Varan – starke Performance im industriellen Einsatz

Im Serienmaschinenbau mit vielen Bewegungsachsen, wo es darum geht, Prozessdaten schnell und sicher an die Steuerung zu übertragen, liegen die größten Stärken der Varan-Technologie. Mit hohen Abtastraten und der optimale Ausnutzung der Bandbreite, womit sich auch die harten Anforderungen der Antriebstechnik leicht erfüllen lassen. Die Zykluszeit bei Varan wird lediglich durch den Steuerungsprozessor begrenzt, weil dieser die Istwerte auswerten und die Sollwerte in geeigneter Zeit für den folgenden Bustakt zur Verfügung stellen muss. Typische Buszykluszeiten liegen bei schnellen Anwendungen bei 200µs und darunter. Besonders bei hart gekoppelten Motion-Anwendungen, wie sie in der Verpackungs- und Druckindustrie sowie der Robotik oft zu finden sind, spielt Varan seine Vorteile aus: schnelle Kommunikation und Datensicherheit auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Durch das \’Zünden\‘ der IGBTs in den Drives wirken unweigerlich Störungen im kHz-Bereich auf alle Datenleitungen. Sollte ein Übertragungsfehler erkannt werden, wird bei Varan die Nachricht wiederholt und das noch im selben Buszyklus. Somit ist Datensicherheit garantiert. Möglich wird dies durch die Verwendung von kleinen Datenpaketen mit minimalem Overhead. Zudem ist die Wahrscheinlichkeit eines \’Treffers\‘ bei kurzer Paketlänge wesentlich geringer als bei langen Standard Ethernet Paketen anderer Echtzeit-Ethernet Systeme. Die Nutzdatenlänge bei Varan wurde mit 1 bis 128Byte festgelegt. Das Varan Protokoll hat mit 6 bis 15Byte einen wesentlich geringeren Overhead gegenüber Standard Ethernet Telegrammen mit minimal 26Byte. Ein Zugriff auf einen 1Bit Sensor ist bei Standard-Ethernet-Telegrammen mit erheblichen Overhead verbunden und daher nicht flexibel genug. Die Aktualisierungszeiten sind ein wesentlicher Aspekt bei Echtzeit-Ethernet-Netzwerken. Für den typischen Zugriff auf einen Drive mit 16Byte werden bei Varan lediglich 5,05µs benötigt. Präzision steigt Neben der Schnelligkeit punktet Varan auch bei der Präzision. Mit einem Synchronitätsjitter deutlich kleiner als 100ns wird die Kommunikation noch präziser. Die Maschinen arbeiten noch effizienter und die Qualität des Endproduktes steigt. Flexibles Maschinendesign Selbst komplexe Maschinenkonzepte lassen sich mit Varan durchgängig und flexibel realisieren. Stern-, Linien und Baumstrukturen werden in beliebiger Kombination unterstützt. Beim Netzwerkdesign gibt es somit viel Freiraum. Über Gateways können auch ältere Geräte im Varan-Netzwerk integriert und so weiter verwendet werden. Mit der Varan-Multi-Manager-Struktur können Maschinen und Anlagen modular aufgebaut und nachträglich mit geringem Aufwand erweitert werden. Durch die Hot-Plug-Fähigkeiten lassen sich Module bzw. ganze Anlagenteile \’on-the-fly\‘ in eine Maschine einbinden bzw. abkoppeln – und das bei voller Produktionsgeschwindigkeit, ohne Re-Organisation des Varan-Netzwerkes. Die Aufsynchronisierung mit der Maschine erfolgt automatisch und weist auch bei Multi-Manager-Systemen einen Jitter von unter 100ns auf. Es besteht höchste Sicherheit, da jeder Busteilnehmer mit einem elektronischen Typenschild ausgestattet und somit eindeutig identifizierbar ist. Neben den Kennungen können im Typenschild auch Anwendungsdaten gespeichert werden. Die Anschlussbelegung, die Dokumentation oder ein Wartungsnachweis kann direkt im Busteilnehmer gespeichert werden und im laufenden Betrieb einer Maschine über das Varan-Netzwerk parallel zur Echtzeitkommunikation von zentraler Stelle ausgelesen werden. Für Wartungseinsätze ist dies ein großer Vorteil, da alle erforderlichen Beschreibungen direkt in den Komponenten gespeichert sind. Unterschiedliche Tasks für verschiedene Aufgaben Bei der Varan-Kommunikation kommen verschiedene Taskklassen zum Einsatz, um die Bandbreite der Ethernet-Physik optimal zu nutzen. Höchste Priorität hat der isochrone Task: Soll- und Istwerte für schnelle Regelungen wie z.B. die Positionsregelung bei Motion-Anwendungen werden hier übertragen und die Regelsysteme über das Bussystem geschlossen. Üblicherweise werden nicht mehr als 50% der Bandbreite für isochrone Daten genutzt. Die verbleibende Zeit wird verwendet, um asynchrone und administrative Daten zu übertragen. Im asynchronen Task werden Varan-Datenobjekte mit geringerer Priorität übertragen, beispielsweise SDOs oder Temperaturwerte. Der Task mit der geringsten Priorität ist der administrative Task. In dieser Task-Klasse wird auf neue Busteilnehmer geprüft und die Tunnelung von Varan-fremden Protokollen durchgeführt. Die sogenannten \’Foreign-Packages\‘ werden bei Bedarf in kleine Einheiten mit bis zu 128Byte zerteilt, über das Netzwerk transportiert und an den erforderlichen Stellen im Netzwerk durch den Einsatz von FIFO-Buffern wieder zusammengefügt. Im Administration Task können Standard-Ethernet-Telegramme, RS 232, CANopen und beliebige andere Telegramme übertragen werden. Ein spezielles Varan-Feature ist der asynchrone Direct Access zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Damit lässt es sich direkt aus der Steuerungsapplikation auf Ereignisse reagieren, ohne dass der Start des nächsten Buszyklus abgewartet werden muss. So kann die Latenzzeit wesentlich verkürzt werden. Fremde Daten werden bei der Tunnelung nicht interpretiert, wodurch die Varan-Kommunikation nicht beeinflusst werden kann. Das gesamte Netzwerk ist nach außen geschützt und wie ein großer Hub zu betrachten. Eine Anbindung an die Office-Ebene ist gefahrlos und ohne zusätzliche Sicherheitseinrichtungen wie Firewalls möglich. Bei Safety-Anwendungen arbeitet Varan nach dem Black-Channel Prinzip. Die sicherheitsgerichteten Telegramme sind in Varan-Pakete eingelagert. Safety-Lösungen können beliebig – zentral oder dezentral – realisiert werden. Die frühere diskrete Verkabelung ist nicht mehr erforderlich und die Sicherheitstechnik wird integraler Bestandteil beim Engineering. Einfach einsteigen Das Starter-Kit VSK 001 bietet einen einfachen Einstieg in die Echtzeit-Ethernet Technologie Varan. Neueinssteiger und erfahrene Entwickler können die einfache Funktionsweise und Leistungsfähigkeit von Varan kennen lernen und eigene Client-Anbindungen realisieren. Beim VSK 001 ist der Varan-Manager in einem PC mit Standard-Netzwerkkarte als Softwarelösung realisiert. Mittels einfachen Befehlssatzes werden Soll- und Istwerte mit einem Client ausgetauscht, wodurch eine lauffähige Varan-Kommunikation schnell realisiert werden kann. Als Varan-Client kommt das Evaluation-Board VEB 021 mit aufgestecktem Client-Board VEB 011 zum Einsatz. Für eine Vielzahl von Testmöglichkeiten stehen auf dem Evaluation-Board digitale und analoge Ein- und Ausgänge sowie ein Temperatursensor, ein Potentiometer und ein Relais zur Verfügung. Ohne Programmieraufwand werden mit der im Starter-Kit enthaltenen Demo-Software die Ein- und Ausgänge des Evaluation-Board bedient. Für komplexere Anbindungen kann ein Mikrocontroller direkt an das VEB 021 angeschlossen werden, wobei der Datenaustausch einfach über Adress- und Datenleitungen erfolgt. Das Varan-Client-Board VEB 011 lässt sich abnehmen und in professionelle Eigenentwicklungen integrieren. Auf der im Starter-Kit enthaltenen CD sind alle erforderlichen Treiber sowie der Source-Code der Demo-Software vorhanden. Durch Anpassen der Demo-Software können bei einer Neuentwicklung auch anspruchsvollere Varan-Clients, wie z.B. Antriebsregler, betrieben werden.