La norme de bus de terrain PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) existe depuis plus de deux décennies, mais ses exigences en matière de couche physique restent floues, ce qui entraîne souvent une confusion dans les définitions des émetteurs-récepteurs. Cependant, toute ambiguïté n’a clairement pas empêché PROFIBUS de devenir une solution de bus de terrain très performante, avec plus de 50 millions d’appareils installés dans le monde. À mesure que de nouveaux systèmes sont déployés, il est essentiel que les ingénieurs concepteurs sachent que les émetteurs-récepteurs qu'ils utilisent sont conçus pour l'interprétation la plus récente et la plus précise de la norme PROFIBUS-DP.
PROFIBUS-DP (périphériques distribués) : principes fondamentaux
La norme PROFIBUS-DP, plus rapide et plus simple, a émergé en 1993 à partir de sa norme parente plus lente et plus complexe, PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Spécification). PROFIBUS-DP dispose également d'une norme homologue ou dérivée plus jeune et moins populaire, PROFIBUS-PA (Process Automation), qui utilise la transmission Manchester Bus Power (MBP) et est alimentée via le bus, ce qui la rend idéale pour les applications intrinsèquement sûres dans des environnements dangereux. Cependant, PROFIBUS-DP reste la version PROFIBUS la plus utilisée aujourd'hui en raison de ses caractéristiques-plug and-play, de sa flexibilité et de sa-rentabilité. De la gestion des capteurs et des actionneurs dans les installations industrielles à la communication avec les débitmètres dans les gares de triage et diverses applications robotiques, PROFIBUS-DP décentralise les cartes d'E/S (maîtres) des contrôleurs vers des emplacements plus proches des capteurs et des actionneurs (esclaves).
PROFIBUS-DP peut communiquer sur plusieurs supports, notamment le fil de cuivre, la fibre optique et même l'air dans les communicateurs infrarouges. À ce jour, le support de transmission binaire le plus courant (couche 1 du modèle ISO/OSI) pour les maîtres et esclaves PROFIBUS-DP est un câble à paire torsadée-utilisant des émetteurs-récepteurs RS485. Cela n'est pas surprenant étant donné la signalisation différentielle à haute vitesse-du RS485 et la communication robuste sur de longues distances entre plusieurs appareils dans des environnements bruyants. Plusieurs maîtres, tels que des automates programmables (Programmable Logic Controllers), peuvent connecter jusqu'à 30 esclaves par segment dans une topologie linéaire. L'utilisation de hubs (segments parallèles) ou de répéteurs (segments série) peut étendre le réseau à 124 esclaves. Les segments doivent être terminés aux deux extrémités à l'aide d'une terminaison active. Tous les esclaves peuvent être branchés à chaud-sur le bus,
95 % RS485, 5 % de confusion
PROFIBUS-DP adopte la plupart des normes TIA/EIA-485-A RS485, mais intègre des modifications qui peuvent être négligées par inadvertance en raison de problèmes système plus importants. C'est pourquoi, contrairement à une idée reçue, tous les émetteurs-récepteurs et câbles RS485 ne sont pas adaptés aux réseaux PROFIBUS-DP. Des différences existent au niveau du câblage, de la terminaison, de la dénomination du signal et des exigences du pilote ; les ignorer trop rapidement peut facilement compromettre les performances (ou pire, la certification) de vos appareils maîtres ou esclaves.
Bien que la norme RS485 ne spécifie pas les exigences de câblage, le câble à paire torsadée blindée (STP) de 120-Ω est devenu la recommandation conventionnelle. Cependant, PROFIBUS-DP recommande un câble STP de 150 Ω. Malheureusement, 120 Ω ne peut pas être approché de 150 Ω, et cette légère différence d'impédance du câble nécessite en fait l'utilisation de câbles différents. PROFIBUS-DP spécifie également des longueurs de câble maximales, qui dépendent de l'un des 10 "échelons" de débit en bauds utilisés, allant de 1 200 m à 9,6 kbits/s à 100 m à 12 Mbits/s.
Bien entendu, différentes exigences d'impédance de câble entraînent différentes exigences de terminaison. Pour minimiser les réflexions du signal, les installations RS485 utilisent généralement une seule résistance de terminaison de 120-Ω à chaque extrémité du bus, tandis que PROFIBUS-DP recommande un réseau de terminaison de 171-Ω à chaque extrémité. Attends, c'est une faute de frappe ? PROFIBUS-DP recommande 171 Ω, cela ne correspond-il donc pas à l'impédance caractéristique de 150 Ω du câble recommandé ? Absolument. La figure 1 illustre les différences entre le câble et le réseau de terminaison utilisés pour PROFIBUS-DP et RS485. Vous pouvez voir deux résistances de polarisation de bus de 390 Ω utilisées avec des résistances de terminaison de 220 Ω ; la résistance différentielle est de 171 Ω. Ce n'est clairement pas une solution parfaite pour un câble de 150 Ω, ce qui entraîne un amortissement du réseau légèrement insuffisant. Mais ne vous inquiétez pas, car cela indique seulement une petite bosse ou une augmentation de la tension du signal à l'extrémité de réception du câble, d'une durée deux fois supérieure au délai de propagation du câble.
Figure 1 : Différences de câbles, de terminaisons et d'affectations de broches entre les réseaux RS485 et PROFIBUS-DP.
Si les différences de câble/terminaison ne suffisaient pas, la dénomination des broches de bus sur les émetteurs-récepteurs PROFIBUS devrait encore plus confondre vos attentes. Vous avez peut-être remarqué les noms de broches inversés utilisés dans la figure 1. Dans la plupart des émetteurs-récepteurs RS485 génériques, la broche A est l'entrée du récepteur en mode commun- (et la sortie du pilote en mode commun{{4}), tandis que la broche B est la sortie du récepteur en mode différentiel- et l'entrée du pilote. Cependant, la norme PROFIBUS décrit la polarité du bus de telle manière que les broches B et A sont inversées. Pourquoi cette incohérence ? La norme TIA/EIA-485-A d'origine ne définissait pas explicitement la polarité du bus par rapport à la fonction du signal logique, de sorte que les concepteurs de circuits intégrés RS485 interprétaient presque invariablement la spécification dans un sens, tandis que d'autres l'interprétaient dans un autre. Qu'est-ce que cela signifie pour vous ? Surtout si vous avez à la fois des projets RS485 et PROFIBUS-DP, vous devez faire très attention lors du mappage des broches du bus de l'émetteur-récepteur aux connecteurs.
Compte tenu du nombre d'émetteurs-récepteurs existants avec des spécifications non définies, la tension de sortie du pilote différentiel (V_(OD)) est probablement la spécification la plus mal comprise ou négligée dans la couche physique PROFIBUS-DP. RS485 spécifie V_(OD) entre les lignes A et B comme un différentiel crête de 1,5 à 5 V-à-crête, mesuré aux bornes du pilote à l'aide de résistances de 54-Ω entre A et B. PROFIBUS-DP spécifie V_(OD) comme une crête de 4 à 7 V-à crête différentiel, mesuré à l'extrémité du câble avec des terminaisons aux deux extrémités.
Une idée fausse courante est que si un pilote RS485 produit plus de 2,1 V sur une charge de 54-Ω, il répondra aux exigences PROFIBUS-DP lorsqu'il est utilisé avec un réseau terminé PROFIBUS-DP. Cependant, ce n'est pas toujours vrai. La puissance du pilote RS485 peut être excessive et dépasser la limite de 7 -V crête-à-crête PROFIBUS-DP. Notez que tous les émetteurs-récepteurs RS485 compatibles "PROFIBUS" courants spécifient uniquement un V_(OD) minimum (c'est-à-dire 2,1 V) sans maximum. La meilleure méthode pour garantir la conformité PROFIBUS-DP V_(OD) consiste à tester l'émetteur-récepteur à l'aide d'une charge PROFIBUS.
La figure 2 illustre comment tester l'émetteur-récepteur PROFIBUS RS485 robuste LTC2877 à l'aide d'une charge PROFIBUS-DP et de certaines résistances série pour simuler la perte de câble, où V_(OD) (courbe bleue) est mesuré à partir de « l'extrémité du câble » (A' et B') pour garantir une véritable conformité avec la spécification PROFIBUS-DP. Le LTC2877 est également entièrement testé avec des charges RS485 pour garantir la conformité VOD aux deux normes.
Figure 2 : Test de la tension de sortie différentielle (VOD) du LTC2877 à l'aide d'une charge PROFIBUS-DP.
Protection de PROFIBUS-DP
La norme TIA/EIA-485-A fournit des exigences minimales en matière de protection contre le bruit, les défauts, les décharges électrostatiques, les transitoires (transitoires électriques rapides) ou les surtensions. Par conséquent, les fabricants et concepteurs d’émetteurs-récepteurs doivent mettre en œuvre la protection électrique de manière indépendante. Bien que les exigences de protection varient selon l'application, certains émetteurs-récepteurs, notamment le LTC2877 illustré à la figure 3, offrent une protection de haut niveau qui répond à toutes les demandes du marché.
La norme TIE/EIA-485-A spécifie que le décalage de masse entre deux appareils sur le réseau peut aller de –7 à +12 V. Cependant, de nombreuses installations PROFIBUS-DP peuvent rencontrer des tensions nettement supérieures à cela, ce qui peut causer de graves dommages aux émetteurs-récepteurs PROFIBUS-DP. PROFIBUS est couramment utilisé dans les systèmes 24 V, où le court-circuit d'un périphérique RS485 « standard » à 24 V peut être fatal. Les concepteurs doivent avoir besoin d'un récepteur avec une plage de mode commun étendue-de –25 à +25 V. Le remplacement des émetteurs-récepteurs PROFIBUS-DP classiques par le LTC2877 protégé à ±60 V-élimine les pannes de champ dues à des défauts de surtension sans nécessiter une protection externe coûteuse. Étant donné que les émetteurs-récepteurs PROFIBUS-DP constituent effectivement la première ligne de défense du système, ils doivent se protéger contre différents niveaux de surtensions ESD. Certains émetteurs-récepteurs PROFIBUS offrent une protection ESD de 15 kV sur leurs broches de bus lorsqu'ils sont hors tension ; d'autres produits, tels que le LTC2877, offrent une protection ESD HBM de ± 26 kV par rapport à la terre ou à l'alimentation électrique sans verrouillage ni dommage, qu'ils soient hors tension ou sous tension, et dans n'importe quel mode de fonctionnement. De plus, les broches du bus sont protégées contre les surtensions terre-terre de ±52 kV lorsqu'elles ne sont pas alimentées.
Une autre forme de surcharge électrique est l'EFT, définie par la norme EFT CEI 61000-4-4 comme des impulsions de pointe à haute tension d'une durée de 60 microsecondes. Ce type de surcharge est généralement provoqué par des contacts d'arc dans les interrupteurs et les relais, courants dans les environnements industriels où les interrupteurs électromécaniques connectent et déconnectent des charges inductives. Ils doivent s'assurer que l'émetteur-récepteur sélectionné répond au niveau le plus élevé de la norme CEI 61000-4-4, niveau 4, équivalent à une tension en circuit ouvert de 2 kV sur les broches du bus.
La forme de surcharge électrique la plus grave est peut-être la surtension provoquée par la nature sous forme de foudre. Il n’est donc pas surprenant que les circuits intégrés d’émetteur-récepteur miniatures comme le LTC2877 ne disposent pas d’une protection inhérente contre les surtensions de cette ampleur. Au lieu de cela, des composants externes de protection contre les surtensions, notamment des MOV, des diodes TVS, des TSPD (dispositifs de protection contre les surtensions à thyristors) et des GDT (tubes à décharge à gaz), sont généralement utilisés dans les systèmes PROFIBUS-DP où les composants sont exposés de quelque manière que ce soit. Le LTC2877 ne peut pas résister seul aux coups de foudre, mais son calibre de broche élevé de ±60 V permet de trouver facilement des composants de protection externes capables de fournir ce niveau de protection.