理解物理层基础

Profibus(Process Field Bus)仍然是工业自动化、制造和工艺控制方面最值得信赖的外地巴士技术之一。 其基于RS-485的物理层需要仔细注意终结[]屏蔽,以便在远距离和恶劣的电气环境中保持信号完整性。 没有适当的实施,即使配置良好的网络也会遇到点差错、包丢失和间歇性故障,这些故障众所周知难以诊断。

Profibus标准(IEC 61158)指定了一条扭曲的铜线,其特征障碍为 RS-485 型A型电缆的150 ohm , 尽管许多设施使用120-ohm 电缆。终止电阻值必须匹配电缆和rsquo;特征障碍以防止客车端的信号反射。这一匹配至关重要,因为反射导致站立波扭曲差电压水平,导致接收器误解位值。

了解终止和屏蔽相互作用是如何的至关重要。一个完全终止的电线线可以将反射最小化,而适当的屏蔽则可以防止外部电磁干扰(EMI)与扭曲的对对相连接。它们共同创造了一个可靠的通信通道,在1.5 Mbps(中继器可达10公里)时可以长达1200米。

终止教授:理论和实践

终止电阻器被放置在Profibus段的两个物理端. 每个电阻器网络一般由一个跨越A线和B线的单电阻器(120 ohm)组成(data + and data & minus;). 在主动终止设计中,通过一系列电阻器也应用了偏斜电压,以确保总线闲置时的故障安全状态.

为何终止原因不相称

当信号到达电缆未终止的端口时,突然的阻断变化会使信号能量有一部分反射回源。这反映的波会增加或减少原始信号,产生过度射线、下射线和振铃。在像RS-485这样的平衡系统中,差分接收器将这些文物视为额外的过渡,有可能造成:

  • 假启动位( 拼凑整个帧)
  • 触发重传的 CRC 错误
  • 未发现的安全关键循环中的数据腐败
  • 奴隶节点丢失了他们的传送窗口

具有长根线(未终止的滴水)的网络特别脆弱。 即使有合适的端阻电器,长于2–3米的根线本身也可起到传输线的作用,引入延迟和反射。 Profibus准则将根线长度限制在1.5 Mbps以下6.6米,而30厘米以下限制在12 Mbps以下。

正确的终止阻力安置

只有主总线的两根物理端[]才应当终止。如果一个设备在端部包含内置的终止开关,则确保启用。如果多个设备共用同一总线端,则只安装一个终止网络。常见的错误包括:

  • 终止于错误的端( 例如, 在中间节点)
  • 使用多次终止( 导致电容加载)
  • 启用终止到未结束的设备

对于超过200米或高噪声环境下的片段,使用主动终止模块,既提供阻力匹配,又提供偏差. 被动120-Ohm阻力器足以进行短而静的运行.

教授电缆的防护技术

Profibus A型电缆包括覆盖扭曲对的编织或软盾。 盾牌有两个目的:它能减轻外部辐射干扰,并在正确定位时为诱导电流散逸而不是对接数据线提供低阻断路径。

单点对多点地面

工业盾牌的永恒争论在于是一端还是两端。 答案取决于环境和地面潜在差异的存在。

单点搁浅[](仅一端与保护土(PE)相连的屏蔽,通常为主/控制器侧)避免地面环路. 地面环路发生于盾路连接地面时,两点具有不同的潜力,引起循环电流,在信号对上引起噪音. 安装横跨建筑物,大型金属结构,或带有大型电气设备的区域时,建议采用这种方法.

多点搁浅[](两端和可能沿途的柜子上与PE相连的屏蔽)提供了更好的高频EM保护,因为它比干扰波长缩短屏蔽的柱长,对于在1.5至12 Mbps运行的Profibus,高频干扰(从VFD,切换电源,焊接设备)通过在多个点上将屏蔽连接在一起而有效减弱,条件是所有屏蔽点的潜能几乎相同(比V RMS小1).

在实践中,许多工业设施使用多点搁浅,同时仔细注意搁浅导体大小和连接质量. 使用 屏蔽连接器[,将电缆绕360度,保持低导线. 避免猪尾连接(从屏蔽到地面的长线),因为它们产生寄生导线,降低屏蔽在较高频率的效能.

电缆的线路和分离

即使铺设完好,一条路线差的电缆也容易受到伤害。

  • 110V AC电线至少20厘米
  • 230/400V AC电线至少50厘米
  • 90 & deg; 角度的交叉电源电缆, 以最小化导电耦合
  • 使用单独的电缆托盘或管道进行电源和信号
  • 避免与可变频驱动器(VFD)输出电缆平行的路由

在极端情况下,使用双屏蔽电缆或添加靠近噪声源的焦核.

长期可靠性最佳做法的安装

一个被适当终止和屏蔽的Profibus网络只能与其安装质量一样好,即使是连接器扭矩或电缆弯曲半径等小细节,也能够随着时间的推移降解性能.

连接器完整性

只使用 利润批复的9-pin D-sub连接器[ 与集成终止阻断器(如果在结尾). Tighten screw to the mactors ’s推荐的扭矩,一般为0.4–0.5 Nm. Loose连接器引入间歇性接触阻断,模仿了不良终止. 对于IP67环境,使用带有刺刀锁的M12连接器.

弯曲半径和施特兰救济

最小化电缆弯曲半径, 直径至少为电缆直径的10倍。 锐弯曲扭曲扭曲对子的内部几何, 并可以改变特性阻力 。 安全电缆每30 厘米带电缆, 但不会明显关闭 & mdash; 压缩可以压碎绝缘, 并改变电缆 & rsquo; 的电气特性 。

测试和调试核对清单

在将Profibus段投入生产之前,用总线分析器或示波器验证这些参数:

  • DC阻力:] 端间A对B线阻力应大约为60 ohms(两个120-ohm阻力器平行).
  • 信号电位:[] 离散总线电压应大于200mV差(故障安全偏差).
  • 吉特和铃声:[] 眼图分析,以确认开阔边距 & gt; 40%的位周期.
  • 枪弹连续: 盾对PE的阻力应小于1 ohm.

对于出现间歇性错误的现有网络,使用一个时间域反射计(TDR)来定位不良连接器、水进或压碎电缆造成的阻断断断断。

常见的陷阱和麻烦的解决

即便精心设计,Profibus问题也会出现。这里经常出现罪犯及其症状:

SymptomLikely CauseSolution
Intermittent loss of communication with one slaveStub too long, bad connector, or missing shield ground at that nodeShorten stub, replace connector, ensure shield bond
All nodes go offline simultaneouslyMissing termination at one end, or master’s termination not enabledCheck both ends, measure DC resistance
High CRC error rateEMI from VFD or power supply, loose shield connectionImprove shield grounding, increase separation
Bus hangs after adding new deviceNew device has termination enabled accidentallyDisable termination at non-end nodes

总是通过测量不同点的A线和B线的阻力来开始排除故障。 30 ohms附近的值表示三次终止( 不正确 ) 。 120 ohms附近的值表示一次终止。 接近无限值表示没有终止 。

外部资源

为了加深理解,请参考这些值得信赖的参考文献:

结论

适当的利润终止和屏蔽技术不是可选的 & mdash;这些技术对于实现工业自动化的决定性、无误通信至关重要。 通过理解信号反射和EMI耦合背后的物理,并通过严格应用安装最佳做法,工程师可以建立数十年可靠运行的网络。 将时间用于正确的终止阻塞装置布置、屏蔽搁浅策略和电缆线路规则;支付时间减少,调试速度加快,所有权的总成本降低。