Для электрической передачи сигнала по стандарту RS485 используются кабели с экранированной витой парой или коаксиальные кабели. На рис.1 представлена конструкция кабеля с экранированной витой парой.
Две жилы кабеля свиты с шагом 9…27 витков/м для уменьшения влияния электромагнитных помех. Принцип снижения влияния помех показан на рис. 2.
При прохождении магнитного потока Ф через витки витой пары проводов в каждом витке, по закону буравчика, наводится ЭДС, направление которой для каждого витка указано стрелками. Как видно из рис. 2. результирующая ЭДС в каждом проводнике кабеля стремится к нулю.
Однако следует учесть, что по такому кабелю происходит высокоскоростная передача сообщений до 12 Мбит/с. Кабель при такой высокоскоростной передаче можно выражать через параллельные и последовательные сочетания сопротивлений, как это изображено на рис. 3
Результирующий импеданс между точками A и B равен:
Импеданс z0 называется характеристическим импедансом такой бесконечной цепи. Если последовательный элемент – всегда индуктивность L, а шунтирующий элемент – емкость C, то в этом случае цепь имеет вид, представленный на рис. 4.
Изображенная на рис. 4. линия оканчивается нагрузкой R. При замыкании ключа и подаче на линию напряжения U, источник обязан сначала снабдить энергией первую индуктивность и емкость, затем вторую, третью и т.д. Поэтому спустя некоторое время начальный скачок тока на нагрузке R будет равен:
Поэтому напряжение на нагрузке R будет зависеть от величины R (см. рис. 5).
Данный эффект характерен для всех кабелей и обычно не представляет интереса, так как изменения происходят в течение малого времени. Если же задержка сопоставима с периодом передаваемой частоты, то эти изменения становятся препятствием. Т.е. линия передачи должна заканчиваться сопротивлением равным ее характеристическому импедансу.
Для двухжильной или экранированной витой пары z0 = 120…150 Ом, для коаксиального кабеля (будет рассмотрен ниже) z0 = 50…75 Ом.
Как правило, устройства, подключаемые к линии передачи, имеют высокий входной импеданс, что позволяет их устанавливать где угодно. Согласующие резисторы следует ставить на обоих концах кабеля, в нашем случае – на обоих концах кабеля сегмента промышленной сети.
Экран нельзя заземлять на обоих концах кабеля. Любая разность потенциалов между двумя точками заземления Uэ (см. рис. 6.) приводит к протеканию по экрану тока Iэ.
Заземление желательно осуществлять только на одной стороне (на приемной). Если экранированный провод проходит через промежуточные распредкоробки, то нужно сохранять целостность экрана и заключить его в рукав, чтобы исключить касания корпусов распредкоробок. Электрикам же всегда кажется, что вопреки письменным инструкциям экран должны заземлять везде, где это только возможно [4].Двухжильные сетевые кабели имеют несколько модификаций на различные условия эксплуатации: для прокладки в земле, для движущихся механизмов, гибкие, для крепления на опорах, для применения на море и т.п. Вторым вариантом кабельной продукции, применяемой в сетях PROFIBUS-DP, является коаксиальный кабель. Конструктивно коаксиальный кабель (рис.7.) состоит из центральной жилы, изоляции, ее окружающей, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки.
Электрические сигналы передаются по центральной жиле. Жила представляет собой один провод – сплошная жила, либо пучок проводов. Жила окружена от оплетки слоем изоляции. Оплетка играет роль второго проводника и защищает жилу от помех.
Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре. Поэтому его применение оправдано при передаче данных на большие расстояния.
Существуют два типа коаксиальных кабелей: тонкий и толстый.
Тонкий кабель имеет диаметр около 0,5 см (0,25 дюйма). Он годен практически для любого типа сети. Дальность передаваемого сигнала до 185 метров. Толстый кабель имеет диаметр около 1 см. Чем толще жила кабеля, тем меньше его сопротивление и сигнал передается на большее расстояние. Толстый кабель передает сигнал на расстояние до 500 м. Поэтому этот кабель используют в качестве основного (магистрального) кабеля, который соединяет несколько сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.
Триаксиальный кабель, или для краткости триакс, (рис.8.) отличается от коаксиального кабеля наличием дополнительного слоя изоляции и второго экранирующего слоя (проводника).
По сравнению с коаксиальным кабелем он обеспечивает более широкую полосу пропускания и повышенную помехоустойчивость, однако является более дорогим. Внешний проводник используется в качестве экранирующего заземления.
Скорость передачи таких кабелей до 100 Мбит/с, но они в 1,5…3 раза дороже кабелей с витыми жилами и имеют более сложное подключение к приемо- передатчикам.
В соответствии со стандартами RS485 информация передается последовательно бит за битом асинхронным способом. Передаваемый байт данных (b0…b7) сопровождается стартовыми и стоповыми битами и битом паритета (рис. 9.). Состоянию покоя соответствует 1.
Схема рис. 10. показывает подключение участников коммуникации к кабелю сегмента сети.
У каждого участка коммуникации есть формирователь G (электронная цепь или реле), посредством которого осуществляется передача цифровых сигналов в оконечную нагрузку (terminator) по соединительному кабелю, и электронная цепь R (потребитель) посредством которой осуществляется прием двоичных цифровых сигналов от формирователя по кабелю.
В технической документации оба проводника сети PROFIBUS обозначают как
A-проводник и B-проводник.
При воздействии формирователя G на оконечную нагрузку происходит изменение потенциалов проводников A и B как указано на рис. 11.
Такая передача называется передачей дифференциальными сигналами или передачей NRZ-кодом (Non Return to Zero – без возврата к нулю), в противовес RZ-коду (Return to Zero – код с возвращением к нулю). Особенность NRZ-кода очевидна из анализа рис. 12.
В качестве стандарта для подключения участников к шине в нормах PROFIBUS EN50170 рекомендуется 9-й штырьковый штекер (рис. 13.).
Шинные провода сегмента сети с обеих сторон должны быть замкнуты на оконечные нагрузки (см. рис. 13). Резисторы для таких нагрузок имеются почти во всех стандартных разъемах PROFIBUS и могут подключаться с помощью переключателей ON-OFF на корпусе штекера.
Источник: Основы построения промышленных сетей. А.М.Борисов. 2012 г.