Der Feldbusstandard PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) existiert seit über zwei Jahrzehnten, doch seine Anforderungen an die physikalische Schicht bleiben unklar, was häufig zu Verwirrung bei den Transceiver-Definitionen führt. Allerdings hat jede Unklarheit offensichtlich nicht verhindert, dass sich PROFIBUS zu einer äußerst erfolgreichen Feldbuslösung entwickelt hat, mit weltweit über 50 Millionen installierten Geräten. Bei der Bereitstellung neuer Systeme ist es für Konstrukteure von entscheidender Bedeutung zu wissen, dass die von ihnen verwendeten Transceiver für die neueste und genaueste Interpretation des PROFIBUS-DP-Standards ausgelegt sind.
Grundlagen von PROFIBUS-DP (verteilte Peripheriegeräte).
Der schnellere und einfachere PROFIBUS-DP-Standard entstand 1993 aus seinem langsameren, komplexeren übergeordneten Standard PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). PROFIBUS-DP verfügt außerdem über einen jüngeren, weniger beliebten Peer- oder abgeleiteten Standard, PROFIBUS-PA (Process Automation), der die Manchester Bus Power (MBP)-Übertragung nutzt und über den Bus mit Strom versorgt wird, was ihn ideal für eigensichere Anwendungen in explosionsgefährdeten Umgebungen macht. Aufgrund seiner Plug-{7}}and{8}}Eigenschaften, seiner Flexibilität und seiner Kosten-effizienz ist PROFIBUS-DP jedoch nach wie vor die am weitesten verbreitete PROFIBUS-Version. Von der Verwaltung von Sensoren und Aktoren in Industrieanlagen bis hin zur Kommunikation mit Durchflussmessern in Bahnhöfen und verschiedenen Roboteranwendungen dezentralisiert PROFIBUS-DP I/O-Karten (Master) von Steuerungen an Standorte, die näher an Sensoren und Aktoren liegen (Slaves).
PROFIBUS-DP kann über mehrere Medien kommunizieren, einschließlich Kupferdraht, Glasfaser und sogar Luft in Infrarotkommunikatoren. Das bisher gebräuchlichste Bitübertragungsmedium (Schicht 1 des ISO/OSI-Modells) für PROFIBUS-DP-Master und -Slaves sind Twisted-Pair-Kabel mit RS485-Transceivern. Dies ist angesichts der Hochgeschwindigkeitsdifferenzsignalisierung und der robusten Kommunikation von RS485 über große Entfernungen zwischen mehreren Geräten in lauten Umgebungen nicht überraschend. Mehrere Master, beispielsweise SPS (Programmable Logic Controller), können bis zu 30 Slaves pro Segment in einer linearen Topologie verbinden. Durch den Einsatz von Hubs (parallele Segmente) oder Repeatern (serielle Segmente) kann das Netzwerk auf 124 Slaves erweitert werden. Segmente müssen an beiden Enden durch aktive Terminierung abgeschlossen werden. Alle Slaves können im laufenden Betrieb an den Bus angeschlossen werden.
95 % RS485, 5 % Verwirrung
PROFIBUS-DP übernimmt die meisten Teile des TIA/EIA-485-A RS485-Standards, enthält jedoch Änderungen, die aufgrund größerer Systemprobleme versehentlich übersehen werden können. Entgegen der landläufigen Meinung sind daher nicht alle RS485-Transceiver und -Kabel für PROFIBUS-DP-Netzwerke geeignet. Es bestehen Unterschiede in der Verkabelung, Terminierung, Signalbenennung und den Treiberanforderungen. Wenn Sie diese zu schnell außer Acht lassen, kann dies leicht die Leistung (oder schlimmer noch die Zertifizierung) Ihrer Master- oder Slave-Geräte beeinträchtigen.
Während der RS485-Standard keine Anforderungen an die Verkabelung festlegt, ist ein abgeschirmtes Twisted-Pair-Kabel (STP) mit 120 -Ω zur herkömmlichen Empfehlung geworden. Allerdings empfiehlt PROFIBUS-DP ein 150-Ω-STP-Kabel. Leider können 120 Ω nicht an 150 Ω angenähert werden, und dieser geringfügige Unterschied in der Kabelimpedanz macht tatsächlich die Verwendung unterschiedlicher Kabel erforderlich. PROFIBUS-DP spezifiziert auch maximale Kabellängen, die davon abhängen, welche der 10 Baudratenstufen verwendet werden und von 1.200 m bei 9,6 kbit/s bis 100 m bei 12 Mbit/s reichen.
Natürlich führen unterschiedliche Kabelimpedanzanforderungen zu unterschiedlichen Abschlussanforderungen. Um Signalreflexionen zu minimieren, verwenden RS485-Installationen normalerweise einen einzelnen 120-Ω-Abschlusswiderstand an jedem Ende des Busses, während PROFIBUS-DP ein 171-Ω-Abschlussnetzwerk an jedem Ende empfiehlt. Moment, ist das ein Tippfehler? PROFIBUS-DP empfiehlt 171 Ω. Stimmt das nicht mit der charakteristischen Impedanz von 150 Ω des empfohlenen Kabels überein? Absolut. Abbildung 1 veranschaulicht die Unterschiede zwischen dem Kabel- und Abschlussnetzwerk, das für PROFIBUS-DP und RS485 verwendet wird. Sie sehen zwei 390-Ω-Busvorspannungswiderstände, die mit 220-Ω-Abschlusswiderständen verwendet werden. der Differenzwiderstand beträgt 171 Ω. Dies passt eindeutig nicht perfekt zu einem 150-Ω-Kabel, was zu einer etwas unzureichenden Netzwerkdämpfung führt. Aber keine Sorge, denn dies deutet nur auf einen kleinen Anstieg oder Anstieg der Signalspannung am Kabelempfangsende hin, der doppelt so lange anhält wie die Ausbreitungsverzögerung des Kabels.
Abbildung 1: Unterschiede bei Kabeln, Anschlüssen und Pinbelegungen zwischen RS485- und PROFIBUS-DP-Netzwerken.
Als ob die Kabel-/Abschluss-Diskrepanzen nicht schon genug wären, dürfte die Benennung der Bus-Pins auf den Profibus-Transceivern Ihre Erwartungen noch weiter verwirren. Möglicherweise sind Ihnen die in Abbildung 1 verwendeten umgekehrten Pin-Namen aufgefallen. Bei den meisten generischen RS485-Transceivern ist Pin A der Gleichtakt-Empfängereingang (und der Gleichtakt-Treiberausgang), während Pin B der Differential-{5}-Modus-Empfängerausgang und Treibereingang ist. Allerdings beschreibt der PROFIBUS-Standard die Buspolarität so, dass die Pins B und A vertauscht sind. Warum die Inkonsistenz? Der ursprüngliche TIA/EIA-485-A-Standard definierte die Buspolarität nicht explizit in Bezug auf die logische Signalfunktion, daher interpretierten RS485-IC-Designer die Spezifikation fast ausnahmslos auf eine Weise, während andere sie anders interpretierten. Was bedeutet das für Sie? Insbesondere wenn Sie sowohl RS485- als auch PROFIBUS-DP-Projekte haben, müssen Sie bei der Zuordnung der Transceiver-Bus-Pins zu den Anschlüssen große Aufmerksamkeit auf sich ziehen.
Angesichts der Anzahl vorhandener Transceiver mit undefinierten Spezifikationen ist die Differenztreiber-Ausgangsspannung (V_(OD)) wahrscheinlich die am häufigsten missverstandene oder übersehene Spezifikation in der physikalischen Schicht von PROFIBUS-DP. RS485 spezifiziert V_(OD) zwischen den Leitungen A und B als 1,5 bis 5 V Spitze-zu-Differenz, gemessen an den Treiberanschlüssen unter Verwendung von 54-Ω-Widerständen zwischen A und B. PROFIBUS-DP spezifiziert V_(OD) als 4 bis 7 V Spitze-zu Spitze Differential, gemessen am anderen Ende des Kabels mit Abschlusswiderständen an beiden Enden.
Ein häufiges Missverständnis besteht darin, dass ein RS485-Treiber, wenn er bei einer Last von 54-Ω mehr als 2,1 V erzeugt, die Anforderungen von PROFIBUS-DP erfüllt, wenn er mit einem Netzwerk mit PROFIBUS-DP-Abschluss verwendet wird. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Die Stärke des RS485-Treibers ist möglicherweise zu hoch und überschreitet den 7-V Spitze-zu-Spitze-PROFIBUS-DP-Grenzwert. Beachten Sie, dass alle gängigen „PROFIBUS“-kompatiblen RS485-Transceiver nur ein Minimum V_(OD) (also 2,1 V) ohne Maximum angeben. Die beste Methode, um die Konformität mit PROFIBUS-DP V_(OD) sicherzustellen, besteht darin, den Transceiver mit einer PROFIBUS-Last zu testen.
Abbildung 2 zeigt, wie der robuste PROFIBUS RS485-Transceiver LTC2877 mit einer PROFIBUS-DP-Last und einigen Vorwiderständen getestet wird, um Kabelverluste zu simulieren, wobei V_(OD) (blaue Kurve) vom „Kabelende“ (A' und B') gemessen wird, um eine tatsächliche Einhaltung der PROFIBUS-DP-Spezifikation sicherzustellen. Der LTC2877 wurde außerdem vollständig mit RS485-Lasten getestet, um die VOD-Konformität mit beiden Standards sicherzustellen.
Abbildung 2: Testen der differenziellen Ausgangsspannung (VOD) des LTC2877 mit einer PROFIBUS-DP-Last.
Schutz von PROFIBUS-DP
Der TIA/EIA-485-A-Standard stellt Mindestanforderungen für den Schutz vor Rauschen, Fehlern, ESD, Transienten (elektrische schnelle Transienten) oder Überspannungen bereit. Folglich müssen Hersteller und Entwickler von Transceivern den elektrischen Schutz eigenständig implementieren. Während die Schutzanforderungen je nach Anwendung variieren, bieten bestimmte Transceiver – darunter der in Abbildung 3 gezeigte LTC2877 – einen hochwertigen Schutz, der allen Marktanforderungen gerecht wird.
Der TIE/EIA-485-A-Standard legt fest, dass der Erdungsversatz zwischen zwei Geräten im Netzwerk zwischen –7 und +12 V liegen kann. Bei vielen PROFIBUS-DP-Installationen kann es jedoch zu erheblich höheren Spannungen kommen, was zu schweren Schäden an den PROFIBUS-DP-Transceivern führen kann. PROFIBUS wird häufig in 24-V-Systemen verwendet, wo ein Kurzschluss eines „Standard“-RS485-Geräts mit 24 V tödlich sein kann. Entwickler sollten einen Empfänger mit einem erweiterten Gleichtaktbereich von –25 bis +25 V benötigen. Der Ersatz typischer PROFIBUS-DP-Transceiver durch den mit ±60 V-geschützten LTC2877 verhindert Feldausfälle aufgrund von Überspannungsfehlern, ohne dass kostspielige externe Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Da PROFIBUS-DP-Transceiver praktisch die erste Verteidigungslinie des Systems darstellen, müssen sie sich vor ESD-Überspannungen unterschiedlicher Stärke schützen. Einige PROFIBUS-Transceiver bieten einen 15-kV-ESD-Schutz an ihren Bus-Pins, wenn sie stromlos sind. Andere Produkte wie der LTC2877 bieten einen HBM-ESD-Schutz von ±26 kV gegenüber der Erde oder einem der Netzteile ohne Verriegelung oder Beschädigung, unabhängig davon, ob sie stromlos oder unter Spannung stehen, und in jedem Betriebsmodus. Darüber hinaus sind die Bus-Pins im stromlosen Zustand vor Erd-zu-Erde-Überspannungen von ±52 kV geschützt.
Eine weitere Form der elektrischen Überlastung ist EFT, definiert durch den EFT-Standard IEC 61000-4-4 als Hochspannungsspitzenimpulse mit einer Dauer von 60 Mikrosekunden. Diese Art von Überlastung wird typischerweise durch Lichtbogenkontakte in Schaltern und Relais verursacht, die häufig in Industrieumgebungen vorkommen, in denen elektromechanische Schalter induktive Lasten verbinden und trennen. Sie sollten sicherstellen, dass der ausgewählte Transceiver die höchste Stufe von IEC 61000-4-4, Level 4, erfüllt, was einer Leerlaufspannung von 2 kV an den Bus-Pins entspricht.
Die vielleicht schwerste Form der elektrischen Überlastung ist die von der Natur erzeugte Überspannung in Form eines Blitzes. Daher überrascht es nicht, dass Miniatur-Transceiver-ICs wie der LTC2877 keinen inhärenten Schutz gegen Überspannungen dieser Größenordnung bieten. Stattdessen werden externe Überspannungsschutzkomponenten, einschließlich MOVs, TVS-Dioden, TSPDs (Thyristor Surge Protective Devices) und GDTs (Gasentladungsröhren), typischerweise in PROFIBUS-DP-Systemen verwendet, in denen Komponenten in irgendeiner Weise freigelegt sind. Der LTC2877 kann Blitzeinschlägen allein nicht standhalten, aber sein hoher Pin-Nennwert von ±60 V macht es leicht, externe Schutzkomponenten zu finden, die dieses Schutzniveau bieten können.