Yendo más rápido y más lejos con Fieldbus

Los expertos de la industria, como PROCENTEC, muestran un crecimiento constante en la adopción de tecnología de bus de campo basada en RS-485 (PROFIBUS ^® ) y el rápido crecimiento de Industrial Ethernet (PROFINET). En 2018, había 61 millones de nodos de bus de campo PROFIBUS instalados en todo el mundo, y la automatización de procesos (PA) PROFIBUS creció un 7% año tras año. La base de instalación de PROFINET es de 26 millones de nodos, con 5,1 millones de dispositivos instalados solo en 2018. ¹

Con este crecimiento constante en la adopción de bus de campo RS-485 y la Industria 4.0, la aceleración de la implementación de fábricas conectadas inteligentes, garantizar que las tecnologías de bus de campo estén optimizadas ayuda a habilitar un sistema inteligente. Las tecnologías de bus de campo optimizadas deben equilibrar cuidadosamente la robustez de EMC y la transmisión de datos confiable.

La transmisión de datos no confiable reducirá el rendimiento general del sistema. En aplicaciones de control de movimiento, el bus de campo se utiliza normalmente para el control de posición de bucle cerrado de motores de un solo eje o de varios ejes. Las altas velocidades de datos y los cables largos son comunes, como se muestra en la Figura 1. Si el control de posición no es confiable, entonces la degradación del rendimiento en términos prácticos significa un rendimiento de la máquina de menor calidad y una reducción de la productividad de la fábrica. En aplicaciones de infraestructura inalámbrica, el bus de campo se usa típicamente para el control de inclinación / posición de la antena, donde la transmisión de datos precisa es fundamental. Tanto en las aplicaciones de control de movimiento como en las de infraestructura inalámbrica, se requieren distintos niveles de protección EMC, como se muestra en la Figura 1. Las aplicaciones de control de movimiento normalmente operan en entornos eléctricamente ruidosos, lo que puede causar errores de datos. En comparación, la infraestructura inalámbrica debe protegerse contra los rayos indirectos dañinos que caen en un entorno expuesto.

Para estas aplicaciones exigentes, se requiere un examen cuidadoso del rendimiento de temporización del transceptor RS-485 a través de los cables para garantizar un sistema confiable, así como la caracterización EMC. Este artículo presenta algunos conceptos clave de sincronización del sistema y cables de comunicación; proporciona indicadores clave de rendimiento, incluida la distribución de reloj y datos y la capacidad de conducción de cables; y demuestra beneficios para aplicaciones industriales que utilizan transceptores RS-485 de próxima generación.

Rendimiento de sincronización

Al considerar la transmisión de datos confiable a altas velocidades de datos en cables de gran longitud, los conceptos de rendimiento de temporización, como la fluctuación y la desviación, a menudo asociados con la señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS), se vuelven importantes para RS-485. Es necesario examinar la fluctuación y la desviación agregadas tanto por el transceptor RS-485 como por el cable del sistema.

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Figura 1. EMC, velocidad de datos y longitud del cable para RS-485. (Fuente:Analog Devices)

Jitter and Skew

La fluctuación de fase se puede cuantificar como un error de intervalo de tiempo, específicamente la diferencia entre el tiempo de llegada esperado de una transición de señal y cuando esa transición llega a la práctica. Dentro de un enlace de comunicación, hay varios factores que contribuyen al jitter. Cada colaborador puede describirse ampliamente como aleatorio o determinista por naturaleza. La fluctuación aleatoria se puede identificar a partir de su distribución gaussiana y se origina en el ruido térmico y el ruido de disparo de banda ancha dentro de un semiconductor. La fluctuación determinista es el resultado de fuentes dentro del sistema de comunicación; por ejemplo, distorsión del ciclo de trabajo, diafonía, fuentes periódicas de ruido externo o interferencia entre símbolos. En los sistemas de comunicaciones que utilizan el estándar RS-485, las velocidades de datos están por debajo de 100 MHz, donde estos efectos deterministas de jitter dominan sobre los efectos aleatorios.

El valor de la fluctuación de fase de cresta a cresta es una medida útil de la fluctuación de fase total del sistema resultante de fuentes deterministas. La fluctuación de fase de pico a pico se puede examinar en el dominio del tiempo superponiendo un gran número de transiciones de señal en la misma pantalla (comúnmente conocido como diagrama de ojo). Esto se puede lograr en una pantalla de osciloscopio usando persistencia infinita, o con el software de descomposición de jitter integrado de un osciloscopio, como se muestra en la Figura 2. ²

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Figura 2. Error de intervalo de tiempo, jitter y ojo. (Fuente:Analog Devices)

El ancho de las transiciones superpuestas es la fluctuación de pico a pico, con el área abierta en el medio denominada ojo. Este ojo es el área disponible para el muestreo por parte del nodo receptor en el extremo más alejado de un cable RS-485 largo. Un mayor ancho de ojo proporciona al nodo receptor una ventana más amplia para el muestreo y reduce el riesgo de recibir un bit incorrectamente. El ojo disponible se ve afectado principalmente por las contribuciones deterministas de la fluctuación tanto del controlador y del receptor RS-485 como del cable de interconexión.

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Figura 3. Contribuyentes clave a la fluctuación en las redes de comunicación RS-485. (Fuente:Analog Devices)

La figura 3 muestra las diversas fuentes de fluctuación en una red de comunicaciones. En los sistemas de comunicación basados ​​en RS-485, dos factores clave que contribuyen al rendimiento de la sincronización son la desviación del pulso del transceptor y la interferencia entre símbolos. El sesgo de pulso, también conocido como distorsión de ancho de pulso o distorsión del ciclo de trabajo, es una forma de fluctuación determinista introducida por los transceptores en los nodos de transmisión y recepción. La desviación de pulso se define como la diferencia en el retardo de propagación entre los flancos ascendente y descendente de una señal. En las comunicaciones diferenciales, este sesgo crea un punto de cruce asimétrico y una falta de coincidencia entre la duración de los 0 y los 1 transmitidos. En un sistema de distribución de reloj, la desviación excesiva del pulso se manifiesta como una distorsión en el ciclo de trabajo del reloj transmitido. En un sistema de distribución de datos, esta asimetría aumenta la fluctuación pico a pico observada en el diagrama de ojo. En ambos casos, la desviación de pulso excesiva afecta negativamente las señales transmitidas a través de RS-485 y reduce tanto la ventana de muestreo disponible como el rendimiento general del sistema.

La interferencia entre símbolos (ISI) ocurre cuando el tiempo de llegada de un borde de señal está influenciado por el patrón de datos que ha procedido a ese borde. Los efectos de interferencia entre símbolos se vuelven prominentes en aplicaciones con interconexiones de cable más largas, lo que convierte a ISI en un contribuyente clave en las redes RS-485. La interconexión más larga crea una constante de tiempo RC donde la capacitancia del cable no se ha cargado completamente al final de un período de un solo bit. En aplicaciones donde los datos transmitidos consisten únicamente en un reloj, esta forma de interferencia entre símbolos no está presente. La interferencia entre símbolos también puede ser causada por desajustes de impedancia en la línea de transmisión del cable, por terminales de línea o por el uso inadecuado de resistencias de terminación. Los transceptores RS-485 con una potencia de salida alta generalmente ayudan a minimizar los efectos ISI, ya que requieren menos tiempo para cargar la capacitancia de carga del cable RS-485.

El porcentaje de fluctuación de fase pico a pico tolerable depende en gran medida de la aplicación y, por lo general, se utiliza una fluctuación de fase del 10% para comparar la combinación del rendimiento del cable y el transceptor RS-485. Una combinación de fluctuación excesiva y desviación afecta la capacidad de muestreo del transceptor RS-485 receptor, aumentando la probabilidad de errores de comunicación. En redes de transmisión con terminación adecuada, la elección de un transceptor optimizado para minimizar la desviación de pulso del transceptor y los efectos de interferencia entre símbolos da como resultado un enlace de comunicación más confiable y sin errores.

Diseño del transceptor RS-485 y efectos del cable

El estándar TIA-485-A / EIA-485-A RS-485 ³ proporciona especificaciones para el diseño y el rango operativo de los transmisores y receptores RS-485, incluido el diferencial de salida de voltaje (VOD), las características de cortocircuito, la carga en modo común y los umbrales y rangos de voltaje de entrada. El rendimiento de temporización RS-485, incluidos el sesgo y la fluctuación, no se especifican en el estándar TIA-485-A / EIA-485-A y están optimizados por los proveedores de circuitos integrados con la especificación de la hoja de datos del producto.

Otros estándares, como el TIA-568-B.2 / EIA-568-B.2, estándar de telecomunicaciones para cableado de par trenzado ⁴ Proporciona antecedentes para los efectos de CA y CC del cable en la calidad de la señal RS-485. Esta norma proporciona consideraciones y procedimientos de prueba para la fluctuación, la desviación y otras medidas de temporización, con límites de rendimiento establecidos; por ejemplo, la inclinación máxima permitida del cable de Categoría 5e es de 45 ns por 100 m. Lea Rendimiento RS-485 mejorado para obtener más información sobre el estándar TIA-568-B.2 / EIA-568-B.2 y las consecuencias del uso de cableado no ideal en el rendimiento del sistema.

Si bien los estándares disponibles y las hojas de datos del producto brindan una buena fuente de información útil, cualquier caracterización significativa del desempeño de la sincronización del sistema requiere la medición de un transceptor RS-485 en un cable largo.

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Figura 4. Rendimiento de jitter de reloj típico del ADM3065E. (Fuente:Analog Devices)

Comunicarse más rápido y más con RS-485

Los transceptores RS-475 de próxima generación brindan un rendimiento mejorado para satisfacer las necesidades de las aplicaciones que utilizan estándares como TIA-485-A / EIA-485-A que no definen sesgo ni fluctuación. Por ejemplo, los transceptores RS0485 como el ADM3065E de Analog Devices brindan un rendimiento ultrabajo de desviación del transmisor y del receptor. Esto permite que los sistemas admitan la transmisión de un reloj de precisión, que a menudo se incluye en los estándares de codificación de motores, como EnDat 2.2. ⁵ Como se muestra en las Figuras 4 y 5, se ha demostrado que los sistemas muestran menos del 5% de fluctuación determinista en las longitudes de cable típicas que se encuentran en las aplicaciones de control de motores. La amplia gama de suministro del transceptor significa que este nivel de rendimiento de temporización está disponible para aplicaciones que requieren una fuente de alimentación del transceptor de 3,3 V o 5 V.

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Figura 5. Diagrama de ojo receptor del ADM3065E:reloj de 25 MHz distribuido en un cable de 100 m. (Fuente:Analog Devices)

Además de una distribución de reloj superior, el rendimiento de temporización mejorado también permite una distribución de datos confiable, con salidas de alta velocidad y un jitter agregado mínimo. La Figura 6 muestra que al usar un transceptor mejorado, las limitaciones de tiempo típicamente citadas para la comunicación de datos RS-485 se pueden relajar en gran medida. Los transceptores RS-485 estándar normalmente se cotizan para funcionar con un 10% o menos de fluctuación. El ADM3065E puede operar a más de 20 Mbps en hasta 100 m de cable y aún mantener solo un 10% de fluctuación en el nodo receptor. Este bajo nivel de fluctuación reduce el riesgo de muestreo incorrecto por parte del nodo de datos receptor y da como resultado una confiabilidad de la transmisión que antes no era posible con los transceptores RS-485 típicos. En aplicaciones en las que el nodo receptor puede tolerar niveles de fluctuación de hasta un 20%, se pueden alcanzar velocidades de datos de hasta 35 Mbps en tramos de cable de 100 m.

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Figura 6. ADM3065E rendimiento superior de jitter del nodo de datos de recepción. (Fuente:Analog Devices)

Para cada paquete transferido utilizando el protocolo de codificador EnDat 2.2, los datos se transmiten en sincronización con flancos de reloj descendentes. La Figura 7 ilustra que el (los) bit (s) de inicio comienzan la transmisión de datos desde el codificador de regreso al controlador maestro, después del cálculo inicial de la posición absoluta (TCAL). Los bits de error subsiguientes (F1, F2) indican cuando un mal funcionamiento del codificador puede resultar en valores de posición incorrectos. El codificador luego transmite un valor de posición absoluto, comenzando con LS, con los datos siguientes. La integridad de la señal de reloj y datos es fundamental para la señalización de errores y posiciones exitosas en tramos de cable largos, con EnDat 2.2 especificando un jitter máximo del 10%. EnDat 2.2 especifica el funcionamiento máximo a una frecuencia de reloj de 16 MHz sobre 20 m de cableado. La Figura 4 muestra que estos requisitos se pueden cumplir con solo un 5% de fluctuación de reloj, y la Figura 6 muestra que se cumplen los requisitos de fluctuación para la transmisión de datos, mientras que los transceptores RS-485 estándar no. Esto es importante porque el rendimiento de temporización superior sobre los cables garantiza que los diseñadores de sistemas tengan la información necesaria para permitir un diseño que esté diseñado con éxito para cumplir con la especificación EnDat 2.2.

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Figura 7. Capa física y protocolo EnDat 2.2 con sincronización de reloj / datos (diagramas adaptados de EnDat 2.2). (Fuente:Analog Devices)

Mayor fiabilidad con cables más largos

El estándar TIA-485-A / EIA-485-A RS-485 ³ requiere controladores compatibles con RS-485 para generar una amplitud de voltaje diferencial, VOD, de al menos 1,5 V en una red completamente cargada. Este 1,5 VOD permite 1,3 V de atenuación de voltaje de CC en longitudes de cable largas, con receptores RS-485 especificados para operar con al menos 200 mV de voltaje diferencial de entrada. Con un transceptor que está diseñado para emitir un VOD de al menos 2,1 V cuando se alimenta a 5 V, los diseñadores pueden superar los requisitos de la especificación RS-485.

Una red RS-485 completamente cargada equivale a una carga diferencial de 54 Ω, que simula un bus de terminación doble de dos resistencias de 120 Ω con 750 Ω adicionales que representan 32 dispositivos conectados de 1 unidad de carga, o 12 kΩ. El ADM3065E presenta una arquitectura de salida patentada para maximizar el VOD mientras cumple con el rango de voltaje de modo común requerido, superando los requisitos de TIA-485-A / EIA-485-A. La Figura 8 ilustra cómo el transceptor excede los requisitos de variador del estándar RS-485 en> 210% cuando se alimenta desde un riel de suministro de 3.3 V, o en> 300% cuando se alimenta desde un riel de suministro de 5 V. Esto permite que los sistemas se comuniquen más lejos, con más nodos remotos y con más margen de ruido, que los transceptores RS-485 normales.

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Figura 8. El ADM3065E supera los requisitos de unidades RS-485 en una amplia gama de suministros. (Fuente:Analog Devices)

La Figura 9 ilustra con más detalle este punto en una aplicación típica con más de 1000 m de cable. Cuando se comunica a través de un cable AWG 24 estándar, un transceptor mejorado es un 30% mejor que un transceptor RS-485 estándar, con un margen de ruido un 30% mayor en el nodo receptor o un aumento del 30% en la longitud máxima del cable a velocidades de datos bajas. Este rendimiento se adapta bien a las aplicaciones de infraestructura inalámbrica, donde el cable RS-485 se extiende más allá de varios cientos de metros.

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Figura 9. ADM3065E entrega una señal diferencial superior para distancias ultralargas. (Fuente:Analog Devices)

Protección EMC e inmunidad al ruido

La señalización RS-485 es balanceada, diferencial e inherentemente inmune al ruido. El ruido del sistema se acopla por igual a cada cable en un cable de par trenzado RS-485. El cableado de par trenzado hace que las corrientes de ruido inducidas fluyan en direcciones opuestas y los campos electromagnéticos acoplados al bus RS-485 se cancelen entre sí. Esto reduce la susceptibilidad electromagnética del sistema. Además, una mayor potencia de accionamiento permite una mayor relación señal-ruido (SNR) en las comunicaciones. En tramos de cable largos, como cientos de metros entre el nivel del suelo y la antena en las estaciones base inalámbricas, tener una SNR mejorada, así como una excelente integridad de la señal, garantiza un control de inclinación / posición preciso y confiable de las antenas.

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Figura 10. Las longitudes de los cables de infraestructura inalámbrica pueden extenderse a cientos de metros. (Fuente:Analog Devices)

Como se indica en la Figura 1, se requiere protección EMC para transceptores RS-485 que interactúan directamente con el mundo exterior a través de conectores y cableado adyacentes. Por ejemplo, la descarga electrostática en los conectores RS-485 expuestos y el cableado del codificador al accionamiento del motor es un peligro común del sistema. El estándar IEC 61800-3 a nivel de sistema relacionado con los requisitos de inmunidad EMC para sistemas de accionamiento de potencia eléctrica de velocidad ajustable requiere un mínimo de ± 4 kV de contacto / ± 8 kV de aire IEC 61000-4-2 protección ESD. Los transceptores mejorados como el ADM3065E superan este requisito con ± 12 kV de contacto / ± 12 kV de aire IEC 61000-4-2 protección ESD.

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Figura 11. Solución completa RS-485 con aislamiento de potencia y señal de 25 Mbps con ESD, EFT y protección contra sobretensiones. (Fuente:Analog Devices)

Para aplicaciones de infraestructura inalámbrica, se requiere protección EMC mejorada para proteger contra eventos de sobretensión de rayos dañinos. Agregar un SM712 TVS y dos resistencias de coordinación de 10 Ω a las entradas del transceptor proporciona una protección EMC mejorada, con hasta ± 30 kV 61000-4-2 protección ESD y ± 1 kV IEC 61000-4-5 protección contra sobretensiones.

Para aumentar la inmunidad al ruido para aplicaciones de infraestructura inalámbrica, automatización de procesos y control de motores eléctricamente agresivos, se puede agregar aislamiento galvánico. El aislamiento galvánico, con aislamiento reforzado y voltaje de resistencia transitoria de 5 kV rms, se puede agregar al ADM3065E usando i de Analog Devices Acoplador ^® y iso Poder ^® tecnología. El ADuM231D proporciona los tres canales requeridos de aislamiento de señal de 5 kV rms, con un rendimiento de sincronización de precisión que permite un funcionamiento sólido a velocidades de hasta 25 Mbps. El convertidor de CC a CC aislado ADuM6028 proporciona la potencia aislada requerida con una capacidad de resistencia de 5 kV rms. Se utilizan dos perlas de ferrita para cumplir fácilmente con los estándares de cumplimiento de EMC, como EN 55022 Clase B / CISPR 22, lo que da como resultado una solución de CC a CC aislada compacta en un factor de forma de 6 mm × 7,5 mm.

Los transceptores RS-485 de próxima generación superan los estándares de la industria, lo que permite la posibilidad de comunicarse más y más rápido en comparación con los dispositivos RS-485 estándar. A niveles de jitter del 10% especificados en EnDat 2.2 ⁵ , los sistemas pueden operar a una frecuencia de reloj de 16 MHz sobre un máximo de 20 m de cableado, con el estándar RS-485 luchando por cumplir con este requisito. Supera los requisitos de conducción del bus RS-485 hasta en un 300%, lo que proporciona una mayor confiabilidad y más margen de ruido que los cables más largos. La inmunidad al ruido se puede mejorar agregando i Aislamiento de acoplador, incluido el aislador de señal ADuM231D, y la solución de alimentación aislada con factor de forma más pequeño de la industria, ADuM6028.

Referencias

¹ "El recuento de nodos PROFINET y PROFIBUS supera los 87 millones en 2018". Grupo Profibus, mayo de 2019.

² Conal Watterson. "Guía de implementación de circuitos LVDS y M-LVDS". Analog Devices, Inc., marzo de 2013.

³ “TIA / EIA-485-A, Características eléctricas de generadores y receptores para uso en sistemas multipunto digitales balanceados”. IHS Markit Inc., marzo de 1998.

⁴ "TIA / EIA-568-B.2, Estándar de cableado de telecomunicaciones para edificios comerciales — Parte 2:Componentes de cableado de par trenzado balanceado". Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones, mayo de 2001.

⁵ "EnDat 2.2:interfaz bidireccional para codificadores de posición". Heidenhain, septiembre de 2017.