Cum se implementează rețelele sensibile la timp pentru a asigura comunicarea deterministă

Comunicarea deterministă este esențială în diverse aplicații, cum ar fi robotica autonomă și alte sisteme din Industria 4.0, comunicațiile 5G, sistemele avansate de asistență pentru șoferi (ADAS) pentru automobile și serviciile de streaming în timp real. Standardele Ethernet IEEE 802, denumite Time Sensitive Networking (TSN), au fost extinse pentru a susține comunicarea deterministă. Implementat corect, TSN poate fi interoperabil cu dispozitive care nu sunt TSN, dar comunicarea deterministă este disponibilă numai între dispozitivele compatibile cu TSN. Există numeroase standarde IEEE 802 care trebuie coordonate atunci când se implementează TSN și care trebuie să asigure atât comunicarea deterministă, cât și interoperabilitatea, ceea ce face ca proiectarea TSN de la zero în echipamentele de rețea să fie complexă și să necesite mult timp.

În schimb, proiectanții echipamentelor de rețea pot folosi unități de microprocesoare (MPU) cu funcționalitate TSN încorporată pentru a accelera timpul de lansare pe piață și a reduce riscurile de dezvoltare. Acest articol trece în revistă elementele de bază ale funcționării și implementării TSN, prezintă unele dintre numeroasele standarde IEEE 802.1 pentru implementarea TSN, analizează modul în care IEC/IEEE 60802 se asociază cu TSN și compară TSN cu alte protocoale precum EtherCAT, ProfiNet și EtherNet/IP. Apoi, prezintă MPU-uri de la Texas Instruments, NXP și Renesas, ce includ capacitatea TSN, împreună cu platformele de dezvoltare care susțin integrarea rețelelor deterministe în dispozitivele din Industria 4.0.

Înainte de dezvoltarea TSN, rețelele în timp real erau disponibile doar pe magistrale de câmp industriale specializate. Magistralele de câmp sunt adesea denumite „Ethernet industrial”. Standardele 802.1 TSN definesc funcțiile de nivelul 2 și comutarea la nivel de rețea locală (LAN) și adaugă conceptele de timp și sincronizare. TSN nu înlocuiește protocoalele de la nivelurile superioare nivelului 2 și nu definește interfața software sau configurațiile și caracteristicile hardware, ceea ce îl face compatibil cu diverse interfețe de programare a aplicațiilor (API) (Figura 1).

Figura 1: standardele TSN definesc funcțiile de nivelul 2 și pot coexista cu diverse API-uri. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Algoritmii existenți de modelare a traficului TSN permit coexistența traficului în timp real cu traficul obișnuit de tip best-effort în cadrul rețelelor Ethernet standard. Determinismul și latența scăzută pot fi garantate pentru comunicațiile pentru care timpul este un element esențial. Astfel, se poate susține implementarea sistemelor de siguranță în mediile industriale și auto. Unele dintre principalele substandarde TSN IEEE 802.1 includ (Tabelul 1):

• IEEE 802.1 AS – temporizare și sincronizare
• IEEE 802.1Qbv – modelare în funcție de timp
• IEEE 802.3Qbr – trafic expres intercalat
• IEEE 802.1Qbu – preempțiune de cadre
• IEEE 802.1Qca – control și rezervare traseu
• IEEE 802.1CB – redundanță
• IEEE 802.1 Qcc – consolidări și îmbunătățiri pentru rezervarea de fluxuri
• IEEE 802.1 Qch – coadă de așteptare și redirecționare ciclică
• IEEE 802.1Qci – filtrare și stabilire de polițe per flux
• IEEE 802.1CM – rețea sensibilă la timp pentru fronthaul

Tabelul 1: TSN se bazează pe numeroase substandarde pentru a furniza performanțe deterministe, redundanță și alte caracteristici în mod modular. (Imagine: Texas Instruments)

IEEE TSN se poate împărți în patru categorii de substandarde, care sunt necesare pentru a asigura funcționarea TSN. Sincronizarea timpului este fundamentul pentru asigurarea sincronizării ceasurilor într-o rețea. 802.1AS, denumit și 802.1ASrev, este principalul substandard legat de sincronizare.

Un alt grup de substandarde se referă la latența scăzută limitată. Suportul pentru latența scăzută limitată este o condiție necesară pentru obținerea determinismului în transmisiile de date și este definit prin cinci substandarde: 802.1Qat (modelare în funcție de credit), 802.3Qbr (trafic expres intercalat), 802.1Qbu (preempțiune de cadre), 802.1Qbv (modelare în funcție de timp (TAS)), 802.1Qav (coadă de așteptare și redirecționare ciclică) și 802.1Qcr (modelarea asincronă a traficului).

Este nevoie de ultrafiabilitate pentru a face față defecțiunilor, erorilor și pentru a asigura redundanța și funcțiile aferente. Substandardele aferente includ: 802.1CB (replicarea și eliminarea cadrelor), 802.1Qca (controlul și rezervarea traseului), 802.1qci (filtrare și stabilire de polițe per flux) și părți din 802.1AS și 802.1AVB (fiabilitate pentru sincronizarea timpului din părțile privind temporizarea și sincronizarea ale TSN și standardul de conectare prin punte pentru audio IEEE).

Există un grup de substandarde generale legate de resurse dedicate, API-uri și alte caracteristici necesare „suplimentare”, inclusiv planificarea și configurarea la nivel superior și interoperabilitatea în rețele eterogene. Printre exemplele acestor substandarde generale se numără: 802.1Qat (protocolul de rezervare a fluxurilor), P802.1Acc (configurația TSN), compatibilitatea cu limbajul de modelare a datelor YANG (Yet Another Next Generation) și 802.1Qdd (protocolul de alocare a resurselor).

Designul modular al TSN permite optimizarea acestuia pentru aplicații și cazuri de utilizare specifice. Nu toate caracteristicile sunt necesare de fiecare dată. De exemplu, 802.1AS, temporizarea și sincronizarea sunt deosebit de importante în toate utilizările TSN pentru automatizarea fabricilor, în timp ce redundanța poate fi necesară doar pentru un subset de cazuri de utilizare în domeniul automatizării.

Ce legătură are IEC/IEEE 60802 cu TSN?

La momentul redactării acestui articol, proiectul 1.4 al standardului IEC/IEEE 60802 referitor la profilul TSN pentru automatizări industriale a fost publicat pentru comentarii și se așteaptă să fie aprobat în 2023. Acest proiect al IEC SC65C/WG18 și IEEE 802 va defini profilurile TSN pentru automatizarea industrială. Acest efort comun va include caracteristici, opțiuni, configurații, valori implicite, protocoale și proceduri ale punților, stații finale și rețele LAN pentru a construi rețele de automatizare industrială. La fel ca și standardele IEEE 802 TSN existente, 60802 va fi flexibil și modular și va aborda o gamă largă de scenarii de rețea.

IEC/IEEE 60802 va merge dincolo de standardele IEEE 802 și este dezvoltat luând în calcul faptul că utilizatorii și furnizorii de rețele interoperabile cu punte sensibile la timp pentru automatizarea industrială au nevoie de îndrumări pentru selectarea și utilizarea standardelor și caracteristicilor legate de TSN, pentru a implementa în mod eficient rețele convergente care să susțină simultan traficul tehnologic de operațiuni și alte tipuri de trafic. Lansarea profilului TSN IEC/IEEE 60802 pentru automatizări industriale s-ar putea dovedi ușor derutant, cel puțin la început, deoarece diversele magistrale de câmp sunt adesea denumite „Ethernet industrial”.

TSN și magistrale de câmp

Utilizarea TSN și a magistralelor de câmp nu implică ori una, ori alta. Acestea sunt compatibile, sunt adesea utilizate împreună și toate utilizează concepte legate de sincronizarea timpului. Cu toate acestea, magistralele de câmp, cum ar fi PROFINET, EtherNet/IP și EtherCAT, implementează sincronizarea în moduri diferite. PROFINET utilizează protocolul de control al timpului de precizie (PTCP). EtherCAT utilizează ceasuri distribuite care utilizează registre dedicate și asociate pentru sincronizare.

PROFINET și EtherNet/IP includ puntea de învățare IEEE Ethernet ca tehnologie de comutare de bază. Drept urmare, aceste protocoale pot adapta acum extinderea TAS și preempțiunea de cadre pentru a utiliza hardware TSN standard. EtherNet/IP utilizează pachete UDP pentru schimbul de date și este compatibil cu stratul de comutare TSN. PROFINET acceptă un model de memorie tampon directă de nivelul 2 pentru datele acceptate de soluția TSN a subsistemului de comunicații industriale cu unitate programabilă în timp real (PRU-ICSS).

TSN este conceput pentru a accepta timpi de funcționare în cicluri cel puțin la fel de mici ca EtherCAT și PROFINET și alte protocoale Ethernet industriale. Atunci când este upgradat la Gigabit Ethernet, se așteaptă ca TSN să depășească performanța celorlalte protocoale. Compatibilitatea pentru traficul determinist în EtherCAT este limitat la tipuri speciale de pachete de date. Utilizarea EtherCAT și TSN în combinație poate îmbunătăți flexibilitatea. De exemplu, în ceea ce privește sincronizarea, TSN adaugă capabilități multi-master. Toate cele trei protocoale oferă redundanță în moduri diferite. TSN utilizează o tehnică precum protocolul de redundanță paralelă (PRP) și protocolul de redundanță fără întreruperi de înaltă disponibilitate (HSR), așa cum sunt definite în IEC 62439-3, pentru a implementa redundanța cu pierderi zero (Tabelul 2).

Tabelul 2: EtherCAT, PROFINET și TSN au caracteristici similare, dar le implementează în moduri diferite. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

TSN nu include un nivel de aplicație și nu contestă magistralele de câmp la nivelul aplicației. De exemplu, interconectarea utilajelor cu comutatoare, utilizând în același timp EtherCAT la nivelul utilajului, poate crea o rețea Ethernet industrială care include funcții TSN. O rețea integrată TSN-EtherCAT nu amestecă tehnologiile, ci definește o integrare perfectă pentru a utiliza ambele tehnologii și a realiza cele mai bune aspecte de performanță ale fiecăreia dintre ele.

MCU cu până la 6 porturi TSN

Proiectanții de dispozitive integrate din Industria 4.0 care au nevoie de conectivitate TSN pot utiliza procesoarele AM652x Sitara de la Texas Instruments, cum ar fi AM6528BACDXEA. Aceste MCU-uri combină două nuclee Arm Cortex-A53 cu un Cortex-R5F dual și trei subsisteme de unitate programabilă în timp real și subsistem de comunicații industriale Gigabit (PRU_ICSSG) care pot fi utilizate pentru a furniza până la șase porturi de Ethernet industrial, inclusiv TSN, PROFINET, EtherCAT și alte protocoale, sau pot fi utilizate pentru conectivitate Gigabit Ethernet standard (Figura 2).

Figura 2: procesoarele AM652x Sitara includ șase porturi care pot fi utilizate pentru TSN și alte protocoale Ethernet industriale. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Familia de MCU-uri AM652x include un sistem de pornire securizată și accelerare criptografică, pe lângă firewall-urile granulare gestionate de subsistemul de gestionare a dispozitivelor și control de securitate (DMSC). În plus, subsistemul dual Cortex-R5F MCU este disponibil pentru utilizare generală ca două nuclee individuale, sau nucleele pot fi utilizate în paralel pentru aplicații de siguranță funcțională.

MCU cu stivă CC-Link IE TSN

MCU-urile crossover i.MX RT1170 de la NXP, precum MIMXRT1176DVMAA, au o arhitectură dual-core cu un nucleu Cortex-M7 de înaltă performanță (care funcționează până la 1 GHz) și un nucleu Cortex-M4 cu eficiență energetică (care funcționează până la 400 MHz). Această arhitectură cu două nuclee ajută la rularea în paralel a aplicațiilor și permite optimizarea consumului de energie prin oprirea nucleelor individuale, în funcție de necesități. Aceste MCU-uri oferă o stivă completă de comunicații CC-Link IE TSN și sunt optimizate pentru a susține operațiunile în timp real și pentru a oferi un timp de răspuns la întreruperi de 12 ns.

Figura 3: MCU-urile i.MX RT1170 de la NXP includ un bloc funcțional TSN dedicat (în interiorul ovalului negru). (Sursă imagine: NXP)

Pentru a accelera dezvoltarea aplicațiilor de învățare automată (ML), controlul motoarelor în timp real, interfețe om-mașină (HMI) avansate, cum ar fi recunoașterea facială, și alte aplicații din Industria 4.0, NXP oferă kitul de evaluare MIMXRT1170-EVK (Figura 4). Acest kit de evaluare este construit pe o placă de circuite imprimate (PCB) cu 6 straturi, cu un design cu orificii de trecere pentru o mai bună compatibilitate electromagnetică (CEM) și include două porturi Ethernet pentru dezvoltarea conectivității TSN.

Figura 4: kitul de evaluare MIMXRT1170-EVK de la NXP. (Sursă imagine: NXP)

MCU și kit de pornire pentru TSN

Familia de MCU-uri RZ/N2L, cum ar fi R9A07G084M04GBG#AC0, de la Renesas, este concepută pentru a simplifica implementarea Ethernet-ului industrial și a TSN-ului în aplicațiile din Industria 4.0. Acestea permit comunicații deterministe prin intermediul unui comutator Gigabit Ethernet cu 3 porturi care acceptă TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP și OPC UA. De asemenea, Renesas oferă RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ pentru MCU RZ/N2L. Acest kit de pornire include funcții periferice extinse, adecvate pentru aplicații industriale și susține evaluarea Ethernet industrial și TSN (Figura 7). Kitul include toate componentele hardware și software necesare:

• Hardware
  • Placă CPU cu MCU RZ/N2L și emulator integrat
  • Cablu USB sursă de alimentare (Type C la Type C)
  • Cablu USB conexiune emulator integrat (Type A la Type Micro B)
  • Cablu USB de depanare a terminalului PC (Type A la Type Mini B)
• Software
  • Mediul de dezvoltare, codul mostră și notele de aplicații sunt disponibile pe internet, și includ, de asemenea, un pachet de asistență software cu drivere periferice și numeroase exemple de aplicații pentru o evaluare și prototipare rapidă.

Figura 5: kitul RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ include hardware-ul și software-ul necesare, plus exemple de aplicații, pentru a susține dezvoltarea de rețele deterministe. (Sursă imagine: Renesas)

Rezumat

TSN a fost adăugat la standardele IEEE 802.1 Ethernet pentru a sprijini dezvoltarea comunicațiilor deterministe. TSN definește funcțiile de comunicații de nivelul 2 și este compatibil cu protocoale de nivel superior, cum ar fi EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP și altele. Acesta va fi în curând încorporat într-un standard internațional, IEC/IEEE 60802, profilul TSN pentru automatizarea industrială. Furnizorii au început deja să integreze TSN în MCU și în platformele de dezvoltare aferente pentru a-i ajuta pe proiectanți să integreze rapid comunicațiile deterministe în următoarea generație de dispozitive din Industria 4.0.