El estándar de bus de campo PROFIBUS-DP (periféricos distribuidos) existe desde hace más de dos décadas, pero sus requisitos de capa física siguen sin estar claros, lo que con frecuencia genera confusión en las definiciones de transceptor. Sin embargo, es evidente que cualquier ambigüedad no ha impedido que PROFIBUS se convierta en una solución de bus de campo de gran éxito, con más de 50 millones de dispositivos instalados en todo el mundo. A medida que se implementan nuevos sistemas, es fundamental que los ingenieros de diseño sepan que los transceptores que utilizan están diseñados para la interpretación más reciente y precisa del estándar PROFIBUS-DP.
Fundamentos de PROFIBUS-DP (periféricos distribuidos)
El estándar PROFIBUS{0}}DP, más rápido y sencillo, surgió en 1993 a partir de su estándar principal más lento y complejo, PROFIBUS FMS (especificación de mensajes de bus de campo). PROFIBUS-DP también tiene un estándar derivado o similar más joven y menos popular, PROFIBUS-PA (Automatización de procesos), que utiliza transmisión Manchester Bus Power (MBP) y se alimenta a través del bus, lo que lo hace ideal para aplicaciones intrínsecamente seguras en entornos peligrosos. Sin embargo, PROFIBUS-DP sigue siendo la versión PROFIBUS más utilizada hoy en día debido a sus características plug-and-play, flexibilidad y rentabilidad-. Desde la gestión de sensores y actuadores en plantas industriales hasta la comunicación con medidores de flujo en patios ferroviarios y diversas aplicaciones robóticas, PROFIBUS-DP descentraliza las tarjetas de E/S (maestras) de los controladores a ubicaciones más cercanas a los sensores y actuadores (esclavos).
PROFIBUS-DP puede comunicarse a través de múltiples medios, incluidos cables de cobre, fibra óptica e incluso aire en comunicadores infrarrojos. Hasta la fecha, el medio de transmisión de bits más común (Capa 1 del modelo ISO/OSI) para maestros y esclavos PROFIBUS-DP es un cable de par-trenzado que utiliza transceptores RS485. Esto no es sorprendente dada la señalización diferencial de alta-velocidad del RS485 y la sólida comunicación a largas distancias entre múltiples dispositivos en ambientes ruidosos. Varios maestros, como PLC (controladores lógicos programables), pueden conectar hasta 30 esclavos por segmento en una topología lineal. El uso de concentradores (segmentos paralelos) o repetidores (segmentos serie) puede ampliar la red a 124 esclavos. Los segmentos deben terminarse en ambos extremos mediante terminación activa. Todos los esclavos se pueden conectar-en caliente al bus,
95% RS485, 5% confusión
PROFIBUS-DP adopta la mayor parte del estándar TIA/EIA-485-A RS485, pero incorpora modificaciones que pueden pasarse por alto inadvertidamente debido a problemas más importantes del sistema. Por lo tanto, contrariamente a la creencia común, no todos los transceptores y cables RS485 son adecuados para redes PROFIBUS-DP. Existen diferencias en el cableado, la terminación, la denominación de las señales y los requisitos del controlador; Pasarlos por alto demasiado rápido puede comprometer fácilmente el rendimiento (o peor aún, la certificación) de sus dispositivos maestros o esclavos.
Si bien el estándar RS485 no especifica requisitos de cableado, el cable de par trenzado blindado (STP) de 120-Ω se ha convertido en la recomendación convencional. Sin embargo, PROFIBUS-DP recomienda un cable STP de 150 Ω. Desafortunadamente, 120 Ω no se pueden aproximar a 150 Ω y esta ligera diferencia en la impedancia del cable en realidad requiere el uso de cables diferentes. PROFIBUS-DP también especifica longitudes máximas de cable, que dependen de cuál de los 10 "pasos" de velocidad de baudios se utiliza, que van desde 1200 m a 9,6 kbits/s hasta 100 m a 12 Mbits/s.
Por supuesto, diferentes requisitos de impedancia del cable conllevan diferentes requisitos de terminación. Para minimizar los reflejos de la señal, las instalaciones RS485 suelen utilizar una única resistencia terminal de 120-Ω en cada extremo del bus, mientras que PROFIBUS-DP recomienda una red terminal de 171-Ω en cada extremo. Espera, ¿es eso un error tipográfico? PROFIBUS-DP recomienda 171 Ω, entonces, ¿no coincide eso con la impedancia característica de 150 Ω del cable recomendado? Absolutamente. La Figura 1 ilustra las diferencias entre el cable y la red de terminación utilizados para PROFIBUS-DP frente a RS485. Puede ver dos resistencias de polarización de bus de 390 Ω utilizadas con resistencias terminales de 220 Ω; la resistencia diferencial es de 171 Ω. Claramente, esta no es una combinación perfecta para el cable de 150 Ω, lo que resulta en una amortiguación de la red ligeramente insuficiente. Pero no se preocupe, porque esto indica sólo un pequeño aumento o aumento en el voltaje de la señal en el extremo receptor del cable, que dura el doble del retraso de propagación del cable.
Figura 1: Diferencias en cables, terminaciones y asignaciones de pines entre las redes RS485 y PROFIBUS-DP.
Si las discrepancias entre cables y terminaciones no fueran suficientes, la denominación de los pines del bus en los transceptores PROFIBUS debería confundir aún más sus expectativas. Es posible que hayas notado los nombres de pines invertidos utilizados en la Figura 1. En la mayoría de los transceptores RS485 genéricos, el pin A es la entrada del receptor en modo común-(y la salida del controlador en modo común-), mientras que el pin B es la salida del receptor en modo diferencial-y la entrada del controlador. Sin embargo, el estándar PROFIBUS describe la polaridad del bus de tal manera que los pines B y A están invertidos. ¿Por qué la inconsistencia? El estándar TIA/EIA-485-A original no definía explícitamente la polaridad del bus en relación con la función de la señal lógica, por lo que los diseñadores de circuitos integrados RS485 casi invariablemente interpretaron la especificación de una manera, mientras que otros la interpretaron de otra. ¿Qué significa esto para ti? Especialmente si tiene proyectos RS485 y PROFIBUS-DP, debe prestar mucha atención al asignar los pines del bus del transceptor a los conectores.
Dada la cantidad de transceptores existentes con especificaciones indefinidas, el voltaje de salida del controlador diferencial (V_(OD)) es probablemente la especificación más incomprendida o pasada por alto en la capa física de PROFIBUS-DP. RS485 especifica V_(OD) entre las líneas A y B como un diferencial de pico-a-pico de 1,5 a 5 V, medido en los terminales del controlador utilizando resistencias de 54-Ω entre A y B. PROFIBUS-DP especifica V_(OD) como de 4 a 7 V pico-a pico diferencial, medido en el extremo más alejado del cable con terminadores en ambos extremos.
Un error común es que si un controlador RS485 produce más de 2,1 V en una carga de 54-Ω, cumplirá con los requisitos de PROFIBUS-DP cuando se utilice con una red terminada en PROFIBUS-DP. Sin embargo, esto no siempre es cierto. La potencia del controlador RS485 puede ser excesiva y exceder el límite de 7-V pico-a-pico PROFIBUS-DP. Tenga en cuenta que todos los transceptores RS485 compatibles con "PROFIBUS" comunes especifican sólo un V_(OD) mínimo (es decir, 2,1 V) sin un máximo. El mejor método para garantizar el cumplimiento de PROFIBUS-DP V_(OD) es probar el transceptor utilizando una carga PROFIBUS.
La Figura 2 ilustra cómo probar el transceptor PROFIBUS RS485 resistente LTC2877 usando una carga PROFIBUS-DP y algunas resistencias en serie para simular la pérdida del cable, donde V_(OD) (curva azul) se mide desde el "extremo del cable" (A' y B') para garantizar el verdadero cumplimiento con la especificación PROFIBUS-DP. El LTC2877 también se prueba completamente con cargas RS485 para garantizar el cumplimiento de VOD con ambos estándares.
Figura 2: Prueba del voltaje de salida diferencial (VOD) del LTC2877 usando una carga PROFIBUS-DP.
Protección de PROFIBUS-DP
El estándar TIA/EIA-485-A proporciona requisitos mínimos de protección contra ruido, fallas, ESD, transitorios (transitorios eléctricos rápidos) o sobretensiones. En consecuencia, los fabricantes y diseñadores de transceptores deben implementar la protección eléctrica de forma independiente. Si bien los requisitos de protección varían según la aplicación, ciertos transceptores, incluido el LTC2877 que se muestra en la Figura 3, ofrecen protección de alto nivel que satisface todas las demandas del mercado.
El estándar TIE/EIA-485-A especifica que la compensación de tierra entre dos dispositivos en la red puede variar de –7 a +12 V. Sin embargo, muchas instalaciones PROFIBUS-DP pueden encontrar voltajes significativamente más altos que esto, lo que puede causar daños graves a los transceptores PROFIBUS-DP. PROFIBUS se usa comúnmente en sistemas de 24 V, donde un cortocircuito de un dispositivo RS485 "estándar" a 24 V puede ser fatal. Los diseñadores deben requerir un receptor con un rango de modo común-ampliado de –25 a +25 V. Reemplazar los transceptores PROFIBUS-DP típicos con el LTC2877 protegido de ±60 V-elimina fallas de campo debido a fallas de sobretensión sin requerir una costosa protección externa. Dado que los transceptores PROFIBUS-DP son efectivamente la primera línea de defensa del sistema, deben protegerse contra varios niveles de sobretensiones de ESD. Algunos transceptores PROFIBUS ofrecen protección ESD de 15 kV en sus pines de bus cuando están desenergizados; Otros productos, como el LTC2877, brindan protección ESD HBM de ±26 kV en relación con tierra o fuente de alimentación sin bloqueos ni daños, ya sea energizados o desenergizados, y en cualquier modo de funcionamiento. Además, los pines del bus están protegidos contra sobretensiones de tierra a tierra de ±52 kV cuando no están alimentados.
Otra forma de sobretensión eléctrica es la EFT, definida por el estándar EFT IEC 61000-4-4 como pulsos de picos de alto voltaje que duran 60 microsegundos. Este tipo de sobretensión suele ser causado por contactos de arco en interruptores y relés, algo común en entornos industriales donde los interruptores electromecánicos conectan y desconectan cargas inductivas. Deben garantizar que el transceptor seleccionado cumpla con el nivel más alto de IEC 61000-4-4, Nivel 4, equivalente a un voltaje de circuito abierto de 2 kV en los pines del bus.
Quizás la forma más grave de sobrecarga eléctrica sea la sobretensión provocada por la naturaleza en forma de relámpago. Por lo tanto, no sorprende que los circuitos integrados de transceptores en miniatura como el LTC2877 carezcan de protección inherente contra sobretensiones de esta magnitud. En cambio, los componentes externos de protección contra sobretensiones, incluidos MOV, diodos TVS, TSPD (dispositivos de protección contra sobretensiones de tiristores) y GDT (tubos de descarga de gas), se utilizan normalmente en sistemas PROFIBUS-DP donde los componentes están expuestos de alguna manera. El LTC2877 no puede resistir los rayos por sí solo, pero su alta clasificación de pines de ±60 V facilita la búsqueda de componentes de protección externos capaces de proporcionar este nivel de protección.