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E C H T Z E I T
E T H E R N E T
www.varan-bus.net
D
INHALT VARAN Echtzeit-Ethernet | Key facts.................................... 3 Die VARAN-Technologie.................................................4 – 5 FEATURES Sichere Datenübertragung | Störungsresistent..................... 6 Datenhandling: Alles zu seiner Zeit...................................... 7 Einfacher Protokoll-Aufbau................................................... 8 Synchrone Multi-Manager-Struktur | Hot Plug....................... 9 Automatische Geräte-Identifikation...................................... 9 Kostengünstig.................................................................... 10 100% Hardware | Minimale Latenzzeit................................ 11 Komfortable Netzwerk-Analyse ......................................... 12 CANopen – Einfache Integration nach CiA-Standards........ 12 Safety über VARAN............................................................ 13 VARAN-BUS-NUTZERORGANISATION Offen und Herstellerunabhängig | Starter-Kits.................... 14 Einfache VARAN-Integration.............................................. 15 2 www.varan-bus.net
ECHTZEIT-ETHERNET
VARAN ist das Echtzeit-Ethernet für wo höchste Anforderungen an Flexibi-
die industrielle Automatisierung. Das lität und Verfügbarkeit gestellt werden.
leistungsstarke Netzwerk verbindet Buseigenschaften wie Zykluszeit und
ganz im Sinne von Industrie 4.0 Anla- isochroner Startzeitpunkt lassen sich
gen, Maschinen und Komponenten, an die jeweilige Anforderung anpas-
von der Leitebene bis zum kleinsten sen, wodurch das Echtzeit-Ethernet
Sensor, in harter Echtzeit. Durch sei- sowohl für kleine Systeme als auch
ne anpassungsfähige Topologie und für komplexe Multi-Manager-Strukturen
die garantierte Datensicherheit ist der ausgelegt ist.
VARAN-Bus überall dort im Einsatz,
SICHER EINFACH
Jede Nachricht wird vom Empfän- Der gesamte Befehlssatz wurde auf
ger sofort rückbestätigt. Unquittierte wenige Kommandos reduziert. Die
Nachrichten werden noch im selben VARAN-Bus-Implementierung ist so-
Buszyklus wiederholt. Konsistente mit sehr einfach realisierbar.
Prozessdaten und höchste Verfügbar-
keit sind garantiert.
KOSTENGÜNSTIG OFFEN
Durch die Verwendung von Standard- Die unabhängige VARAN-BUS-
Komponenten liegt die VARAN-An- NUTZERORGANISATION hält die
bindung auf dem Preisniveau einer Rechte an der Technologie. Jedes
herkömmlichen Feldbusanbindung. Mitglied der VNO entscheidet über
die Weiterentwicklung mit.
3DIE VARAN
TECHNOLOGIE
Das Echtzeit-Bussystem VARAN arbei- und Schreibbefehlen verwaltet wird.
tet nach dem Manager-/Client-Prinzip, Jedem Busteilnehmer wird hierbei ein
das heißt in jedem Netzwerk gibt es virtueller Speicherbereich zugewiesen,
einen Manager und einen oder meh- der sich physikalisch auf der Clientseite
rere untergeordnete Clients. Jeglicher befindet. VARAN-Bussysteme können
Datentransfer am Bussystem wird vom beliebig in Baum-, Stern- und Linien-
VARAN-Manager initialisiert, wodurch struktur aufgebaut werden. Netzwerk
Paketkollisionen von vorne herein aus- splitter bieten die Möglichkeit, das
BASICS
geschlossen sind. VARAN-System mit Firmennetzwerken
Aus Manager-Sicht erscheint das ge- oder anderen Ethernet-Systemen zu
samte Netzwerk wie ein großer Spei- verbinden und entsprechend Daten
cherbereich, der mit einfachen Lese- auszutauschen.
STARKE PERFORMANCE
Die Aktualisierungszeiten sind Updatezeit von 2 μs. Drives mit je 16
ein wesentlicher Aspekt bei Echt- Byte Ist- und Soll-Werten können mit
zeit-Ethernet-Netzwerken. Für das einem einzigen Schreib-Lese-Befehl
Schreiben auf 16 I/Os (Befehlslänge in 5 μs bearbeitet werden.
2 Byte) erreicht der VARAN-Bus eine
4 www.varan-bus.netBRANCHEN
Unterschiedliche Anforderungen in
den verschiedensten Branchen der
Internet heutigen Industrie verlangen nach
Manager
einem universell einsetzbaren Echt-
Firmennetzwerk zeit-Ethernet. VARAN beweist seine
Splitter Client vielfältige Einsetzbarkeit durch die
Programmierung
Etablierung in den unterschiedlichs-
Diagnose & Wartung ten Applikationen und Bereichen der
Client
Industrie.
Client Splitter Client
Client
Client
Client Client Client
GUMMI-/ KUNSTSTOFFTECHNIK
Netzwerk
METALLBEARBEITUNG
ROBOTIK / HANDHABUNG
VERPACKUNG
LEBENSMITTEL
LOGISTIK / MATERIALFLUSS
DRUCK / PAPIER
Bus-Zykluszeiten < 100 μs
PRÜFEN / TESTEN
Jitter < 100 ns
Isochrone Zugriffszeit 1 Byte r/w 2,18 μs
16 Byte r/w (1 Drive) 5,05 μs
TEXTIL
Asynchroner Direktzugriff 128 Byte r/w < 25 μs
ohne Protokolländerung auf Gigabit-Ethernet portierbar
WERKZEUGMASCHINEN
5SICHERE
DATENÜBERTRAGUNG
Anwendungen im industriellen Um- VARAN-Manager gesandte Daten-
feld verlangen nach Datensicherheit paket unmittelbar vom VARAN-Client
sowie höchster Verfügbarkeit. Der rückbestätigt. Bleibt die Quittierung
VARAN-Bus wurde speziell für diese innerhalb der definierten Timeout-Zeit
Anforderungen konzipiert und stellt ein aus, wird das Datenpaket noch im sel-
einzigartiges Datenhandling zur kon- ben Buszyklus wiederholt, bis die gül-
sistenten und sicheren Übertragung tige Antwort vorliegt. Diese Vorgangs-
bereit. weise garantiert, dass am Ende des
Am Beginn jedes Buszyklus steht ein Buszyklus alle Prozessdaten konsistent
globales Synchronisationskommando. sind. Die permanente Überprüfung der
FEATURES
Anschließend erfolgt der Datenaus- Datengültigkeit – auch bei Buszyklus-
tausch zwischen Manager und Cli- zeiten von kleiner als 100 μs – wird
ent im Request (REQ) and Response erst durch die Verwendung der kleinen
(RSP) Verfahren. Dabei wird jedes vom VARAN-Daten-Frames möglich.
KOMMUNIKATION BEGINN Global REQ 1 REQ 2 REQ n BEGINN
Manager sync
ohne Fehler neuer
Zyklus
neuer
Zyklus
Client RSP 1 RSP 2 RSP n
NACHRICHTENWIEDERHOLUNG NOCH IM SELBEN BUSZYKLUS
KOMMUNIKATION BEGINN Global REQ 1 REQ 1 REQ 1 REQ 2 REQ n BEGINN
Manager sync
mit Fehler neuer neuer
Zyklus Zyklus
Client Time Time RSP 1 RSP 2 RSP n
out out
STÖRUNGSRESISTENT
Speziell im Motion Bereich sind indust- rungen als große Standard-Ethernet-Pa-
rielle Netzwerke starken elektromagne- kete anderer Bussysteme mit Längen
tischen Impulsen ausgesetzt, was sehr von 1.500 Byte. Die Wahrscheinlichkeit
schnell zu Störungen führen kann. Die einer Störung ist bei kleinen Frames um
VARAN-Datenframes sind durch ihre ge- ein Vielfaches geringer, und im Fehler-
ringe Nutzdatenlänge (1-128 Byte) und fall muss nur ein kleines Datenpaket mit
den klein gehaltenen Daten-Overhead max. 128 Byte Nutzdatenlänge wieder-
wesentlich unempfindlicher gegen Stö- holt werden.
6 www.varan-bus.netDATENHANDLING: ALLES ZU SEINER ZEIT
Um Aufgaben im Bussystem zu priori- und Servicedaten erfolgt im Administ-
sieren, unterscheidet das VARAN-Bus ration Task mit der geringsten Priorität.
Protokoll drei unterschiedliche Tasks Mit dem asynchronen Direktzugriff (DA)
sowie den asynchronen Direktzugriff. kann der VARAN-Manager die laufen-
Zu Beginn jedes Zyklus werden nach de Kommunikation bis zu 25 µs unter-
dem globalen Synchronisationskom- brechen und Prozessdaten zwischen
mando die Echtzeit-Prozessdaten im den Zykluszeiten zu den VARAN-Cli-
isochronen Task (ISO) übertragen. ents übertragen. Dadurch lassen sich
Darauf folgen die asynchronen Daten- die Daten genau zum vorausberechne-
objekte (ASYN) mit geringerer Priorität. ten Zeitpunkt senden und müssen nicht
Die Übertragung von Ethernet-Paketen auf den nächsten Zyklus warten.
BEGINN Global REQ 1 REQ 2
Manager sync
neuer
Zyklus
Client RSP 1 RSP 2
Isochroner Zeitlicher Ablauf der
Task
Kommunikation:
BEGINN | neuer Zyklus
BEGINN | neuer Zyklus
Asynchroner ermöglicht jederzeit einen
Task
asynchronen Direktzugriff
Administration
Task
auf Busteilnehmer
Asynchroner
Direktzugriff
7EINFACHER
PROTOKOLL-AUFBAU
Echtzeit-Systeme mit verteilten Uhren Aus Manager Sicht erscheint das ge-
sind oft sehr komplex und benötigen samte Netzwerk wie ein großer Spei-
dementsprechend dimensionierte Cli- cherbereich, der mit einfachen Lese-
ents. Durch die VARAN-Bussynchroni- und Schreibbefehlen verwaltet wird.
sation über Phase-Locked Loop (PLL) Jedem Busteilnehmer wird ein virtueller
sind keine verteilten Uhren nach IEEE Speicherbereich zugewiesen, der sich
1588 notwendig. Daraus resultiert ein physikalisch auf der Clientseite befin-
wesentlich einfacherer Code-Aufbau det. Der Informationsaustausch basiert
für VARAN-Bus-Komponenten. Das auf vier Operationen:
FEATURES
Protokoll basiert auf einfachen Lese- Memory Read | Memory Write |
und Schreibvorgängen, die den Da- Global Write | Foreign Package
tenaustausch zwischen Manager und Request/Response
Client realisieren.
MEMORY READ MEMORY WRITE
Liest Daten aus dem Speicher ei- Schreibt Daten in den Speicher
nes Busteilnehmers. Der Befehl eines Busteilnehmers. Der Befehl
enthält die Startadresse und die enthält die Startadresse und die
Anzahl der zu lesenden Byte. Der zu schreibenden Daten. Der Cli-
Client antwortet daraufhin mit den ent sendet eine Quittierung.
angeforderten Daten.
GLOBAL WRITE FOREIGN PACKAGE
Der klein gehaltene Daten-Overhead REQUEST/RESPONSE
im VARAN-Bus Protokoll kann durch Alle Busteilnehmer werden gleich- Veranlasst den Transport von
das gezielte Zusammenfassen von zeitig angesprochen. Dieser Be- fremden Daten-Paketen (TCP/IP,
Lese- und Schreibbefehlen, in einen fehl dient zum globalen Reset der Safety oder andere Protokolle)
einzigen Memory Read/Write Befehl Busteilnehmer und zur Aussen- über das VARAN-Bussystem.
weiter verkürzt werden. dung des SYNC-Kommandos.
8 www.varan-bus.netSYNCHRONE
MULTI-MANAGER-STRUKTUR
Mehrere VARAN-Netzwerke kön- Jitter zwischen den Systemen liegt AUTOMATISCHE
nen durch einen übergeordneten dabei unter 100 ns. Einzelne Systeme
GERÄTE-IDENTIFIKATION
VARAN-Manager zu einem synchro- können im laufenden Betrieb an- und
nen Gesamtnetz kaskadiert werden. abgekoppelt werden. Das ist vor allem Alle Geräte mit VARAN-Anbindung
Die Multi-Manager-Struktur ermöglicht in Produktionslinien unabdingbar, wel- enthalten ein elektronisches Typen-
den Datenaustausch zwischen meh- che im Sinne von Industrie 4.0 oft an schild mit den Geräte-spezifischen
reren autonomen Systemen mit eige- unterschiedliche Prozesse angepasst Daten:
nem VARAN-Manager in Echtzeit. Der werden.
Vendor-ID
SYSTEM 1 SYSTEM 2 SYSTEM 3
Manager 1 Client Manager 2 Client Manager 3 Device-ID
Lizenz-Nummer
Splitter Client Splitter
Geräte mit ungültigem Typenschild
oder ungültiger Lizenz werden deakti-
Client Client Client Client Client
viert. Somit ist das Bussystem gegen
Beeinflussungen durch unautorisierte
Automatische Synchronisierung: Jitter < 100 ns Teilnehmer geschützt. Kundenspe-
zifische Dateien können direkt im
Maschinen übergreifender Datenaustausch und Synchronisierung
VARAN-Client hinterlegt werden. So
kann z.B. die Gerätebeschreibung als
PDF-Datei im Client abgespeichert
HOT PLUG werden. Der Zugriff erfolgt über das
VARAN-Servicetool oder direkt aus
Anders als bei Feldbussystemen bunden oder ausgetauscht werden. der Steuerungsapplikation.
mit Ringtopologie können beim Realisiert wird dies durch die automa-
VARAN-Bus durch Hot Plug einzelne tisierte Adressvergabe des VARAN-
VARAN-Clients im laufenden Betrieb Managers.
vom Netzwerk getrennt und erneut ver-
9KOSTENGÜNSTIG
Der VARAN-Bus basiert auf der dard-Komponenten verwendet werden
physikalischen Schicht des Ether- können. Die Hardwarekosten liegen im
net-Standards IEEE 802.3 wodurch für Bereich einer herkömmlichen Feldbus-
die Implementierung günstige Stan- anbindung.
KEIN ADRESSIERUNGSAUFWAND
Die automatische Adressierung aller wand in der Planungs- und Inbetrieb-
Busteilnehmer durch den VARAN-Ma- nahme-Phase.
nager minimiert den Konfigurationsauf-
FEATURES
BETRIEBS- UND WARTUNGSKOSTEN MINIMIEREN
Die einfache Netzwerkanalyse mit dem vice-Tool steht für Mitglieder der VNO
VARAN-Service-Tool spart Kosten im zum kostenlosen Download bereit.
Betrieb und in der Wartung. Das Ser-
Aufbauend auf der Ethernet-Physik liegt die VARAN-eigene Sicherungs-
schicht, welche die Datenpakete mit einer Checksumme versieht und
Der Eth. Appl.
Anwendungsschicht HTTP/FTP Applikation
-MANAGER
Transportschicht IP UDP
nach dem Layer-Konzept Manager
Vermittlungsschicht IP
des OSI-Modells
Eth MAC DA ASYN ISO
Sicherungsschicht
MAC
Übertragungsschicht Ethernet PHY
die konsistente Übertragung gewährleistet. Datentransfers werden vom
VARAN-Manager initialisiert und den jeweiligen Tasks mit unterschiedlichen
Prioritäten zugeordnet. Fremdpakete wie Standard-Ethernet-Frames wer-
den vom VARAN-Manager an alle Clients im Bussystem übertragen.
10 www.varan-bus.net100% HARDWARE
Anders als bei herkömmlichen Ether- Netzwerk völlig selbständig. Die VHDL-
net-Systemen ist das VARAN-Protokoll Codes von Manager, Splitter und Client
zur Gänze in Hardware abgebildet. In sind im externen Flash Speicher hinter-
Form eines FPGA-Bausteins benötigt legt und werden im jeweiligen FPGA-
der VARAN-Bus weder einen eigenen Baustein ausgeführt. Der VHDL-Code
Prozessor noch Rechenleistung vom stellt auch die Schnittstelle zur appli-
Steuerungssystem. kationsspezifischen Hardware dar und
Der VARAN-Manager organisiert den kann je nach Anforderung angepasst
Datentransfer im gesamten VARAN- werden.
SPI Flash
Standard-Ethernet-Physik nach IEEE 802.3
Ethernet
FPGA Alle Komponenten
Stecker Applikation
Magnetics PHY einer -Anbindung
MINIMALE LATENZZEIT
Für einen Lese- und den nachfolgen- maximal 1,5 Buszyklen – inklusive der
den Schreib-Zugriff auf einen der Bu- Bearbeitung der I/O-Daten durch die
steilnehmer beträgt die Latenzzeit CPU.
BEGINN | neuer Zyklus
BEGINN | neuer Zyklus
BEGINN | neuer Zyklus
Zyklische
Datenverarbeitung
Isochroner
Task
Input / Output
des Daten Daten
Bus-Systems lesen schreiben
Zyklus
CPU Zyklus < 1,5 Buszyklen
11KOMFORTABLE
NETZWERK-ANALYSE
Mit dem VARAN-Service-Tool und grafisches Darstellen der Netzwerkto-
dem VARAN–Analyzer stehen effizien- pologie erleichtern Instandhaltung und
EINFACHE INTEGRATION te Werkzeuge zur Überwachung und Wartung von Maschinen und Anlagen.
NACH CIA-STANDARDS Analyse des Echtzeit-Ethernet-Bussys- Das Auslesen der Geräte-Identifikation
tems zur Verfügung. und Software-Aktualisierungen können
CANopen ist ein weltweit verbreite- Hilfreiche Funktionen wie automati- so mit nur wenigen Mausklicks durch-
tes Anwendungsprotokoll und wird sches Scannen und anschließendes geführt werden.
vom CiA (CAN in Automation) e. V.
vertreten und weiterentwickelt. Die in
CANopen verwendeten Datenobjek-
te, PDO (Process Data Objects) und
SDO (Service Data Objects) sind im
VARAN-Bussystem durch isochrone
und asynchrone Datenobjekte abge-
bildet. Dies erleichtert die Integration
verschiedener Geräte nach den CiA-
Standards.
Durch die wesentlich höhere Band-
breite von VARAN sind Datenlän-
gen von 64 Byte möglich. Da im
VARAN-Bus sowohl die Stationsad-
ressierung als auch die explizite Emp-
fangsbestätigung der Daten durch
den Empfänger im Busprotokoll gelöst
ist, kann die Kennzeichnung der Ob-
jekte über die in CANopen üblichen
Identifier entfallen. Somit können
bestehende CANopen-Geräte ein-
fach in das leistungsstarke Echtzeit-
Ethernet-System integriert werden.
12 www.varan-bus.netSAFETY
ÜBER
In immer mehr Bereichen der Indust- I/Os Modernes
rie sind moderne Sicherheitslösungen Steuerungs-CPU Automatisierungskonzept
mit -Manager
zum Schutz von Mensch und Maschi- und Safety Controller
mit integrierter SAFETY
ne unerlässlich. VARAN bietet die
Möglichkeit, die sicherheitsgerichteten Standard und
Daten nach dem Black Channel Prin- Safety I/Os
zip zu übertragen. Dabei ist das Bus-
system von der Sicherheitsbetrach-
tung ausgeschlossen und ermöglicht
so die Weiterleitung der Safety-Daten
über andere Transportmedien. Zum
Standard und
Beispiel kann ein STO-Signal über das Safety I/Os
VARAN-Bussystem oder eine externe
Rückverdrahtung eingebunden wer-
den. Der Anwender hat somit volle Si-
cherheit bei maximaler Flexibilität. Digitales
STO-Signal
In Anlagen mit Multi-Manager-Netz-
werken können die Sicherheitssignale
über mehrere Maschinen übertragen
werden und stehen so der ganzen Pro-
duktionslinie zur Verfügung. Auf diese
Servo Drives
Weise lassen sich zentrale und de-
zentrale Sicherheitslösungen bis SIL3
nach IEC 62061 und PLe nach EN ISO
13849-1/-2 mit VARAN kostengünstig
und einfach realisieren.
Länge CMD Adresse CNT Daten CRC
Frame 2 Byte 1 Byte 4 Byte 1 Byte 1 bis 128 Byte 2 Byte
Safety Safety Safety Beispiel für die Einbettung
CMD CRC 0 CRC 1 Conn ID
Daten data data
eines SAFETY-Telegramms
13OFFEN UND
HERSTELLERUNABHÄNGIG
Die VARAN-BUS-NUTZERORGANI- stellern erhältlich. Abgerundet wird
SATION (VNO) wurde 2006 gegrün- das Produktspektrum mit Infrastruktur-
det und hält die alleinigen Rechte Komponenten, welche die VARAN-
am VARAN-Bus. Der unabhängige Busteilnehmer unter industriellen Be-
Verein befasst sich kontinuierlich mit dingungen zuverlässig miteinander
Forschung, Weiterentwicklung und verbinden.
Umsetzung neuer Technologien und Für die Anwendungsgebiete von IP20
unterstützt seine Mitglieder bei der bis IP67 wurden von der VNO ver-
VARAN-Implementierung. schiedene Stecker ausgewählt, die auf
Die breite Produktpalette bietet für jede industrielle Tauglichkeit geprüft sind.
Anforderung die richtige VARAN-Kom- Mit der Hybrid-Variante von Steckern
ponente. Verschiedene VARAN-Ma- und Kabel lassen sich Echtzeit-Daten
nager und Erweiterungskarten sowie und Versorgungsspannung über einen
Client-Komponenten in den Bereichen Steckverbinder zum Gerät transportie-
BUS-NUTZERORGANISATION Motion, I/O, Sensorik und Kommunika- ren. Dadurch werden Kosten einge-
tion sind von unterschiedlichen Her- spart und Fehlerquellen minimiert.
STARTER-KITS
Bei der VNO stehen Starter-Kits so-
wie unterschiedliche Manager-/Client-
und Evaluation-Boards zur Auswahl.
Neueinsteiger und erfahrene Entwick-
ler können damit die einfache Funkti-
onsweise und Leistungsfähigkeit von
VARAN kennenlernen und eigene Cli-
ent-Anbindungen realisieren.
14 www.varan-bus.netBUS-NUTZERORGANISATION
EINFACHE -INTEGRATION
Mitglieder der VNO erhalten den Zu- ger-/Client-Boards oder auf VHDL-De-
gang zur vollständigen VARAN-De- signs zurückgegriffen werden. Je nach
signspezifikation, mit der bereits eine Anwendungsfall kann so der optimale
unabhängige Integration möglich Weg für die Implementierung gewählt
ist. Zur einfachen Umsetzung einer werden.
VARAN-Schnittstelle kann auf Mana-
n t h f s
Institut für Nachrichtentechnik
und Hochfrequenzsysteme
15Zweigstelle 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
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