Echtzeit Ethernet VARAN-Bus
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
8100000100 Copyright © VARAN-BUS-NUTZERORGANISATION 06/2015 Echtzeit Ethernet VARAN-Bus
VARAN - Versatile Automation Random Access Network
Das VARAN-Bussystem erfüllt alle Anforde- Steuerungs-CPU entlastet wird. Alle Nachrichten
rungen eines modernen Industrienetzwerkes, das werden bestätigt und im Fehlerfall sofort wieder-
für den Einsatz in der Maschinenautomatisierung holt. Somit sind am Ende des Buszyklus alle Da-
optimiert wurde. Es besticht durch Schnelligkeit, ten gültig. Das gesamte Netzwerk wird wie ein
Offenheit, hohe Verfügbarkeit und optimierte 4 GB Speicher behandelt, in dem jedem Client
Echtzeitperformance. Der VARAN-Bus basiert ein definierter Speicherbereich zugewiesen ist.
auf Standard-Ethernet-Technologie. Das Proto- Dadurch reduziert sich der Befehlsumfang auf
koll ist komplett in Hardware gelöst, wodurch die einfache Schreib- und Lesebefehle.
VARAN-Netzwerk
Steuerungs-CPU
mit VARAN-Manager
und Safety Controller
Standard
Ethernet TCP/IP
Firmennetzwerk
Splitter Drives
Standard
Ethernet TCP/IP Messsystem
I/Os mit Safety
Programmierung
Splitter
Standard
Ethernet TCP/IP Hydraulik
Splitter
Diagnose &
Wartung
Pneumatik
Periperhiegerät Peripheriegerät IP67 I/Os
Flexible Busstruktur
Prinzipiell ist jede Kombination von Baum-, Stern- Der VARAN-Splitter leitet die Datenpakete an alle
und Linien-Struktur möglich. Zum Aufbau baum- Ausgangsports weiter und schirmt das Netzwerk
förmiger und sternförmiger Strukturen werden gegen ungewollte Fremdteilnehmer ab. Diese
Verteiler verwendet, sogenannte VARAN-Splitter. Splitterfunktion ist in alle Clients integrierbar.
2Highlights auf einen Blick
■ Hohe Datensicherheit und Fehlertoleranz
Unquittierte Nachrichten werden noch im selben Buszyklus wiederholt
■ Harte Echtzeit
Zykluszeiten < 100 µs, Jitter < 100 ns - jeder Befehl wird vom Empfänger sofort rückbestätigt
■ Flexible Netzwerktopologie
Modulare Maschinenstrukturen: Stern-, Linien- und Baumtopologien sind beliebig kombinierbar
■ Kostengünstig
Auf dem Preisniveau einer Feldbusanbindung durch Einsatz von günstigen Standard-
Komponenten für Manager und Client
■ Offener Standard
VARAN-Bus ist ein offener Standard und Hersteller-unabhängig. Die Rechte an der Technologie
hält ein unabhängiger Verein, die VARAN-BUS-NUTZERORGANISATION (VNO).
Fakten, die überzeugen
■ Dynamisch ■ Elektronisches Typenschild
Kleine Frames (128 Byte Nutzdatenlänge Eindeutige Identifizierung jedes Busteil-
und geringer Overhead) nehmers
■ Direct Access ■ Tunnelung von Standard-Ethernet
Schneller asynchroner Direktzugriff Standard TCP/IP-Kommunikation ist selbst
während des Buszyklus bei kleinsten Zykluszeiten möglich
■ Multi-Manager fähig ■ Einfache Implementierung
Vernetzung mehrerer autark arbeitender Auch in kleine Sensoren/Aktoren
Netzwerke
■ Synchronisierung über PLL
■ Bus und Versorgung in einem Kabel Verteilte Uhren nach IEEE 1588 nicht
Signal- und Leistungsführung durch VNO- erforderlich
zertifizierte Steckverbinder und Hybridkabel
■ CANopen® Abbildung auf VARAN-Bus
■ Automatische Adressierung Einfache Anbindung bestehender
Minimaler Netzwerkadministrationsaufwand CANopen®-Geräte
■ Protokoll komplett in Hardware realisiert ■ Analyse und Service ganz einfach
Keine zusätzliche CPU-Belastung Mit komfortablen Diagnose- und
■ Hot Plug-Fähigkeit Servicetools
Im laufenden Betrieb
3VARAN-Bus Grundlagen
Beim VARAN-Bus wurden die Anforderungen die einzigartige Möglichkeit des asynchro-
der harten Echtzeitsteuerung mit jenen der nen Direktzugriffes. Die Technologie ist offen
Automatisierung kombiniert und mit Ethernet- gelegt und kann von allen genutzt werden.
Technologie umgesetzt. Durch die Verwendung
des Manager/Client-Prinzips werden Kollisionen Um vorhandene Vernetzungen perfekt auszu-
vermieden. VARAN arbeitet in harter Echtzeit nutzen, wurde TCP/IP-Kommunikation integriert.
mit garantiertem Determinismus. Zykluszeiten Der VARAN-Bus kann Standard-Ethernet-Fra-
unter 100 µs sind möglich. Der Synchronitäts- mes transportieren, die u. a. zur Inbetriebnahme
Jitter liegt unter 100 ns. Zusätzlich bietet er und Evaluierung von Clients genutzt werden.
Serielles
SPI Flash
Standard Ethernet Physik
nach IEEE 802.3
Ethernet Applikations-
Stecker FPGA spezifisch
PHY
Magnetics
Alle Komponenten einer VARAN-Anbindung
Der grundlegende Aufbau einer VARAN-Imple- eine 24 V DC Versorgungsspannung mitgeführt
mentierung ist bei Manager und Client gleich. werden. Aktoren und Sensoren werden über
Den Ethernet Physical Layer bilden Steckverbin- eine einzige Steckverbindung angeschlossen,
der, Übertrager und der Ethernet-PHY-Baustein. wodurch Baugröße und Fehlerquellen auf ein
Der PHY-Baustein stellt ein Auto-Crossover Minimum reduziert werden können. Durch den
bereit. Dadurch können Standard-CAT-5-Kabel Einsatz von FPGAs verschiedener Hersteller
(beliebig gekreuzt oder nicht gekreuzt) eingesetzt sind anwenderspezifische Erweiterungen inte-
werden. Für die Spannungsversorgung kann grierbar.
optional, durch den Einsatz von Hybridkabeln,
4Garantierte Datensicherheit
Bei der Entwicklung von VARAN wurde beson- den Befehl als Wiederholung. Dieser Vorgang
deres Augenmerk auf die Datengültigkeit gelegt. garantiert, dass am Ende des Buszyklus alle Pro-
Auf jeden Befehl des Managers erfolgt unmittel- zessdaten konsistent sind. Die permanente Über-
bar die Rückbestätigung des Clients. Antwortet prüfung der Datengültigkeit – auch bei Buszyklus-
dieser innerhalb der vereinbarten Timeout-Zeit zeiten von kleiner als 100 µs – wird erst durch
nicht, oder ist die Antwort fehlerhaft, wiederholt die Verwendung der kleinen VARAN-Daten-Fra-
der Manager bis zum Erhalt einer gültigen Rück- mes (1-128 Bytes) möglich. Die nach IEEE 1588
bestätigung den Befehl, ohne den Nachrichten- definierte Uhren-Synchronisation der Busteilneh-
zähler zu erhöhen. Dadurch erkennt der Client mer ist für den VARAN-Bus nicht erforderlich.
Beginn Beginn Beginn Beginn
neuer Zyklus neuer Zyklus neuer Zyklus neuer Zyklus
Global sync
Global sync
REQ 1
REQ 2
REQ n
REQ 1
REQ 1
REQ 1
REQ 2
REQ n
VARAN VARAN
Manager Manager
RSP 1
RSP 2
RSP n
RSP 1
RSP 2
RSP n
VARAN VARAN
Client Client Time Time
out out
Kommunikation fehlerfrei Kommunikation im Fehlerfall
Buszyklus - Aufteilung
Zu Beginn jedes Buszyklus sendet der Mana- die isochronen Echtzeit-Datenobjekte, danach
ger einen globalen SYNC-Befehl, anschließend die asynchronen Objekte und zum Schluss die
Datenobjekte im Administra-
tion Task. Im Administration
VARAN
Task werden sonstige Auf-
REQ 2
REQ 1
Global
Manager
sync
gaben wie das Abscannen
RSP 1
RSP 2
VARAN
Client
auf neue Teilnehmer oder
zu übertragende Standard-
Ethernetpakete ausgeführt.
Der asynchrone Direktzugriff
Isochroner Task
unterbricht für die Dauer von
Asynchroner Task
weniger als 25 µs die lau-
Administration Task
fenden Tasks, um ein Client-
Asynchroner Direktzugriff Update während des Bus-
Beginn Beginn
neuer Zyklus neuer Zyklus zyklus durchzuführen.
Zeitlicher Ablauf der Kommunikation: VARAN ermöglicht jederzeit einen
asynchronen Direktzugriff auf Busteilnehmer.
5Zugriffszeiten im µs-Bereich
Die Aktualisierungszeiten sind ein wesentlicher können mit einem einzigen Schreib-Lese-Befehl
Aspekt bei Echtzeit-Ethernet-Netzwerken. Für in 5 µs bearbeitet werden. Diese Zeiten erhöhen
das Schreiben auf 16 I/Os (Befehlslänge 2 Byte) sich pro Verteilerknoten um 1 µs. Um kurze Up-
erreicht der VARAN-Bus eine Updatezeit von date- und Buszykluszeiten zu erzielen, wird da-
2 µs. Drives mit je 16 Byte Ist- und Soll-Werten her eine Baumstruktur empfohlen.
Leistungsdaten
Bus-Zykluszeiten < 100 µs
Jitter < 100 ns
1 Byte r/w 2,18 µs
Isochrone Zugriffszeit
16 Byte r/w (1 Drive) 5,05 µs
Asynchroner Direktzugriff 128 Byte r/w < 25 µs
ohne Protokolländerung auf Gigabit-Ethernet portierbar
Minimale Latenzzeit
Für einen Lese- und den nachfolgenden Schreib- Latenzzeit maximal 1,5 Buszyklen – inklusive der
Zugriff auf einen der Busteilnehmer beträgt die Bearbeitung der I/O-Daten durch die CPU.
Beginn Beginn Beginn Beginn
neuer Zyklus neuer Zyklus neuer Zyklus neuer Zyklus
CPU Task
Isochroner VARAN Task
Input/output des
VARAN-Bus-Systems read DATA write DATA
< 1,5 Buszyklen
6Elektronisches Typenschild
Alle Geräte mit VARAN-Anbindung enthalten ein Kundenspezifische Dateien können direkt im
obligates, elektronisches Typenschild mit den VARAN-Client hinterlegt werden. So kann z.B.
Geräte-spezifischen Daten: die Gerätebeschreibung als PDF-Datei im Cli-
ent abgespeichert werden. Der Zugriff erfolgt
■ Vendor-ID ■ Device-ID ■ Lizenz-Nummer über das VARAN-Servicetool oder direkt aus der
Steuerungsapplikation.
Geräte mit ungültigem Typenschild oder ungül-
tiger Lizenz werden deaktiviert. Somit ist das
Bussystem gegen Beeinflussungen durch uner-
wünschte Teilnehmer geschützt.
VARAN-Bus im Detail
Einer steuert alles: Der VARAN-Manager 65.536 Byte zugewiesen. Prinzipiell basiert der
verwaltet den gesamten Bus-Speicherbereich, Informationsaustausch auf zwei Operationen:
der bis zu 65.280 Teilnehmer aufnehmen kann. „Schreibe auf Adresse x die folgenden Daten“
Jedem Teilnehmer wird in der Hochlaufphase und „Lese ab Adresse x folgende Anzahl Bytes“.
ein eigener, definierter linearer Adressraum von
VARAN-Client-Speicher Drive
0
...
Ist-Lage
VARAN-Manager Soll-Lage
Adressbereich
...
0 FFFF
Drive
10 000 VARAN-Client-Speicher Messstab
Messstab 0
...
20 000
Hydraulikventil Geschwindigkeit
Position
...
...
FFFF
...
VARAN-Client-Speicher Hydraulikventil
0
...
FFFF FFFF
PDO
SDO
...
FFFF
Datenaustausch über gemeinsamen Adressbereich
7VARAN-Manager
Jeder Datentransfer wird ausschließlich vom entlastet die Steuerungs-CPU. Der Manager ver-
VARAN-Manager initiiert und zentral verwaltet. fügt über mehrere, in verschiedene Prioritäten
Alle protokollspezifischen Aufgaben des VARAN- unterteilte Bereiche: Direct Access (DA), Asyn-
Managers werden im FPGA abgewickelt. Dies chron (ASYN), Isochron (ISO).
Eth Appl. Control
Application Layer
HTTP/FTP Application
Transportation Layer TCP UDP
VARAN MANAGER
Network Layer IP
Eth MAC DA ASYN ISO
Datalink Layer
VARAN MAC
Physical Layer Ethernet PHY
Der VARAN-Manager nach dem Layer-Konzept des OSI-Modells
VARAN-Befehlsübersicht
Der VARAN-Bus wurde bewusst einfach gestal- Diese zwei Befehle können auch zu einem kom-
tet, wodurch sich der gesamte Befehlssatz auf binierten Memory Read/Write Befehl zusam-
wenige Kommandos reduziert. mengefasst werden, wodurch sich der Overhead
weiter verkürzen lässt.
■ Memory Read:
Liest Daten aus dem Speicher eines Bus ■ Global Write:
teilnehmers. Der Befehl enthält die Start- Alle Busteilnehmer werden gleichzeitig angespro-
adresse und die Anzahl der zu lesenden Bytes. chen. Dieser Befehl dient der Synchronisierung
aller Busteilnehmer und zum gobalen Reset.
■ Memory Write:
Schreibt Daten in den Speicher eines Busteil- ■ Foreign Package Request/Response:
nehmers. Der Befehl enthält die Startadresse Veranlasst den Transport von fremden Daten-
und die zu schreibenden Daten. Der Client sen- Paketen (TCP/IP, Safety oder auch anderer Pro-
det eine Quittierung. tokolle) durch das VARAN-Bussystem.
8Multi-Manager-Struktur
Mehrere VARAN-Systeme können durch einen ermöglicht es, dass mehrere Maschinen Daten in
übergeordneten VARAN-Manager zu einem Echtzeit miteinander austauschen. Der Jitter liegt
synchronen Gesamtnetz kaskadiert werden. Da- dabei unter 100 ns.
durch entsteht eine Multi-Manager-Struktur. Dies
System 1 System 2 System 3
VARAN VARAN VARAN
Client Client
Manager 1 Manager 2 Manager 3
Splitter Client Splitter
Client Client Client Client Client
Automatische Synchronisierung: Jitter < 100 ns
Maschinenübergreifender Datenaustausch und Synchronisierung
Anbindung an ein Firmennetzwerk
Die Ethernet-Kommunikation aus der Office- IP-Knotenpunkte weitergeleitet (IP-Tunnelung).
Welt wird vom VARAN-Manager gesteuert. Jeder Unautorisierte Zugriffe können die Echtzeit-
Client mit einem IP-Port wird erfasst und Kommunikation nicht beeinflussen. Zusätzliche
während des Administration Task auf zu über- Sicherheitseinrichtungen wie Firewalls sind für
tragende Ethernet-Frames abgefragt. Anste- die Anbindung an ein Firmennetzwerk nicht
hende IP-Daten werden anschließend an alle erforderlich.
Safety integriert
Früher wurden aufwändige, diskrete Verkabe- Signale werden dabei zeitgleich mit den Pro-
lungen für Sicherheitskreise verwendet. Durch zessdaten über das Echtzeit-Ethernet-Bussys-
den Einsatz der VARAN-Bus Technologie las- tem übertragen. Das VARAN-Protokoll dient als
sen sich die Kosten für die Sicherheitstechnik Container für die Safety-Telegramme und arbei-
erheblich reduzieren. Die sicherheitsrelevanten tet nach dem „Black-Channel“ Prinzip.
9Das Bussystem ist bei den Sicherheitsbetrach- oder andere Transportmedien uneingeschränkt
tungen ausgeschlossen, wodurch die Weiterlei- möglich ist.
tung der Safety-Daten über die Rückverdrahtung
1 to 128 Bytes
Data
2 Bytes
Length 2 Bytes
1 Byte
1 Byte
4 Bytes
VARAN Frame
Address
CMD
CNT
CRC
Safety- Address Time Data
CRC Header Address Data
Daten Copy Stamp Copy
Beispiel für die Einbettung eines Safety-Telegramms
Zentrale und dezentrale Sicherheitslösungen signale über mehrere Maschinen übertragen
lassen sich mit VARAN einfach realisieren. Mit werden und stehen so der ganzen Produktions-
Multi-Manager-Netzwerken können Sicherheits- linie zur Verfügung.
Steuerungs-CPU
mit VARAN Manager
SPS und Safety Controller
Feldbus
I/Os I/Os
Safety Standard und
Relais I/Os Safety I/Os
Logik
Safety Standard und
I/Os Safety I/Os
Digitales STO-Signal
Servo Drives Servo Drives
Konventionelle Sicherheitstechnik Modernes Automatisierungskonzept
mit integrierter Safety
10Anschlusstechnik
Die VNO hat sich intensiv um eine opti-
male Anschlusstechnik bemüht, da Echt-
zeit-Ethernet in der industriellen Automati-
on hohe Anforderungen an Robustheit und
Qualität der Steckverbinder und Kabel stellt.
Für den IP20-Bereich wurde der Har-
ting RJ45 Industrial zertifiziert, der auf sei-
ne industrielle Tauglichkeit geprüft ist.
Serie HC.26 M12 RJ45 industrial
Um den Forderungen nach preiswerter Ma-
schinenverdrahtung gerecht zu werden, Für Geräte mit höherer Leistung (bis 10 A) und
wurden für den Anschluss von Feldbusge- der Anforderung für getrennte Leistungsversor-
räten in der IP67-Welt Anschlusslösungen ent- gung wurde von Tyco Electronics ein neuer „8+4
wickelt, die nur einen Steckverbinder benöti- Power/Ethernet Steckverbinder“ entwickelt. Für
gen. Für Busteilnehmer mit 24 V und maximal beide Varianten sind entsprechende Hybridkabel
2 A Stromverbrauch wird der 8-polige M12-Ste- verfügbar.
cker der Firma Phoenix Contact verwendet.
11www.varan-bus.net
Zweigstelle VARAN-BUS-NUTZERORGANISATION
Bürmooser Straße 10 | 5112 Lamprechtshausen | Austria
Tel.: +43/62 74/4321-0 | Fax: +43/62 74/4321-18
info@varan-bus.net
Technische Änderungen und Ergänzungen vorbehalten.Sie können auch lesen
