Tiêu chuẩn bus trường PROFIBUS-DP (Thiết bị ngoại vi phân tán) đã tồn tại hơn hai thập kỷ nhưng các yêu cầu về lớp vật lý của nó vẫn chưa rõ ràng, thường dẫn đến nhầm lẫn trong định nghĩa bộ thu phát. Tuy nhiên, bất kỳ sự mơ hồ nào rõ ràng cũng không ngăn cản PROFIBUS trở thành một giải pháp fieldbus rất thành công, với hơn 50 triệu thiết bị được cài đặt trên toàn thế giới. Khi các hệ thống mới được triển khai, điều quan trọng là các kỹ sư thiết kế phải biết rằng bộ thu phát họ sử dụng được thiết kế để diễn giải tiêu chuẩn PROFIBUS-DP mới nhất và chính xác nhất.
PROFIBUS-Các nguyên tắc cơ bản về DP (Thiết bị ngoại vi được phân phối)
Tiêu chuẩn PROFIBUS{0}}DP nhanh hơn, đơn giản hơn xuất hiện vào năm 1993 từ tiêu chuẩn gốc chậm hơn và phức tạp hơn của nó, PROFIBUS FMS (Đặc tả thông báo Fieldbus). PROFIBUS-DP cũng có tiêu chuẩn phái sinh hoặc ngang hàng mới hơn, ít phổ biến hơn, PROFIBUS-PA (Tự động hóa quy trình), sử dụng đường truyền Manchester Bus Power (MBP) và được cấp nguồn qua bus, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng vốn dĩ an toàn trong môi trường nguy hiểm. Tuy nhiên, PROFIBUS-DP vẫn là phiên bản PROFIBUS được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay do các đặc tính cắm-và-chạy, tính linh hoạt và hiệu quả về chi phí-. Từ việc quản lý cảm biến và bộ truyền động trong các nhà máy công nghiệp đến giao tiếp với đồng hồ đo lưu lượng trong sân đường sắt và các ứng dụng robot khác nhau, PROFIBUS{11}}DP phân cấp thẻ I/O (chính) từ bộ điều khiển đến các vị trí gần cảm biến và bộ truyền động (phụ).
PROFIBUS-DP có thể giao tiếp qua nhiều phương tiện, bao gồm dây đồng, cáp quang và thậm chí cả không khí trong thiết bị giao tiếp hồng ngoại. Cho đến nay, phương tiện truyền bit phổ biến nhất (Lớp 1 của mô hình ISO/OSI) dành cho PROFIBUS-DP chính và phụ là cáp xoắn đôi-sử dụng bộ thu phát RS485. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì tín hiệu-tốc độ cao và khả năng liên lạc mạnh mẽ của RS485 trên khoảng cách xa giữa nhiều thiết bị trong môi trường ồn ào. Nhiều thiết bị chủ, chẳng hạn như PLC (Bộ điều khiển logic lập trình), có thể kết nối tối đa 30 thiết bị phụ trên mỗi phân đoạn trong cấu trúc liên kết tuyến tính. Việc sử dụng các hub (phân đoạn song song) hoặc bộ lặp (phân đoạn nối tiếp) có thể mở rộng mạng lên 124 nô lệ. Các phân đoạn phải được kết thúc ở cả hai đầu bằng cách sử dụng tính năng kết thúc hoạt động. Tất cả nô lệ đều có thể được cắm nóng{15}}vào xe buýt,
95% RS485, 5% nhầm lẫn
PROFIBUS-DP áp dụng hầu hết tiêu chuẩn TIA/EIA-485-A RS485 nhưng kết hợp các sửa đổi có thể vô tình bị bỏ qua do những lo ngại về hệ thống lớn hơn. Do đó, trái với suy nghĩ thông thường, không phải tất cả các bộ thu phát và cáp RS485 đều phù hợp với mạng PROFIBUS-DP. Có sự khác biệt trong các yêu cầu về hệ thống dây điện, đầu cuối, đặt tên tín hiệu và trình điều khiển; Việc bỏ qua những điều này quá nhanh có thể dễ dàng làm giảm hiệu suất (hoặc tệ hơn là chứng nhận) của thiết bị chính hoặc thiết bị phụ của bạn.
Mặc dù tiêu chuẩn RS485 không chỉ định các yêu cầu về dây dẫn, nhưng cáp xoắn đôi có vỏ bọc (STP) 120-Ω đã trở thành khuyến nghị thông thường. Tuy nhiên, PROFIBUS-DP khuyên dùng cáp 150-Ω STP. Thật không may, 120 Ω không thể xấp xỉ bằng 150 Ω và sự khác biệt nhỏ về trở kháng cáp này thực sự đòi hỏi phải sử dụng các loại cáp khác nhau. PROFIBUS-DP cũng chỉ định độ dài cáp tối đa, tùy thuộc vào "bước" tốc độ 10 baud nào được sử dụng, từ 1.200 m ở tốc độ 9,6 kbits/s đến 100 m ở tốc độ 12 Mbits/s.
Tất nhiên, các yêu cầu trở kháng cáp khác nhau sẽ dẫn đến các yêu cầu đầu cuối khác nhau. Để giảm thiểu phản xạ tín hiệu, cài đặt RS485 thường sử dụng một điện trở đầu cuối 120-Ω ở mỗi đầu của bus, trong khi PROFIBUS-DP khuyến nghị mạng đầu cuối 171-Ω ở mỗi đầu. Đợi đã, đó có phải là lỗi đánh máy không? PROFIBUS-DP khuyến nghị 171 Ω, vậy có phải điều đó không khớp với trở kháng đặc tính 150-Ω của cáp được khuyến nghị không? Tuyệt đối. Hình 1 minh họa sự khác biệt giữa cáp và mạng đầu cuối được sử dụng cho PROFIBUS-DP so với RS485. Bạn có thể thấy hai điện trở phân cực bus 390-Ω được sử dụng với các điện trở kết thúc 220-Ω; điện trở chênh lệch là 171 Ω. Đây rõ ràng không phải là sự kết hợp hoàn hảo cho cáp 150-Ω, dẫn đến khả năng giảm chấn mạng hơi không đủ. Nhưng đừng lo lắng, vì điều này chỉ cho thấy một sự va chạm nhỏ hoặc tăng điện áp tín hiệu ở đầu nhận cáp, kéo dài gấp đôi độ trễ truyền sóng của cáp.
Hình 1: Sự khác biệt về cáp, đầu cuối và cách gán chân giữa mạng RS485 và PROFIBUS-DP.
Nếu sự không phù hợp giữa cáp/đầu cuối là chưa đủ thì việc đặt tên cho các chân bus trên bộ thu phát PROFIBUS sẽ làm bạn bối rối hơn nữa. Bạn có thể nhận thấy tên chân cắm đảo ngược được sử dụng trong Hình 1. Trong hầu hết các bộ thu phát RS485 thông thường, chân A là đầu vào bộ thu chế độ-chung (và đầu ra trình điều khiển chế độ{4}}chung), trong khi chân B là đầu ra bộ thu chế độ vi sai-và đầu vào trình điều khiển. Tuy nhiên, tiêu chuẩn PROFIBUS mô tả cực tính của bus theo cách mà các chân B và A bị đảo ngược. Tại sao lại có sự không nhất quán? Tiêu chuẩn TIA/EIA{12}}485-A ban đầu không xác định rõ ràng độ phân cực của bus liên quan đến chức năng tín hiệu logic, do đó, các nhà thiết kế IC RS485 hầu như luôn diễn giải thông số kỹ thuật theo một cách, trong khi những người khác lại diễn giải nó theo cách khác. Điều này có ý nghĩa gì với bạn? Đặc biệt nếu bạn có cả dự án RS485 và PROFIBUS-DP, bạn phải hết sức chú ý khi ánh xạ các chân bus thu phát tới các đầu nối.
Với số lượng bộ thu phát hiện có có thông số kỹ thuật không xác định, điện áp đầu ra của trình điều khiển vi sai (V_(OD)) có thể là thông số kỹ thuật bị hiểu sai hoặc bị bỏ qua nhiều nhất trong lớp vật lý PROFIBUS-DP. RS485 chỉ định V_(OD) giữa các đường A và B là chênh lệch đỉnh-đến-đỉnh 1,5 đến 5 V, được đo tại các đầu cực của trình điều khiển bằng cách sử dụng điện trở 54-Ω giữa A và B. PROFIBUS-DP chỉ định V_(OD) là 4 đến 7 V đỉnh-đến đỉnh vi sai, được đo ở đầu xa của cáp với các đầu cuối ở cả hai đầu.
Một quan niệm sai lầm phổ biến là nếu trình điều khiển RS485 tạo ra điện áp trên 2,1 V trên tải 54-Ω thì nó sẽ đáp ứng các yêu cầu PROFIBUS-DP khi sử dụng với mạng kết thúc PROFIBUS-DP. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng. Cường độ của trình điều khiển RS485 có thể quá mức và vượt quá giới hạn DP 7-V đỉnh-đến-đỉnh PROFIBUS{20}}DP. Lưu ý rằng tất cả các bộ thu phát RS485 tương thích "PROFIBUS" phổ biến chỉ chỉ định V_(OD) tối thiểu (tức là 2,1 V) mà không có mức tối đa. Phương pháp tốt nhất để đảm bảo tuân thủ PROFIBUS-DP V_(OD) là kiểm tra bộ thu phát bằng tải PROFIBUS.
Hình 2 minh họa cách kiểm tra bộ thu phát PROFIBUS RS485 chắc chắn LTC2877 bằng cách sử dụng tải PROFIBUS-DP và một số điện trở nối tiếp để mô phỏng hiện tượng mất cáp, trong đó V_(OD) (đường cong màu xanh) được đo từ "đầu cáp" (A' và B') để đảm bảo tuân thủ thực sự với thông số kỹ thuật PROFIBUS-DP. LTC2877 cũng được kiểm tra đầy đủ với tải RS485 để đảm bảo tuân thủ VOD với cả hai tiêu chuẩn.
Hình 2: Kiểm tra điện áp đầu ra vi sai (VOD) LTC2877 bằng tải PROFIBUS-DP.
Bảo vệ PROFIBUS-DP
Tiêu chuẩn TIA/EIA-485{6}}A cung cấp các yêu cầu tối thiểu để bảo vệ khỏi tiếng ồn, sự cố, ESD, quá độ (quá độ nhanh về điện) hoặc đột biến điện. Do đó, các nhà sản xuất và thiết kế bộ thu phát phải thực hiện bảo vệ điện một cách độc lập. Mặc dù các yêu cầu bảo vệ khác nhau tùy theo ứng dụng, nhưng một số bộ thu phát nhất định - bao gồm LTC2877 được hiển thị trong Hình 3 - cung cấp khả năng bảo vệ cấp cao đáp ứng mọi nhu cầu của thị trường.
Tiêu chuẩn TIE/EIA-485-chỉ định rằng độ lệch mặt đất giữa hai thiết bị trên mạng có thể nằm trong khoảng từ –7 đến +12 V. Tuy nhiên, nhiều cài đặt PROFIBUS-DP có thể gặp phải điện áp cao hơn đáng kể so với mức này, điều này có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho bộ thu phát PROFIBUS-DP. PROFIBUS thường được sử dụng trong các hệ thống 24V, trong đó việc rút ngắn thiết bị RS485 "tiêu chuẩn" xuống 24V có thể gây tử vong. Các nhà thiết kế nên yêu cầu một bộ thu có phạm vi chế độ-chung phổ biến mở rộng từ –25 đến +25 V. Việc thay thế các bộ thu phát PROFIBUS-DP điển hình bằng LTC2877 được bảo vệ bằng ±60V-sẽ giúp loại bỏ các lỗi trường do lỗi quá điện áp mà không yêu cầu biện pháp bảo vệ bên ngoài tốn kém. Vì bộ thu phát PROFIBUS{26}}DP là tuyến phòng thủ đầu tiên của hệ thống một cách hiệu quả nên chúng phải tự bảo vệ mình trước các mức tăng vọt ESD khác nhau. Một số bộ thu phát PROFIBUS cung cấp khả năng bảo vệ ESD 15kV trên các chân bus của chúng khi{29}}ngắt điện; các sản phẩm khác, chẳng hạn như LTC2877, cung cấp khả năng bảo vệ ±26kV HBM ESD so với mặt đất hoặc nguồn điện mà không bị chốt hoặc hư hỏng, cho dù bị ngắt điện hay cấp điện và ở bất kỳ chế độ vận hành nào. Ngoài ra, các chân bus được bảo vệ chống lại các xung điện từ đất xuống đất ±52kV khi không được cấp nguồn.
Một dạng quá áp điện khác là EFT, được xác định theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-4 EFT là các xung điện áp cao tăng vọt kéo dài 60 micro giây. Loại quá ứng suất này thường được gây ra bởi các tiếp điểm phóng hồ quang trong công tắc và rơle, thường gặp trong môi trường công nghiệp nơi các công tắc cơ điện kết nối và ngắt kết nối tải cảm ứng. Họ phải đảm bảo bộ thu phát được chọn đáp ứng mức cao nhất của IEC 61000-4-4, Cấp 4, tương đương với điện áp mạch hở 2 kV trên các chân bus.
Có lẽ dạng quá tải điện nghiêm trọng nhất là sự đột biến do thiên nhiên gây ra dưới dạng sét. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các IC thu phát thu nhỏ như LTC2877 thiếu khả năng bảo vệ vốn có trước các xung đột biến ở cường độ này. Thay vào đó, các thành phần chống sét lan truyền bên ngoài, bao gồm MOV, điốt TVS, TSPD (Thiết bị chống sốc điện Thyristor) và GDT (Ống phóng điện khí), thường được sử dụng trong các hệ thống PROFIBUS-DP nơi các bộ phận đều lộ ra ngoài theo bất kỳ cách nào. LTC2877 không thể chỉ chịu được sét đánh nhưng định mức chân cắm ±60V cao giúp bạn dễ dàng tìm thấy các bộ phận bảo vệ bên ngoài có khả năng cung cấp mức bảo vệ này.