Varan-Bus: Schnell und einfach ans Ziel

Eine schnelle Time-to-Market bedeutet auch im harten Echtzeit-Rennen einen wichtigen Wettbewerbsvorteil. Mit geringen Anbindungskosten und einer kurzen Implementierungsdauer erarbeitet sich Varan einen großen Zeitvorsprung. Die Varan-Technologie basiert auf der Standard-Ethernet-Physik nach IEEE802.3. Das Protokoll ist in Hardware umgesetzt. Da alle Echtzeit-Kommunikationsaufgaben durch ein FPGA erledigt werden, steht der Geräte-CPU die volle Bandbreite für die eigentliche Aufgabe zur Verfügung. Erklärtes Rennziel sind optimierte Echtzeitperformance, Offenheit und einfache Funktionsweise. Dabei wird großes Augenmerk auf die Datensicherheit und Verfügbarkeit gelegt. Wenige Bauteile: Pole-Position Eine Varan-Anschaltung lässt sich mit wenigen Bauteilen realisieren. Sie besteht im Wesentlichen aus folgenden Standardkomponenten: Stecker, Trafo (Magnetics), PHY, FPGA und seriellem Flash. Die Kosten eines FPGA liegen unter vier Euro. Eine Varan-Bus-Anbindung ist dadurch günstig und kann so auch in einfache Komponenten wirtschaftlich integriert werden. Da alle Bauteile von verschiedenen Produzenten verfügbar sind, ist eine Herstellerunabhängigkeit und somit Zukunftssicherheit garantiert. Die Teilnehmer-Anschaltung vereinigt alle Bus-Funktionen in einem FPGA, wodurch die Integration in Peripheriegeräte mit geringem Software-Aufwand ermöglicht wird. Ein FPGA ist ein frei programmierbarer Logikbaustein, der bei Varan die Protokollbearbeitung erledigt und zusätzlich Anwendungsaufgaben ausführen kann. Das DPRAM oder der Wechselpuffer ist im FPGA integriert. Auf diesen linearen Speicher greifen Mikrocontroller und Varan-Bus beim Datenaustausch zu. Hier sind alle zyklischen und azyklischen Soll- und Istwerte eingetragen. Komplexere Mechanismen, die auf Objektverzeichnissen basieren, werden ebenfalls im DPRAM bzw. Wechselpuffer abgebildet. Die Verbindung zwischen FPGA und Mikrocontroller erfolgt über einen parallelen Bus mittels Adress- und Datenleitungen oder eine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface). Die gesamte Varan-Bus-Anbindung kann vom Gerätehersteller als Black-Box betrachtet werden. Im Direct-I/O-Modus ist kein Mikrocontroller erforderlich. Die E/A-Signale werden ohne Verarbeitung an Pins des FPGA weitergeleitet. Somit steht für einfache Anwendungen bis hinunter zum 1Bit-Schalter eine kostengünstige Anbindungsmöglichkeit an das hochperformante Industrial-Ethernet-Netzwerk Varan zur Verfügung. Zykluszeiten <100µs realisierbar Der Varan-Bus basiert auf dem Manager-Client-Prinzip. Das Protokoll wurde für die industrielle Automatisierung optimiert. Es werden kurze Telegramme verwendet, und der Frame-Header besteht lediglich aus 5Byte inklusive CRC. Beim Standard Ethernet Frame werden 64Byte minimaler Dateninhalt benötigt, das gestraffte Varan-Protokoll kommt ohne die sogenannten \'padding Bytes\' aus. Das sorgt für hohe Netto-Übertragungsraten und bietet genügend Performance-Reserven für die Zukunft. Es können Zykluszeiten von unter 100µs realisiert werden. Kurze Zykluszeiten erhöhen die Regelgenauigkeit und letztendlich die Produktqualität. Sicherheit garantiert Der Varan-Bus wiederholt unquittierte Telegramme noch im gleichen Buszyklus. Wird also ein Kommando nach einer definierten Timeout-Zeit nicht beantwortet, wiederholt der Manager diesen Befehl sofort (Retry). Das bedeutet, dass am Ende des Buszyklus die Daten immer aktuell und konsistent sind. Diese Fähigkeit kann kein anderes Echtzeit-Ethernet-System aufweisen. Alle Teilnehmer am Varan-Bus werden beim Hochlauf automatisch adressiert. Jedem Client ist ein definierter Speicherbereich zugewiesen. Der Zugriff auf die Varan-Clients erfolgt kompakt mit Memory-Read/Write-Befehlen. Der Varan-Manager sieht das ganze Netzwerk wie einen 4GByte-Speicher. Bei der Kommunikation des Varan-Managers mit einem Busteilnehmer erfolgt ein direkter Zugriff auf dessen Memory-Bereich. Die Prozessdaten landen dabei direkt im Client-DPRAM bzw. Wechselpuffer und stehen dem Mikrocontroller für die weitere Verarbeitung zur Verfügung. Über das zeitlich hochgenaue Sync-Signal kann der Mikrocontroller mit dem Bus synchronisiert werden. Auch auf der Manager-Seite muss sich die Steuerung nicht um die Varan-Kommunikation kümmern, da die Protokollbearbeitung auch hier im FPGA abläuft. So können auch bei hoher Busauslastung kostengünstige Prozessoren für die Steuerung verwendet werden. Die Kompatibilität zwischen einzelnen Geräten muss nicht geprüft werden, da jedes Gerät am Bus direkt angesprochen wird. Plug-Feste bleiben der Welt der Ringtopologien vorbehalten, da hier jedes Gerät die Gesamtkommunikation maßgeblich beeinflussen kann. Schnell einsteigen und starten Am schnellsten können Komponentenhersteller Varan mit Piggy-Back-Platinen in ein Gerät implementieren. Für den Zugriff auf das DPRAM oder den Wechselpuffer im FPGA sind keine aufwendigen Softwareschnittstellen im Mikrocontroller erforderlich. Wenn ein Varan-Client in ein neues Hardware-Design eingebunden werden soll, können auch vorprogrammierte Bauteile verwendet werden. Für Client-Schaltungen mit eigenem FPGA kann der komplette Varan VHDL-Source-Code bezogen werden. Durch den offenen Source Code erhält der Anwender einen tieferen Einblick in die Protokollabarbeitung. Das vereinfacht Erweiterungen. Für den Aufbau von Linienstrukturen kann die Varan-Splitter-Funktionalität bereits im Gerät implementiert werden. Eine Mehr-Port-Lösung lässt sich so einfach realisieren. Auch für Varan-Manager gibt es unterschiedliche Lösungen: PCI-Einschubkarten, Piggy-Back-Platinen für die eigene Realisierung von Varan-Managern und FPGA Source Code. Der VHDL-Source-Code für Manager, Client und Splitter ist für FPGAs verschiedener Hersteller verfügbar. Flexibler Kurs mit Hot-Plug Die Topologie (Stern, Baum, Linie bzw. eine Mischung davon) kann frei gewählt und damit an die Applikation angepasst werden. In vielen Applikationen wie beispielsweise Verpackungsmaschinen ist eine Änderung der E/A-Konfiguration im Betrieb nötig. Die Hot-Plug-Fähigkeit ermöglicht das Hinzufügen oder Entfernen von Busteilnehmern im laufenden Betrieb. So lässt sich das Netzwerk flexibel anpassen. Der Anwender kann das Komponenten-orientierte Denken auf die Feldebene übertragen und einzelne Maschinenmodule bzw. Bearbeitungszellen je nach Bedarf in die Echtzeit-Kommunikation aufnehmen bzw. von dieser abkoppeln. Eine Neukonfiguration des Netzwerkes ist nicht erforderlich. Mit der Varan-Multi-Manager-Struktur lassen sich Maschinen und Anlagen modular aufbauen. Die verteilten SPS-Systeme synchronisieren sich automatisch, wodurch eine ganzheitliche Echtzeitkommunikation mit geringem Jitter (<100ns) erzielt wird. In den einzelnen Steuerungen sind sogar unterschiedliche Zykluszeiten möglich. Ein weitere Eigenschaft ist das elektronische Typenschild, das in jedem Varan-Bus-Teilnehmer hinterlegt ist und ihn eindeutig identifizierbar macht. Somit ist gewährleistet, dass Komponenten mit identischer Gerätekennung funktionskompatibel und beliebig tauschbar sind. Zusätzlich können im Typenschild anwenderspezifische Dateien wie eine Produktdokumentation, Anschlusspläne usw. abgelegt werden. Offen und unabhängig