PROFIBUS-DP (分散型ペリフェラル) フィールドバス規格は 20 年以上存在していますが、物理層の要件は不明瞭なままであり、トランシーバーの定義で頻繁に混乱を引き起こしています。しかし、いかなる曖昧さがあっても、PROFIBUS が世界中で 5,000 万台以上のデバイスに設置され、大成功を収めたフィールドバス ソリューションになることを妨げるものではないことは明らかです。新しいシステムを展開する場合、設計エンジニアは、使用するトランシーバーが PROFIBUS-DP 規格を最新かつ最も正確に解釈できるように設計されていることを知ることが重要です。
PROFIBUS-DP (分散型ペリフェラル) の基礎
より高速でシンプルな PROFIBUS-DP 標準は、より低速でより複雑な親標準である PROFIBUS FMS (フィールドバス メッセージ仕様) から 1993 年に登場しました。 PROFIBUS-DP には、より新しく、あまり普及していないピアまたは派生規格である PROFIBUS-PA (プロセス オートメーション) もあり、マンチェスター バス パワー (MBP) 伝送を使用し、バス経由で電力供給されるため、危険な環境での本質安全アプリケーションに最適です。ただし、PROFIBUS-DP は、そのプラグアンドプレイ特性、柔軟性、費用対効果の高さにより、現在でも最も広く使用されている PROFIBUS バージョンです。産業プラントのセンサーやアクチュエーターの管理から、鉄道操車場やさまざまなロボットアプリケーションの流量計との通信に至るまで、PROFIBUS-DP は、I/O カード (マスター) をコントローラーからセンサーやアクチュエーター (スレーブ) に近い場所に分散させます。
PROFIBUS-DP は、銅線、光ファイバー、さらには赤外線通信器の空気など、複数のメディアを介して通信できます。現在まで、PROFIBUS-DP マスターおよびスレーブの最も一般的なビット伝送媒体 (ISO/OSI モデルのレイヤー 1) は、RS485 トランシーバーを使用したツイストペア ケーブルです。 RS485 の高速差動信号と、ノイズの多い環境での複数のデバイス間の長距離にわたる堅牢な通信を考慮すると、これは驚くべきことではありません。 PLC (プログラマブル ロジック コントローラー) などの複数のマスターは、線形トポロジーでセグメントごとに最大 30 台のスレーブを接続できます。ハブ (パラレル セグメント) またはリピーター (シリアル セグメント) を使用すると、ネットワークを 124 のスレーブに拡張できます。セグメントはアクティブ終端を使用して両端で終端する必要があります。すべてのスレーブはバスにホットプラグ接続できます。
95% RS485、5% 混乱
PROFIBUS-DP は TIA/EIA-485-A RS485 標準の大部分を採用していますが、より大きなシステム上の懸念によりうっかり見落とされる可能性のある変更が組み込まれています。したがって、一般に信じられていることに反して、すべての RS485 トランシーバおよびケーブルが PROFIBUS-DP ネットワークに適しているわけではありません。配線、終端、信号の命名、およびドライバーの要件に違いがあります。これらをすぐに見落とすと、マスター デバイスまたはスレーブ デバイスのパフォーマンス (さらに悪いことに、認証) が簡単に損なわれる可能性があります。
RS485 規格では配線要件は指定されていませんが、120 Ω シールド付きツイストペア (STP) ケーブルが従来から推奨されています。ただし、PROFIBUS-DP では 150Ω STP ケーブルを推奨します。残念ながら、120 Ω を 150 Ω に近似することはできず、ケーブル インピーダンスのこのわずかな違いにより、実際には別のケーブルを使用する必要があります。 PROFIBUS-DP は、最大ケーブル長も指定します。これは、10 のボーレート「ステップ」のどれが使用されるかに応じて、9.6 kbits/s で 1,200 m から 12 Mbits/s で 100 m までの範囲です。
もちろん、ケーブルのインピーダンス要件が異なれば、終端要件も異なります。信号の反射を最小限に抑えるために、RS485 の設置では通常、バスの両端に 120 Ω の終端抵抗を 1 つ使用しますが、PROFIBUS-DP では両端に 171 Ω の終端ネットワークを推奨します。ちょっと待って、それはタイプミスですか？ PROFIBUS-DP は 171 Ω を推奨していますが、これは推奨ケーブルの特性インピーダンス 150 Ω と不一致ではありませんか?絶対に。図 1 は、PROFIBUS-DP と RS485 で使用されるケーブルと終端ネットワークの違いを示しています。 2 つの 390 Ω バス バイアス抵抗が 220 Ω 終端抵抗とともに使用されていることがわかります。微分抵抗は 171 Ω です。これは明らかに 150 Ω ケーブルに完全に適合しておらず、ネットワークのダンピングがわずかに不十分になります。ただし、これはケーブル受信端での信号電圧の小さなバンプまたは増加を示しており、ケーブルの伝播遅延の 2 倍持続するだけであるため、心配する必要はありません。
図 1: RS485 ネットワークと PROFIBUS-DP ネットワーク間のケーブル、終端、ピン割り当ての違い。
ケーブル/終端の不一致だけでは不十分な場合は、PROFIBUS トランシーバのバス ピンの名前がさらに予想を混乱させるはずです。図 1 で使用されているピン名が逆になっていることに気づいたかもしれません。ほとんどの汎用 RS485 トランシーバでは、ピン A がコモンモード レシーバ入力 (およびコモンモード ドライバ出力) であり、ピン B が差動モード レシーバ出力およびドライバ入力です。ただし、PROFIBUS 規格では、ピン B と A が逆になるようにバス極性を記述しています。なぜ矛盾が生じるのでしょうか?オリジナルの TIA/EIA-485-A 規格では、論理信号機能に関連するバス極性が明示的に定義されていなかったため、RS485 IC 設計者はほぼ常に仕様を一方的に解釈し、他の設計者は別の方向に解釈していました。これはあなたにとって何を意味しますか?特に、RS485 プロジェクトと PROFIBUS-DP プロジェクトの両方がある場合は、トランシーバー バス ピンをコネクタにマッピングするときに細心の注意を払う必要があります。
未定義の仕様を持つ既存のトランシーバの数を考慮すると、差動ドライバ出力電圧 (V_(OD)) は、PROFIBUS-DP 物理層で最も誤解または見落とされている仕様である可能性があります。 RS485 は、ライン A と B の間の V_(OD) を、A と B 間の 54 Ω 抵抗を使用してドライバ端子で測定した 1.5 ～ 5 V ピークツーピーク差動として指定します。PROFIBUS-DP は、V_(OD) を両端にターミネータを備えたケーブルの遠端で測定した 4 ～ 7 V ピークツーピーク差動として指定します。
よくある誤解は、RS485 ドライバが 54 Ω 負荷で 2.1 V 以上を生成する場合、PROFIBUS-DP 終端ネットワークで使用すると PROFIBUS-DP 要件を満たすというものです。ただし、これは常に真実であるとは限りません。 RS485 ドライバの強度が過剰で、PROFIBUS-DP の 7 V ピークツーピーク制限を超えている可能性があります。すべての一般的な「PROFIBUS」互換 RS485 トランシーバーは、最大値なしで最小 V_(OD) (つまり 2.1 V) のみを指定していることに注意してください。 PROFIBUS-DP V_(OD) への準拠を確認する最良の方法は、PROFIBUS 負荷を使用してトランシーバーをテストすることです。
図2は、PROFIBUS-DP負荷といくつかの直列抵抗を使用してケーブル損失をシミュレートするLTC2877堅牢PROFIBUS RS485トランシーバをテストする方法を示しています。ここで、V_(OD)（青い曲線）は「ケーブル端」（A'およびB'）から測定され、PROFIBUS-DP仕様への真の準拠を確認します。 LTC2877 は、VOD が両方の規格に準拠していることを確認するために、RS485 負荷でも完全にテストされています。
図2：PROFIBUS-DP負荷を使用したLTC2877の差動出力電圧（VOD）のテスト。
PROFIBUS-DP の保護
TIA/EIA-485-A 規格は、ノイズ、障害、ESD、過渡現象 (電気的高速過渡現象)、またはサージに対する保護のための最小限の要件を提供します。したがって、トランシーバーのメーカーと設計者は独自に電気保護を実装する必要があります。保護要件はアプリケーションによって異なりますが、図3に示すLTC2877を含む特定のトランシーバは、すべての市場要求を満たす高レベルの保護を提供します。
TIE/EIA-485-A 規格では、ネットワーク上の 2 つのデバイス間のグランド オフセットの範囲が -7 ～ +12 V であると規定しています。ただし、多くの PROFIBUS-DP 設置ではこれより大幅に高い電圧に遭遇する可能性があり、PROFIBUS-DP トランシーバーに重大な損傷を引き起こす可能性があります。 PROFIBUS は 24V システムで一般的に使用されており、「標準」RS485 デバイスを 24V にショートさせると致命的となる可能性があります。設計者は、-25 ～ +25 V の拡張コモンモード範囲を備えたレシーバを必要とする必要があります。一般的な PROFIBUS-DP トランシーバを ±60V 保護された LTC2877 に置き換えることで、高価な外部保護を必要とせずに、過電圧障害によるフィールド障害を排除できます。 PROFIBUS-DP トランシーバは事実上システムの防御の第一線であるため、さまざまなレベルの ESD サージから身を守る必要があります。一部の PROFIBUS トランシーバは、非通電時にバス ピンに 15kV ESD 保護を提供します。 LTC2877などの他の製品は、非通電か通電かにかかわらず、どのような動作モードでも、ラッチや損傷を生じることなく、グランドまたはいずれかの電源に対して±26kVのHBM ESD保護を提供します。さらに、バス ピンは、電源が供給されていないとき、±52kV の接地間サージから保護されます。
電気的オーバーストレスの別の形式は EFT です。これは、IEC 61000-4-4 EFT 規格によって 60 マイクロ秒続く高電圧スパイク パルスとして定義されています。このタイプの過ストレスは通常、電気機械スイッチが誘導性負荷を接続および切断する産業環境でよく見られる、スイッチやリレーの接点のアーク放電によって引き起こされます。選択したトランシーバーが IEC 61000-4-4 の最高レベル、レベル 4 (バス ピンの 2 kV の開回路電圧に相当) を満たしていることを確認する必要があります。
おそらく、電気的過負荷の最も深刻な形態は、自然界から雷の形で発生するサージです。したがって、LTC2877 のような小型トランシーバ IC がこの規模のサージに対する固有の保護を欠いていることは驚くことではありません。代わりに、MOV、TVS ダイオード、TSPD (サイリスタ サージ保護デバイス)、GDT (ガス放電管) などの外部サージ保護コンポーネントが、コンポーネントが何らかの形で露出している PROFIBUS-DP システムで通常使用されます。 LTC2877 は単独では落雷に耐えることはできませんが、±60V の高いピン定格により、このレベルの保護を提供できる外部保護部品を簡単に見つけることができます。