Varan-Protokoll
Echtzeit in der Antriebstechnik
Speziell in der Antriebstechnik kann Industrial Ethernet große
Zuwachsraten aufweisen. Die Motion-Control-Anwendungen werden – genauso wie die Maschinen – immer komplexer und benötigen daher ein sehr leistungsfähiges Kommunikationssystem, das hohe Datenübertragungsraten, geringen Jitter und einen deterministischen Betrieb sicherstellt.
Die Zahl der Antriebe pro Maschine steigt. Und gerade bei der Achsregelung sind kleine Buszykluszeiten und Determinismus von großer Bedeutung. Die Datenpakete müssen in harter Echtzeit sicher übertragen werden. Ein Ausfall eines Datenpaketes, oder nur eine zeitliche Verzögerung, kann in der Regelung dynamischer, elektromechanischer Antriebe gravierende Folgen haben. Bei hoch performanten Systemen werden die Positionsangaben innerhalb weniger Mikrosekunden übertragen. Der Varan-Bus ermöglicht es, Drives mit je 16Byte-Ist- und -Soll-Werten mit einem einzigen Schreib/Lese-Befehl in 5µs zu aktualisieren. Damit bietet das Echtzeit-Ethernet-System Vorteile speziell bei Anwendungen, bei denen es um hohe Geschwindigkeit und Synchronisationsqualität geht.
Schnell einsatzbereit
Die Time-to-Market spielt heute im Maschinenbau und somit auch in der industriellen Automatisierungstechnik mehr denn je eine Schlüsselrolle für den Unternehmenserfolg. Die möglichst einfache Implementierung einer Feldbusanbindung gewinnt daher zunehmend an Bedeutung: Wer den dafür erforderlichen Zeitaufwand minimieren kann, ohne Kompromisse bei der Qualität machen zu müssen, ist gegenüber Mitbewerbern im Vorteil. Der Varan-Bus wurde bewusst einfach gestaltet. Durch die Betrachtung des gesamten Kommunikationsnetzes als großen Speicher ist keine aufwendige Treiber-Software für den Betrieb des Netzwerkes nötig. Jedem Client wird ein definierter Speicherbereich zugewiesen. Dadurch reduziert sich der Befehlsumfang auf wenige Kommandos: einfache Schreib- und Lesebefehle, die je nach Bedarf auch zu einem einzigen Read/Write-Befehl kombiniert werden können. So kann ein Varan-Netz sowohl hardware- als auch softwareseitig schnell und effizient realisiert werden. Die Implementierung kann auf Basis marktreifer und erprobter Aufsteckplatinen sowie durch die Integration des VHDL-Codes innerhalb kurzer Zeit erfolgen. Die sogenannten Manager- und Client-Boards ermöglichen eine einfache und schnelle Implementierung in alle möglichen Peripheriegeräte. Der Datenaustausch kann über DPRAM, Bus-Interface oder SPI erfolgen. Zudem ist im E/A-Modus auch direktes Setzen und Lesen von E/As möglich. Die Integration des VHDL-Codes in den FPGA des Geräteherstellers bringt ebenfalls Vorteile. Durch den geringen Platzbedarf des Varan-VHDL-Codes können Drives, mit bestehender ethernetbasierter Feldbusanbindung, ohne Anpassung der Hardware mit dem Varan-Interface ausgestattet werden.
Daten kommen sicher an
Bei der Entwicklung von Varan wurde auch ein besonderes Augenmerk auf die Datengültigkeit gelegt. Auf jeden Befehl des Managers erfolgt unmittelbar die Rückbestätigung des Clients. Antwortet dieser innerhalb der vereinbarten Timeout-Zeit nicht, oder ist die Antwort fehlerhaft, wiederholt der Manager bis zum Erhalt einer gültigen Rückbestätigung den Befehl, ohne den Nachrichtenzähler zu erhöhen. Dadurch erkennt der Client den Befehl als Wiederholung. Dieser Vorgang garantiert, dass am Ende des Buszyklus alle Prozessdaten konsistent sind. Die permanente Überprüfung der Datengültigkeit – auch bei Buszykluszeiten unter 100µs – wird erst durch die Verwendung der kleinen Varan-Daten-Frames (1 bis 128 Bytes) möglich. Dies ist gerade in der Antriebstechnik ein großer Vorteil, da Antriebe bekanntlich durch das Takten der Endstufe regelmäßig Störeinflüsse im kHz-Bereich (üblicherweise bei 16kHz) produzieren. Diese Störeinflüsse wirken unweigerlich auch auf das Bussystem. Varan ist dafür gerüstet. Durch den Einsatz der kleinen Datenpakete anstatt langer Standard-Ethernet-Frames kann einerseits das störungsfreie Zeitfenster für die Datenübertragung genutzt werden. Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit der Zerstörung einer Nachricht bei der kurzen Varan-Paketlänge extrem gering. Sollte dieser Fall trotzdem eintreten, wird die Nachricht sofort innerhalb desselben Buszyklus wiederholt.
