasmettitori Profibus-DP rappresentano effettivamente la prima linea di difesa del sistema, devono proteggersi da vari livelli di sovratensioni ESD. Alcuni ricetrasmettitori Profibus offrono protezione ESD da 15 kV sui pin del bus quando sono diseccitati; altri prodotti, come l'LTC2877, forniscono protezione ESD HBM da ±26 kV rispetto alla terra o all'alimentazione senza blocco o danni, sia diseccitato che energizzato e in qualsiasi modalità operativa. Inoltre, i pin del bus sono protetti contro sovratensioni terra-terra di ±52 kV quando non sono alimentati.
Un'altra forma di sovraccarico elettrico è l'EFT, definito dallo standard EFT IEC 61000-4-4 come impulsi di picco ad alta tensione della durata di 60 microsecondi. Questo tipo di sollecitazione eccessiva è generalmente causata da contatti ad arco in interruttori e relè, comuni negli ambienti industriali in cui gli interruttori elettromeccanici collegano e scollegano carichi induttivi. Dovrebbero garantire che il ricetrasmettitore selezionato soddisfi il livello più elevato della norma IEC 61000-4-4, Livello 4, equivalente a una tensione a circuito aperto di 2 kV sui pin del bus.
Forse la forma più grave di sovraccarico elettrico è l’impulso fornito dalla natura sotto forma di fulmine. Pertanto, non sorprende che i circuiti integrati ricetrasmettitori miniaturizzati come l'LTC2877 non abbiano una protezione intrinseca contro sovratensioni di questa portata. Invece, i componenti esterni di protezione dalle sovratensioni, inclusi MOV, diodi TVS, TSPD (dispositivi di protezione da sovratensioni a tiristori) e GDT (tubi a scarica di gas), vengono generalmente utilizzati nei sistemi Profibus-DP in cui i componenti sono esposti in qualsiasi modo. L'LTC2877 non può resistere da solo ai fulmini, ma il suo elevato pin rating di ±60 V rende facile trovare componenti di protezione esterni in grado di fornire questo livello di protezione.