תקן PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) fieldbus קיים כבר למעלה משני עשורים, אך דרישות השכבה הפיזית שלו נותרו לא ברורות, מה שמוביל לעתים קרובות לבלבול בהגדרות של מקלטי משדר. עם זאת, אי בהירות ברורה שלא מנעה מ-PROFIBUS להפוך לפתרון אוטובוס שדה מוצלח ביותר, עם למעלה מ-50 מיליון מכשירים מותקנים ברחבי העולם. כאשר מערכות חדשות נפרסות, חיוני למהנדסי התכנון לדעת שהמשדרים שבהם הם משתמשים מיועדים לפרשנות העדכנית והמדויקת ביותר של תקן PROFIBUS-DP.
היסודות של PROFIBUS-DP (ציוד היקפי מבוזר).
תקן PROFIBUS-DP המהיר והפשוט יותר הופיע בשנת 1993 מתוך תקן האב האיטי והמורכב יותר שלו, PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). ל-PROFIBUS-ל-DP יש גם תקן עמיתים או נגזרות צעיר יותר ופחות פופולרי, PROFIBUS-PA (Process Automation), המשתמש בתמסורת Manchester Bus Power (MBP) ומופעל על גבי האוטובוס, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומים בטוחים באופן מהותי בסביבות מסוכנות. עם זאת, PROFIBUS-DP נותרה הגרסה הנפוצה ביותר של PROFIBUS כיום בשל מאפייני החיבור-והפעל, הגמישות והעלות-יעילות שלה. מניהול חיישנים ומפעילים במפעלים תעשייתיים ועד לתקשורת עם מדי זרימה בחצרות רכבת ויישומים רובוטיים שונים, PROFIBUS-DP מבזרת כרטיסי קלט/פלט (מאסטרים) מבקרים למיקומים קרובים יותר לחיישנים ומפעילים (עבדים).
PROFIBUS-DP יכול לתקשר על פני מספר מדיה, כולל חוטי נחושת, סיבים אופטיים, ואפילו אוויר בתקשורי אינפרא אדום. עד כה, אמצעי שידור הסיביות הנפוץ ביותר (שכבה 1 של מודל ISO/OSI) עבור PROFIBUS-DP מאסטרים ועבדים הוא כבל זוג- מעוות באמצעות מקלטי משדר RS485. זה לא מפתיע בהתחשב באיתות ההפרש המהיר של RS485-והתקשורת החזקה לאורך מרחקים ארוכים בין מספר מכשירים בסביבות רועשות. מאסטרים מרובים, כגון PLCs (בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות), יכולים לחבר עד 30 עבדים לכל מקטע בטופולוגיה ליניארית. שימוש ברכזות (מקטעים מקבילים) או מחזירים (מקטעים טוריים) יכול להרחיב את הרשת ל-124 עבדים. יש לסיים פלחים בשני הקצוות באמצעות סיום פעיל. ניתן לחבר את כל העבדים-לאוטובוס,
95% RS485, 5% בלבול
PROFIBUS-DP מאמצת את רוב התקן TIA/EIA-485-A RS485 אך משלב שינויים שעלולים להתעלם בטעות עקב חששות גדולים יותר במערכת. לכן, בניגוד למה שנהוג לחשוב, לא כל משדרים וכבלים RS485 מתאימים לרשתות PROFIBUS-DP. קיימים הבדלים בחיווט, סיום, שמות האות ודרישות מנהל ההתקן; התעלמות מהירה מדי עלולה לסכן בקלות את הביצועים (או גרוע מכך, הסמכה) של מכשירי המאסטר או העבדים שלך.
בעוד שתקן RS485 אינו מציין דרישות חיווט, כבל 120-Ω זוג מעוות מוגן (STP) הפך להמלצה המקובלת. עם זאת, PROFIBUS-DP ממליץ על כבל STP 150-Ω. למרבה הצער, 120 Ω לא ניתן לקירוב ל- 150 Ω, וההבדל הקל הזה בעכבת הכבלים למעשה מחייב שימוש בכבלים שונים. PROFIBUS-DP מפרט גם אורכי כבלים מקסימליים, התלויים באיזה מ-10 "שלבי" קצב ה-baud נעשה שימוש, הנעים בין 1,200 מ' ב-9.6 קילובייט לשנייה ל-100 מ' ב-12 מגה-ביט/שנייה.
כמובן שדרישות שונות של עכבת כבלים מובילות לדרישות סיום שונות. כדי למזער את השתקפויות האותות, התקנות RS485 משתמשות בדרך כלל בנגד סיום יחיד של 120-Ω בכל קצה של האוטובוס, בעוד PROFIBUS-DP ממליץ על רשת מסיימת של 171-Ω בכל קצה. רגע, זו טעות הקלדה? PROFIBUS-DP ממליץ על 171 Ω, אז האם זה לא תואם את העכבה האופיינית 150 Ω של הכבל המומלץ? בְּהֶחלֵט. איור 1 ממחיש את ההבדלים בין הכבלים ורשת הסיום המשמשים עבור PROFIBUS-DP לעומת RS485. אתה יכול לראות שני נגדי הטיית אוטובוס של 390-Ω בשימוש עם נגדי סיום של 220-Ω; ההתנגדות הדיפרנציאלית היא 171 Ω. ברור שזו לא התאמה מושלמת לכבל 150-Ω, וכתוצאה מכך שיכוך רשת מעט לא מספיק. אך אל דאגה, כי זה מצביע על גבשושית קטנה או עלייה במתח האות בקצה הקולט של הכבל, הנמשכת פי שניים מעיכוב התפשטות הכבל.
איור 1: הבדלים בכבלים, חיבורים והקצאות פינים בין רשתות RS485 ו-PROFIBUS-DP.
אם אי-התאמות של כבלים/סיום לא היו מספיקות, השם של פיני האוטובוס במקלטי משדר PROFIBUS אמור לבלבל עוד יותר את הציפיות שלך. ייתכן ששמתם לב לשמות הפינים ההפוכים המשמשים באיור 1. ברוב מקלטי המשדר RS485 הגנריים, פין A הוא כניסת מקלט במצב-הנפוץ (ופלט מנהל התקן-משותף), בעוד שפין B הוא פלט מקלט מצב-דיפרנציאלי וכניסת מנהל ההתקן. עם זאת, תקן PROFIBUS מתאר את קוטביות האוטובוס בצורה כזו שפינים B ו-A מתהפכים. למה חוסר העקביות? התקן TIA/EIA-485-A המקורי לא הגדיר במפורש את קוטביות האוטובוס ביחס לתפקוד האות הלוגי, כך שמתכנני RS485 IC כמעט תמיד פירשו את המפרט בצורה אחת, בעוד שאחרים פירשו אותו אחרת. מה זה אומר עבורך? במיוחד אם יש לך גם פרוייקטים של RS485 וגם PROFIBUS-DP, עליך לשים לב היטב בעת מיפוי פיני אוטובוס של מקלט משדר למחברים.
בהתחשב במספר מקלטי המשדר הקיימים עם מפרטים לא מוגדרים, מתח המוצא הדיפרנציאלי של מנהל ההתקן (V_(OD)) הוא ככל הנראה המפרט הכי לא מובן או מתעלם בשכבה הפיזית של PROFIBUS-DP. RS485 מציין את V_(OD) בין קווים A ו-B כהפרש שיא של 1.5 עד 5 וולט-ל-שיא, הנמדד במסופי הנהג באמצעות נגדים של 54-Ω בין A ו-B. PROFIBUS-DP מציין את V_(OD) כשיא 4 עד {76 V}. דיפרנציאל, נמדד בקצה הרחוק של הכבל עם terminators בשני הקצוות.
טעות נפוצה היא שאם מנהל התקן RS485 מייצר מעל 2.1 וולט בעומס של 54-Ω, הוא יעמוד בדרישות PROFIBUS-DP בשימוש עם רשת PROFIBUS-DP שהסתיימו. עם זאת, זה לא תמיד נכון. עוצמת הדרייבר של RS485 עשויה להיות מוגזמת ולחרוג ממגבלת ה-7-V שיא-ל-שיא PROFIBUS-DP. שימו לב שכל מקלטי המשדר RS485 התואמים "PROFIBUS" הנפוצים מציינים רק V_(OD) מינימלי (כלומר, 2.1 V) ללא מקסימום. השיטה הטובה ביותר להבטיח תאימות PROFIBUS-DP V_(OD) היא בדיקת מקלט המשדר באמצעות עומס PROFIBUS.
איור 2 ממחיש כיצד לבדוק את מקלט המשדר PROFIBUS RS485 המחוספס LTC2877 באמצעות עומס PROFIBUS-DP וכמה נגדים בסדרה כדי לדמות אובדן כבל, כאשר V_(OD) (עקומה כחולה) נמדד מ"קצה הכבל" (A' ו-B') כדי להבטיח התאמה ספציפית ל-PROFIBUS{5}}. ה-LTC2877 נבדק גם במלואו עם עומסי RS485 כדי להבטיח תאימות של VOD לשני התקנים.
איור 2: בדיקת מתח המוצא הדיפרנציאלי (VOD) של LTC2877 באמצעות עומס PROFIBUS-DP.
הגנה על PROFIBUS-DP
התקן TIA/EIA-485-מספק דרישות מינימליות להגנה מפני רעש, תקלות, ESD, זמני ארע (חשמליים מהירים) או נחשולי מתח. כתוצאה מכך, יצרני ומעצבי משדרים חייבים ליישם הגנה חשמלית באופן עצמאי. בעוד שדרישות ההגנה משתנות בהתאם ליישום, משדרים מסוימים - כולל LTC2877 המוצג באיור 3 - מספקים הגנה ברמה גבוהה העונה על כל דרישות השוק.
התקן TIE/EIA-485-מציין שהיסט הארקה בין שני התקנים ברשת יכול לנוע בין -7 ל-+12 V. עם זאת, מתקנים רבים של PROFIBUS-DP עלולים להיתקל במתחים גבוהים משמעותית מזה, מה שעלול לגרום לנזק חמור למשדרי PROFIBUS{15}. PROFIBUS נמצא בשימוש נפוץ במערכות 24V, כאשר קיצור התקן RS485 "סטנדרטי" ל-24V יכול להיות קטלני. על המתכננים לדרוש מקלט עם טווח מצבים נפוץ- מורחב של –25 עד +25 V. החלפת משדרים טיפוסיים של PROFIBUS-DP במקלט LTC2877 מוגן ±60V- מבטלת תקלות שדה עקב תקלות מתח יתר ללא צורך בהגנה חיצונית יקרה. מאחר שמקלטי PROFIBUS-DP הם למעשה קו ההגנה הראשון של המערכת, עליהם להגן על עצמם מפני רמות שונות של עליות ESD. חלק ממקלטי ה-PROFIBUS מציעים הגנת ESD של 15kV על פיני האוטובוס שלהם כאשר-מופעל; מוצרים אחרים, כגון LTC2877, מספקים הגנת ±26kV HBM ESD ביחס להארקה או לספק כוח ללא נעילה או נזק, בין אם-מופעל או מופעל, ובכל מצב פעולה. בנוסף, פיני האוטובוס מוגנים מפני עליות קרקע-קרקע של ±52kV כאשר אינם מופעלים.
צורה נוספת של לחץ יתר חשמלי היא EFT, המוגדרת בתקן IEC 61000-4-4 EFT כפולסי ספייק במתח גבוה הנמשכים 60 מיקרו-שניות. סוג זה של מתח יתר נגרם בדרך כלל על ידי קשת מגעים במתגים ובממסרים, נפוץ בסביבות תעשייתיות בהן מתגים אלקטרו-מכאניים מתחברים ומנתקים עומסים אינדוקטיביים. הם צריכים להבטיח שהמשדר הנבחר עומד ברמה הגבוהה ביותר של IEC 61000-4-4, רמה 4, שווה ערך למתח מעגל פתוח של 2 קילו וולט בפיני האוטובוס.
אולי הצורה החמורה ביותר של עומס חשמלי היא הנחשול שמעביר הטבע בצורה של ברק. לכן, אין זה מפתיע שלמקלטי משדר מיניאטוריים כמו ה-LTC2877 אין הגנה מובנית מפני עליות בגודל כזה. במקום זאת, רכיבים חיצוניים להגנה מפני נחשולי מתח, כולל MOVs, דיודות TVS, TSPDs (התקני נחשולי תיריסטורים) ו-GDTs (שפופרות פריקת גז), משמשים בדרך כלל במערכות PROFIBUS-DP שבהן רכיבים נחשפים בכל דרך שהיא. ה-LTC2877 אינו יכול לעמוד בפני פגיעות ברק לבדו, אך דירוג הפינים הגבוה שלו ±60V מקל על מציאת רכיבי הגנה חיצוניים המסוגלים לספק רמת הגנה זו.