Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

VARAN – průmyslový Ethernet pro tvrdý reálný čas

V článku je popsáno technické řešení dalšího nastupujícího standardu průmyslového Ethernetu. Systém VARAN je průmyslový Ethernet vyvinutý firmou Sigmatek pro účely především automatizace strojů a linek. Má periodu cyklu asi 100 μs s nejistotou asi 1 μs a umožňuje během jednoho pracovního cyklu sítě přenášet izochronní, asynchronní a administrativní data. Rovněž dovoluje přerušit standardní cyklus sítě až na dobu 25 μs, během které mohou být realizovány neplánované časově kritické přenosy dat. Zásobník komunikačního protokolu sítě je realizován obvodově (FPGA).
 
Průmyslová komunikační síť VARAN (Versatile Automation Random Access Network) je další, prozatím nejmladší systém ze skupiny komunikačních sběrnic typu průmyslového Ethernetu. Byla vyvinuta německou firmou Sigmatek, jednou z předních evropských firem v oboru automatizační techniky, a poprvé prezentována na výročním zasedání organizace VDMA ve Frankfurtu nad Mohanem v lednu 2006. Od téhož roku je podporována skupinou výrobců a uživatelů VNO (VARAN Bus User Organization). Její následný vývoj probíhal v péči organizace VNO a v součinnosti s potřebami výrobců strojů a zařízení. Standard sítě je otevřený a VNO dbá o jeho průběžný vývoj a dohlíží na technické i standardizační zajištění.
 
Síť VARAN je určena k přenosu dat mezi automatizačními prostředky a řízenými stroji v mnoha různých režimech od internetových zpráv a parametrizačních a konfiguračních údajů až po časově nejnáročnější úlohy, jejichž vrchol představuje izochronní režim komunikace v reálném čase.
 
Významné je, že komunikační síť VARAN byla vyvinuta jako systém, který má využívat nejefektivnější z mechanismů současných standardů průmyslových sítí, včetně sítí typu průmyslového Ethernetu. Při vývoji byl kladen velký důraz i na nízkou cenu, jednoduchou instalaci, vysoký výkon, a především na spolehlivost výsledného systému.
 

Principy systému VARAN

 
Základem systému VARAN je tzv. 100megabitový Ethernet (IEEE 802.3 100TX), přičemž linková vrstva je zde nahrazena vlastním řešením. Pro řízení provozu v síti je zvolen princip master-slave (ve standardu označovaný jako vztah manager-client), kde řídicí stanice (master, manager) iniciuje veškerou komunikaci a příslušná řízená stanice (slave, client) okamžitě odpovídá. To zajišťuje provoz v síti bez kolizí.
 

Struktura sítě

Celá síť podle standardu VARAN se chová jako jeden paměťový prostor o velikosti 4 GB, v němž je každé stanici vyhrazen adresový prostor o velikosti 64 kB. Toto uspořádání umožňuje přistupovat k datům při použití operací čtení a zápisu (read/write) a značně zjednodušuje adresování v síti i vývoj aplikačních programů. Synchronizace každého účastníka je zaručena s nejistotou (jitter) menší než 100 ns. V systému tudíž nejsou zavedeny distribuované síťové hodiny podle standardu IEEE 1588.
 
Úkoly související se správou sítě jsou distribuovány do relativně jednoduchých programovatelných hradlových polí (FPGA), která jsou v řídicí stanici (VARAN manager) i v každé podřízené stanici (VARAN client). Cenově vychází rozhraní VARAN podřízených stanic stejně, jako kdyby šlo o standardní průmyslovou sběrnici. Celý protokol je realizován při použití obvodu typu FPGA. Je tedy řešen obvodově (hardwarově), což vede k velkému výkonu (rychlosti) sítě. Hardwarová realizace komunikačních protokolů v systému VARAN také zmenšuje zatížení řídicích procesorů (v PC nebo PLC) činnostmi souvisejícími s přenosy dat a správou sítě.
 
Komunikační model protokolu sítě VARAN umožňuje přenášet standardní ethernetové rámce jiných úloh (s použitím tunelování) a aplikační (řídicí) program obchází standardní protokoly TCP/IP a přistupuje přes vrstvu VARAN manager, obsahující tři oblasti s rozdílnou prioritou (DA – přímý přístup, ASYN – asynchronní přenos, ISO – izochronní přenos), do vrstvy řízení přístupu k médiu VARAN MAC.
 

Fyzická vrstva

V systému VARAN lze napájet komponenty po síti. Stupně krytí IP67 je přitom možné dosáhnout dvěma způsoby. K připojování zařízení s malým příkonem (lze odebírat proud do 2 A) je určen osmikolíkový konektor M12. Pro komunikující zařízení s větším odebíraným proudem je certifikován dvanáctikolíkový (osm + čtyři) konektor typu Power Ethernet. Oba konektory i odpovídající kabely jsou kompatibilní se systémem strukturované kabeláže kategorie Cat-5 i při plném využití napájecích schopností. Pro instalaci v nenáročném prostředí, kde vyhovuje krytí IP20 (rozváděče apod.), je certifikován konektor RJ45. I zde mohou být periferní zařízení napájena po síti proudem do 2 A. Pro samotnou komunikaci, bez potřeby napájení po síti, lze používat obě varianty: čtyřkolíkový konektor M12 v provedení IP67 a konektor RJ45 v provedení IP20 (jako tzv. konektor VARAN).
 

Vrstva MAC

Systém VARAN používá fyzickou vrstvu sítě Ethernet, a proto i komunikační protokol sítě VARAN původně vycházel z protokolu Ethernet. Avšak pro velkou režii, zatěžující přenos dat u standardní sítě Ethernet, by při použití standardního uspořádání rámce nebyly dodrženy požadavky determinismu sítě s požadovanou periodou cyklu kratší než milisekunda (tzv. hard real-time). Z tohoto důvodu byl navržen redukovaný rámec Ethernetu znázorněný na obr. 2.
 
Z obr. 2 je patrné, že oproti standardnímu rámci Ethernetu rámec systému VARAN neobsahuje adresová pole a maximální délka datového pole je 128 B (u standardního Ethernetu 1 490 B). Standardní režie spotřebuje u rámce VARAN jen 6 B (maximálně 16 B), zatímco standardní Ethernet má minimální režii 26 B.
 
Délka datového pole pro vstupní a výstupní, řídicí a regulační data v systému VARAN je maximálně 128 B. Při výskytu chyby lze tudíž datový rámec opakovat ještě v tom samém cyklu sítě, což je jeden z požadavků na vlastnosti sítě (obr. 3).
 
Výsledkem je, že na konci každého cyklu sítě jsou ve všech stanicích platná data. Tento způsob zabezpečení (opakováním) není možný u standardního Ethernetu, a to pro příliš velký blok dat v jeho rámci.
 

Přenos dat v síti VARAN

 
Z komunikačního modelu na obr. 1 je patrné, že vyšší komunikační funkce v síti zajišťuje vrstva protokolu VARAN manager, která řídí komunikaci. Na aplikační úrovni nejsou stanoveny žádné profily zařízení pro protokol VARAN, ale je možné využívat profily pro protokol CANopen.
 

Přenos dat

Celá síť VARAN se řídicí stanici (VARAN manager) jeví jako jeden paměťový prostor o celkové velikosti 4 GB. Stanice VARAN manager obsluhuje celou paměť, která může pojmout až 65 280 účastníků (klientů). Každému klientu je při připojení vyhrazen adresový prostor o velikosti 64 kB. Fyzicky je paměť umístěna vždy v klientských stanicích. Způsob adresování a lokalizace paměti jsou znázorněny na obr. 4.
 
Řídicí stanice zná adresové místo každého klientu, což umožňuje programovat úlohy při použití jednoduchých instrukcí čtení/zápis. Například předpokládejme, že klient získal měřenou veličinu. Aby hodnota měřené veličiny mohla být zpracována v aplikačním programu, použije se jednoduchá instrukce typu „čti počet n bajtů začínajících na adrese X v síti VARAN“. Na úplném konci cyklu sítě budou všechna naměřená data konzistentní a k dispozici v aplikačním programu pro další zpracování. Protože VARAN manager v případě chyby při přenosu automaticky opakuje příkazy, a to i při porušení paketu, jsou data stále platná a aktuální. Sada instrukcí navíc obsahuje kombinované příkazy ke čtení/zápisu a instrukce pro vysílání hromadných zpráv (broadcast).
 
Přenos dat je cyklický, začátek cyklu je dán globálním synchronizačním příkazem SYNC vysílaným řídicí stanicí. Následně jsou přenášena data formou výzva/odpověď, a to podle stanovených priorit. Nejprve jsou přenášeny izochronní datové objekty, následně asynchronní datové objekty a na konci cyklu jsou přenášena data administrativních úloh, jako např. vyhledávání nových stanic nebo přenos standardních ethernetových rámců. Asynchronní přímý přístup (DA) umožňuje přerušení komunikace během cyklu a okamžitý přenos dat, přičemž doba přerušení je maximálně 25 μs. Příklad přenosu dat různé priority v rámci komunikačního cyklu v síti VARAN je ukázán na obr. 5.
 
V případě extrémně krátké periody cyklu nebo přenosu velkého objemu izochronních dat nezbývá v cyklu sítě dostatek času na přenos administrativních dat přenášených celým ethernetovým rámcem. S ohledem na mnohem kratší datový rámec v síti VARAN je nutné tato „dlouhá“ administrativní data rozdělit na malé pakety (do 128 B) a přenést je po částech.
 

Topologie sítě

Síť VARAN má v základě liniovou topologii. Realizovat topologie typu strom a hvězda nebo jejich kombinací umožňuje zvláštní rozdělovač, tzv. VARAN splitter, který funguje obdobně jako rozbočovač (hub), ale zároveň také zabraňuje nežádoucímu přístupu do sítě VARAN. Funkce rozdělovače může být součástí funkčních schopností každého klientu v síti.
 
Při použití speciálního typu řídicí stanice VARAN manager lze propojením několika segmentů sběrnice VARAN realizovat také strukturu typu multimaster. Jde o speciální stanici s pamětí typu RAM se dvěma porty, která se na jednu stranu chová jako VARAN manager a na druhou jako VARAN client. Funguje tedy jako brána. Stanice tohoto druhu umožňují několika nezávislým sítím VARAN pracovat jako plně synchronizovaný celek. Dovolují nejen automaticky propojit a dokonale synchronizovat s nejistotou přístupu menší než 100 ns celé výrobní buňky, ale i použít v jednotlivých segmentech této strukturované sítě různou periodu cyklu sběrnice.
 

Aplikační úroveň

Aplikační (řídicí) program pracuje s daty na úrovni datových objektů, které se skládají z popisného a datového pole. Popisné pole obsahuje adresu, délku pole dat, identifikaci čtení nebo zápisu a počet povolených opakování. Datové pole obsahuje data daného objektu.
 
Na vyšších úrovních protokolu VARAN je ve spolupráci s organizací CiA (CAN in Automation) zaváděno úplné mapování profilů DS301/302 systému CANopen. Struktury SDO (Service Data Object) a PDO (Process Data Object) podle CANopen se jednoduše mapují do paměti řídicích (VARAN manager) i řízených stanic (VARAN client), což umožňuje znovu použít existující úlohy vyřešené pro sběrnici CAN a přenést je do prostředí průmyslového Ethernetu.
 
Všechny uzly sítě VARAN jsou identifikovány elektronickým štítkem, který obsahuje číslo výrobce, číslo zařízení a licenční číslo. Štítek přístroje může také obsahovat specifické údaje výrobce, jako např. dokumentaci k produktu ve formě pdf, popis konektorů apod. Proces identifikace přístrojů je řízen organizací VNO, která zaručuje, že komponenty s identickými identifikačními údaji jsou skutečně navzájem kompatibilní. Zařízení s neplatným identifikačním štítkem je od sítě VARAN automaticky odpojeno.
 
Z hlediska funkce sítě v režimu reálného času (real-time) je důležitá možnost analyzovat děje v síti a snadno se o síť starat. K tomu je určeno několik inženýrských nástrojů pro analýzu stavu sítě a sériové programování, popř. opravy na dálku jejích komponent, které jsou uživatelům volně k dispozici.
 

Kompatibilita s Ethernetem

Uživatelé automatizační techniky v průmyslu striktně požadují, aby komunikační systém byl schopen začlenění do dosavadní komunikační struktury podniku. Systém VARAN tento požadavek splňuje tím, že každá stanice na síti VARAN může mít přiřazenu IP adresu a komunikovat po standardním Ethernetu.
 
Přenos ethernetových rámců je zajištěn tunelováním prostřednictvím sítě VARAN. Pro jedno zařízení (stroj, výrobní linka) používající síť VARAN je možné použít jen jednu IP adresu, což zjednodušuje správu sítě. Již zmíněné volné inženýrské prostředí umožňuje uživateli začlenit síť VARAN do již existující struktury podnikových databází a informačních systémů. Při použití bran mezi sběrnicemi (gateway) lze síť VARAN propojit s vybranými průmyslovými sběrnicemi (např. CAN, Profibus atd.).
 
Datové rámce standardního Ethernetu TCP/IP, které přijdou do sítě VARAN, jsou automaticky distribuovány do všech stanic v síti. Systém také detekuje poruchu v propojení a umožní provést opravné akce.
 

Současná situace

 
V současné době (konec roku 2008) organizace VNO vytváří profily některých zařízení pro jejich jednoduché použití v síti VARAN. Sběrnice VARAN je již použita na strojích firem Arburg, Krauss – Maffei, Bilon a Demag. Další výrobci jsou ve fázi příprav instalace sběrnice do svých strojů. Jsou k dispozici některé reference z oblasti např. třídicí techniky, kde je po zavedení sítě VARAN uváděn nárůst výkonu a počtu vstupů a výstupů a zkrácení periody cyklu výrobních strojů oproti standardním instalacím s průmyslovými sběrnicemi údajně až o 80 %.
 

Závěr

 
Sběrnice VARAN je nejnovější přírůstek do skupiny sběrnic typu průmyslového Ethernetu. Je určena především k automatizaci strojů, a proto se vyznačuje velkým výkonem a striktně deterministickým chováním (hard real-time). Řešení sběrnice VARAN je nestandardní, využívající vlastní vrstvu MAC realizovanou při použití obvodu FPGA. Kompatibilita s Ethernetem je zajištěna tunelováním přes vlastní rámce.
 
K přednostem sítě VARAN patří snadná tvorba aplikačních programů nad sdíleným adresovým prostorem, nicméně bez daných profilů zařízení. Dále také velká přenosová rychlost a automatické opakování zpráv v rámci jednoho cyklu. Zajímavými funkcemi jsou přímý přístup, který umožňuje okamžitý přístup ke sběrnici formou přerušení, a možnost dosáhnout striktně deterministického chování v rámci většího počtu segmentů sítě.
 
Nedostatkem této sítě je, jako u ostatních podobných řešení, nekompatibilita se standardním Ethernetem a z toho vyplývající nutnost použít speciální prvky dodávané výrobci podporujícími standard VARAN. Závěrem lze říci, že jde o perspektivní sběrnici s několika zajímavými inovačními prvky, které u jiných systémů nelze nalézt, a že určitě najde uplatnění zejména v oblasti časově kritických úloh.
 
Literatura:
[1] DIOSI, R.: Realtime Ethernet: VARAN two years on. The Industrial Ethernet Book, February 2008, issue 45.
 
Odkazy na internet:
 
prof. Ing. František Zezulka, CSc.
Ing. Ondřej Hynčica
ústav automatizace a měřicí techniky,
Fakulta elektrotechniky a komunikačních
technologií, VUT v Brně
 
Obr. 1. Komunikační model protokolu VARAN
Obr. 2. Rámec systému VARAN v porovnání se standardním rámcem Ethernetu (SYNC – synchronizační instrukce, B – bajt, CMD – Command: instrukce systému VARAN)
Obr. 3. Zabezpečení přenosu opakováním zpráv během cyklu
Obr. 4. Způsob adresování a lokalizace paměti v síti VARAN
Obr. 5. Přenos dat různé priority v komunikačním cyklu sítě VARAN