Kurz vor der Hannover-Messe stellte Sigmatek der Presseöffentlichkeit ein neues echtzeitfähiges industrielles Kommunikationssystem auf Ethernetbasis vor: Varan. Varan steht für Versatile Automation Random Access Network. Am Anfang der Varan- Entwicklung standen Fragen, unter anderem: \“Welchen Kundennutzen bieten die derzeit propagierten Echtzeit-Ethernet-Lösungen wirklich?\“, \“Sind diese Lösungen schon verfügbar?\“, \“Ist die Implementierung ohne Erhöhung der derzeitigen Kostenstruktur möglich?\“, \“Wie ist das Systemverhalten im harten Industrieumfeld?\“ und schließlich \“Ist irgendeines dieser Systeme für jedermann offen?\“ Daraus wurden die Anforderungen an das neue System Varan abgeleitet. Harte Echtzeit Die Anforderungen der harten Echtzeitsteuerung wurden mit denen der Automatisierung kombiniert und mit Ethernet-Technologie umgesetzt. Dementsprechend ist auch der TCP/IP-Querverkehr im Varan-System integriert. Damit diese Technologie auch wirklich von allen eingesetzt werden kann, wird sie vollkommen offengelegt. Die Teilnehmer-Anschaltung ist in einem FPGA realisiert. Sie vereinigt alle Bus-Funktionen in einem Chip, wodurch die Integration in Peripheriegeräte ohne Softwareaufwand möglich wird. Dadurch kann in kurzer Zeit ein breiter Markt für busfähige Aktoren/Sensoren entstehen. Da der Bus-Manager zahlreiche Funktionen in einem Chip integriert, ist der Betrieb mit wenig Softwareeinsatz und CPU-Ressourcen möglich. Dadurch werden auch die Entwicklungsaufwendungen für Steuerungshersteller reduziert. Maximal ein Jahr haben sich die Verantwortlichen als Zeitrahmen von der ersten Vision bis zur spürbaren Marktdurchdringung gesetzt. Funktionsprinzip Das Grundprinzip von Varan ist einfach: Das Netzwerk erscheint als großer Speicher, in dem jede Adresse vom Master in beliebiger Reihenfolge schreibend und lesend angesprochen werden kann. Die Datenlänge eines Zugriffs ist auf max. 128Byte begrenzt. Alle Nachrichten werden vom betreffenden Empfänger rückbestätigt. Die kurzen Übertragungszeiten des Verfahrens ermöglichen die sofortige Wiederholung zerstörter Daten innerhalb desselben Bustakts. Am Ende eines Buszyklus sind daher alle Daten gültig. Varan ist hart echtzeitfähig. Ein 16Bit-Messwert – respektive 16 E/As – benötigt weniger als 2µs. Auf Adressschalter kann verzichtet werden, wodurch schwer zu lokalisierende Fehlerquellen vermieden werden können. Das Bussystem ist in der Lage, mehr als 30.000 Teilnehmer zu verwalten. Das Netzwerk kann in jeder beliebigen Mischung von Stern-, Baum- und Linientopologie aufgebaut werden. Alle Busteilnehmer werden vom Bus-Manager synchronisiert. Zusätzlich können alle Teilnehmer zueinander hart synchronisiert werden. Ethernet-Querverkehr wird in den freien Zeitschlitzen vom Bus-Manager abgewickelt. Der Bus-Manager Der Bus-Manager übernimmt die gesamte Koordination des Datenverkehrs. Das Interface zur CPU ist als RAM ausgeführt, in dem Datenobjekte zur Kommunikation mit den Clients angelegt werden. Jedes Datenobjekt besteht aus einem Descriptorfeld und einem Datenfeld. Der Bus-Manager verfügt über mehrerer, nach Prioritäten gestufte Bereiche zur Aufnahme solcher Objekte. Die oberste Priorität haben die Realtime (RT)-Objekte. Der Bus-Manager sendet am Beginn jedes Buszyklus zuerst einen SYNC Befehl und arbeitet anschließend die Liste der RT- Objekte ab. Eine Möglichkeit, die Abarbeitung der RT-Objekte zu unterbrechen, ist der asynchrone Direktzugriff. Das Aktivieren eines dafür vorgesehenen Objekts erlaubt den Zugriff auf Clients mit einer Latenzzeit von weniger als 11µs. Nach Abarbeitung der RT-Objekte werden die Objekte in der Liste für zyklische, jedoch nicht zeitkritische Datenübertragungen bearbeitet. In einem reservierten Restzeitfenster werden Aktivitäten wie das Abscannen auf neue Teilnehmer oder empfangene Querverkehrspakete aus der externen Ethernetwelt abgewickelt. Technik Die Realisierung von Varan erfolgt in FPGAs. Das bedeutet, die Verwendung gängiger Bauteile (Altera, Xilinx) konkurrierender Wettbewerber und nicht zuletzt Offenheit sowie Zukunftssicherheit. Für die Realisierung sind keine Asics erforderlich. Asic-Hersteller können Varan jedoch umsetzen. Das Protokoll ist komplett in Hardware realisiert. Der damit erreichbare günstige Preis, zusammen mit der einfachen Implementierbarkeit erschließt das breite Einsatzfeld der Aktoren und Sensoren. Der Physical Layer ist kompatibel zur IEEE802.3. Das heißt, es werden CAT5-Leitungen verwendet, die physikalische Übertragung erfolgt mit 125MBit mittels 4B/5B-Kodierung, womit sich ein Datenstrom von 100MBit ergibt. Die Übertragungstechnik 100BaseTX aus der Ethernetwelt bietet neben dem Vorteil der weltweiten Verbreitung zusätzlich die galvanische Trennung der Busteilnehmer. Die Leitungseinkoppelung erfolgt über Transformatoren (galvanische Trennung). Es werden Standard-Ethernet-PHYs und Transformatoren verwendet. Elektronisches Typenschild Jeder Busteilnehmer muss ein standardisiertes Typenschild enthalten. Das Typenschild dient dazu, einen Teilnehmer eindeutig identifizieren zu können. Hier werden Inhalte wie Bus-Version, Vendor ID, Device ID usw. verwaltet. Ausblick Das komplett offengelegte Verfahren kann, darf und soll von jedermann eingesetzt werden. Schon seit Ende März 2006 sind nicht nur FPGAs, sondern komplette Client-Submodule zur einfachen Integration in Aktoren und Sensoren lieferbar. Andere Firmen haben den von Sigmatek gelieferten VHDL-Code bereits in eigene Designs integriert. Derzeit arbeiten bereits mehrere Firmen an der Implementierung von Varan in Serienmaschinen. Kasten 1: Roadmap Januar 2006: Präsentation der Idee anlässlich einer VDMA-Veranstaltung Februar 2006: Aufgrund des starken Interesses des Maschinenbaus Entschluss zur Offenlegung März 2006: Erste Produkte fertig April 2006: Auf der HMI werden auf drei Messeständen die ersten Produkte ausgestellt November 2006: Bis zur SPS/IPC/Drives 2006 sollen die ersten Maschinen ausgeliefert sein Noch in diesem Jahr wird die Gründung einer unabhängigen Nutzer-Organisation erfolgen. Oktober 2007: Varan im Einsatz in der Kunststofftechnik auf der K 2007 in Düsseldorf Kasten 2: Die wichtigsten Vorteile im Überblick -Einfach, weil Protokoll komplett in #Hardware# gelöst wurde -Preiswert, dadurch auch in Aktoren/Sensoren einsetzbar -Sicher, weil alle wichtigen Nachrichten bestätigt und im Fehlerfall sofort wiederholt werden -Galvanisch getrennt durch die Übertrager-Technik des 100BaseTX -Schnell: < 2 µs für einen 16Bit-Messwert oder 16 E/A -Hart echtzeitfähig Jitter <100 Nano-Sekunden -Sehr großer Adressraum >30.000 Teilnehmer gleichzeitig in einem Netzwerk möglich -Benötigt keine Adressschalter, da die Adressen über den Bus zugewiesen werden -Erprobte Physik: 100BaseTX -Preiswerte Standard-Leitungen CAT5 -Lässt sich mit den gängigen Bauteilen von Altera und Xilinx realisieren -Keine Asics erforderlich, jedoch von Asic-Herstellern umsetzbar -Die Technologie darf von jedem eingesetzt werden -Das Verfahren wird komplett offengelegt -Standard-Ethernet-Telegramme können über das gleiche Netzwerk laufen -Bereits verfügbar
Sigmatek GmbH & Co KG
