Hvordan implementere tidssensitivt nettverk for å sikre deterministisk kommunikasjon

Deterministisk kommunikasjon er viktig i ulike applikasjoner som autonom robotikk og andre Industry 4.0-systemer, 5G-kommunikasjon, avanserte førerassistansesystemer for biler (ADAS) og strømmetjenester i sanntid. IEEE 802 Ethernet-standardene, kalt Time Sensitive Networking (TSN), er utvidet til å støtte deterministisk kommunikasjon. Riktig implementert kan TSN være samvirkende med enheter som ikke er TSN-enheter, men deterministisk kommunikasjon er bare tilgjengelig mellom TSN-aktiverte enheter. Det er mange IEEE 802-standarder å koordinere når du implementerer TSN og sikrer at det leverer både deterministisk kommunikasjon og samvirkingsevne, noe som gjør det komplisert og tidkrevende å designe TSN til nettverksutstyr fra bunnen av.

I stedet kan designere av nettverksutstyr vende seg til mikroprosessorenheter (MPU-er) med innebygd TSN-funksjonalitet for å fremskynde tiden til ferdig produkt er ute på markedet (time to market) og redusere utviklingsrisikoer. Denne artikkelen gjennomgår det grunnleggende om TSN-drift og implementering, introduserer noen av de mange IEEE 802.1-standardene for implementering av TSN, vurderer hvordan IEC/IEEE 60802 forholder seg til TSN, og sammenligner TSN med andre protokoller som EtherCAT, ProfiNet og EtherNet/IP. Det presenterer deretter mikroprosessorer (MPU-er) fra Texas Instruments, NXP og Renesas som inkluderer TSN-kapasitet, sammen med utviklingsplattformer som støtter integrasjon av deterministisk nettverk i Industry 4.0-enheter.

Før utviklingen av TSN var sanntidsnettverk bare tilgjengelig på spesialiserte industrielle feltbusser. Feltbusser omtales ofte som «industrielt Ethernet». 802.1 TSN-standardene definerer lag-2-funksjoner og switching på LAN-nivå (local area networking) og legger til begrepene tid og synkronisering. TSN erstatter ikke protokoller på nivåer over lag-2 og definerer ikke programvaregrensesnittet eller maskinvarekonfigurasjoner og funksjoner, noe som gjør det kompatibelt med ulike API-er (programmeringsgrensesnitt) (figur 1).

Figur 1: TSN-standarder definerer lag 2-funksjoner og kan sameksistere med forskjellige API-er. (Bildekilde: Texas Instruments)

Eksisterende TSN-trafikkformingsalgoritmer muliggjør sameksistens av sanntidstrafikk med vanlig, best-mulig trafikk i standard Ethernet-nettverk. Determinisme og lav latens (lav forsinkelse) kan garanteres for tidskritisk kommunikasjon. Som kan støtte distribusjon av sikkerhetsrelaterte systemer i miljøer i industri og kjøretøyer. Noen av de viktigste IEEE 802.1 TSN-understandardene inkluderer (tabell 1):

• IEEE 802.1 AS – timing og synkronisering
• IEEE 802.1Qbv – tidsbevisst formgiver
• IEEE 802.3Qbr – ispedd ekspresstrafikk
• IEEE 802.1Qbu – rammeprioritet (frame preemption)
• IEEE 802.1Qca – banestyring og reservasjon
• IEEE 802.1CB – redundans
• IEEE 802.1 Qcc –utvidelser og forbedringer for strømmingsreservasjon
• IEEE 802.1 Qch – syklisk kø og videresending
• IEEE 802.1Qci – filtrering og overvåking per strømming
• IEEE 802.1CM – tidssensitivt nettverk for fronthaul

Tabell 1: TSN er avhengig av mange understandarder for å levere deterministisk ytelse, redundans og andre funksjoner på en modulær måte. (Bilde: Texas Instruments)

IEEE TSN kan deles inn i fire kategorier av understandarder som er nødvendige for å sikre driften av TSN. Tidssynkronisering er grunnfjellet for å sikre synkronisering av klokker over et nettverk. 802.1AS, også kalt 802.1ASrev, er den primære understandarden knyttet til synkronisering.

En annen gruppe understandarder gjelder begrenset lav latenstid (forsinkelsestid). Støtte for begrenset lav latens er en nødvendig betingelse for å oppnå determinisme i dataoverføringer og er definert med fem understandarder: 802.1Qat (credit-based shaper), 802.3Qbr (interspersed express traffic), 802.1Qbu (frame preemption), 802.1Qbv (time aware shaper (tas)), 802.1Qav (cyclic queuing and forwarding) og 802.1Qcr (asynchronous traffic shaping).

Ultra-pålitelighet er nødvendig for å håndtere programfeil, feil samt sørge for redundans og relaterte funksjoner. Relaterte understandarder inkluderer: 802.1CB (frame replication and elimination), 802.1Qca (path control and reservation), 802.1qci (per-stream filtering and policing) og deler av 802.1AS og 802.1AVB (reliability for time synchronization from the timing and synchronization parts of TSN and the IEEE audio bridging standard).

Det finnes en gruppe generelle delstandarder knyttet til dedikerte ressurser, API-er og andre nødvendige «overhead»-funksjoner, innbefattet planlegging og konfigurasjon på høyere nivå og samtrafikkevne i heterogene nettverk. Eksempler på disse generelle understandardene inkluderer: 802.1Qat (stream reservation protocol), P802.1Acc (TSN configuration), kompatibilitet med datamodelleringsspråk YANG (Yet Another Next Generation) og 802.1Qdd (resource allocation protocol).

Den modulære utformingen av TSN gjør det mulig å optimalisere den for spesifikke bruksområder og utrustninger. Ikke alle funksjoner er nødvendige hver gang. For eksempel er 802.1AS, timing (tidsbestemt styring) og synkronisering spesielt viktig ved all bruk av TSN til fabrikkautomatisering, mens redundans bare kan kreves av et delsett av brukstilfeller til automatisering.

Hvordan forholder IEC/IEEE 60802 seg til TSN?

I skrivende stund er IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN-profil for industriautomatisering (TSN Profile for Industrial Automation) ute for kommentarer og forventes å bli godkjent en gang i 2023. Dette IEC SC65C/WG18- og IEEE 802-prosjektet vil definere TSN-profiler for industriautomatisering. Denne felles innsatsen vil omfatte profilvalg, alternativer, konfigurasjoner, standardinnstillinger, protokoller og prosedyrer for broer, endestasjoner og LAN for å bygge nettverk for industriautomatisering. I likhet med eksisterende IEEE 802 TSN-standarder, vil 60802 være fleksibel og modulær og håndtere en rekke nettverksscenarier.

IEC/IEEE 60802 vil gå lenger enn IEEE 802-standardene, og utvikles i erkjennelse av at brukere og leverandører av samvirkende brokoblede tidssensitive nettverk for industriautomatisering trenger retningslinjer for valg og bruk av TSN-relaterte standarder og funksjoner for effektivt å distribuere konvergerte nettverk som samtidig støtter driftsteknologitrafikk og annen trafikk. Utgivelsen av IEC/IEEE 60802 TSN-profilen for industriautomatisering kan vise seg å være en kilde til forvirring, i hvert fall i utgangspunktet, siden ulike feltbusser ofte omtales som «industrielt Ethernet».

TSN- og feltbusser

Bruk av TSN- og feltbusser er ikke et enten/eller-forslag. De er kompatible, ofte brukt sammen og alle benytter konsepter knyttet til tidssynkronisering. Likevel implementerer feltbusser som Profinet, EtherNet/IP og EtherCAT synkronisering på forskjellige måter. PROFINET bruker PTCP (precision time control protocol). EtherCAT bruker distribuerte klokker som bruker dedikerte og tilknyttede registre for synkronisering.

Profinet og EtherNet/IP inkluderer IEEE Ethernet læringsbro som den underliggende switching-teknologien. Som et resultat kan disse protokollene nå tilpasse utvidelsen av tas og rammeprioritet (frame preemption) til å bruke standard TSN-maskinvare. EtherNet/IP bruker UDP-pakker for datautveksling og er kompatibel med TSN-switchingslaget. PROFINET støtter en direkte lag-2-buffermodell for data som støttes av den TSN-løsningen PRU-ICSS (programmable real-time unit industrial communications subsystem – programmerbar sanntidsenhet for industrikommunikasjon).

TSN er designet for å støtte syklustider som er minst like lave som EtherCAT og PROFINET og andre industrielt Ethernet-protokoller. Ved oppgradering til Gigabit Ethernet forventes TSN å overstige ytelsen til de andre protokollene. Støtte for deterministisk trafikk i EtherCAT er begrenset til spesielle typer datapakker. Bruk av EtherCAT og TSN i kombinasjon kan forbedre fleksibiliteten. TSN legger for eksempel til multi-master-funksjoner, i forbindelse med synkronisering. Alle tre protokollene bidrar til redundans på forskjellige måter. TSN bruker en teknikk som protokollen for parallell redundans (parallel redundancy protocol – PRP) og HSR-protokollen (high-availability seamless redundancy) for sømløs redundans med høy tilgjengelighet som definert i IEC 62439-3 implementerer redundans uten tap (tabell 2).

Tabell 2: EtherCAT, PROFINET og TSN har lignende funksjoner, men implementerer dem på forskjellige måter. (Bildekilde: Texas Instruments)

TSN inkluderer ikke et applikasjonslag og utfordrer ikke feltbusser på applikasjonsnivå. For eksempel kan sammenkobling av maskiner med switcher, mens du fortsatt bruker EtherCAT på maskinnivå opprette et industrielt Ethernet-nettverk som inkluderer TSN-funksjoner. Et TSN-EtherCAT-integrert nettverk blander ikke teknologiene, men definerer en sømløs integrasjon for å bruke begge teknologiene og realisere de beste ytelsesaspektene til hver av dem.

Mikrokontrollere (MCU-er) med opptil 6 TSN-porter

Designere av innebygde Industri 4.0-enheter som trenger TSN-tilkobling, kan bruke AM652x Sitara-prosessorene fra Texas Instruments som AM6528BACDXEA. Disse mikrokontrollerne MCU-ene kombinerer to Arm Cortex-A53-kjerner med en dobbel Cortex-R5F og tre programmerbare sanntidsenheter og industrielle kommunikasjonssystemer Gigabit (PRU_ICSSG)-undersystemer som kan brukes til å gi opptil seks porter med industrielt Ethernet, inkludert TSN, PROFINET, EtherCAT og andre protokoller, eller de kan brukes til standard Gigabit Ethernet-tilkobling (figur 2).

Figur 2: AM652x Sitara-prosessorene inkluderer seks porter som kan brukes til TSN og andre industrielle Ethernet-protokoller. (Bildekilde: Texas Instruments)

AM652x-familien av mikrokontrollere (MCU-er) inkluderer sikker oppstart og kryptografisk akselerasjon i tillegg til granulære brannmurer som administreres av enhetsstyring og sikkerhetskontroll (DMSC)-delsystemet. I tillegg er det doble mikrokontroller-undersystemet (MCU-undersystemet) Cortex-R5F tilgjengelig for generell bruk som to individuelle kjerner, eller kjernene kan alternativt brukes i låsetrinn for funksjonelle sikkerhetsapplikasjoner.

Mikrokontroller (MCU) med CC-Link IE TSN-stakk

NXPs i.MX RT1170 crossover-mikrokontrollere (crossover-MCU-er), som MIMXRT1176DVMAA, har en dobbeltkjerne-arkitektur med en høyytelses Cortex-M7-kjerne (kjører opptil 1 GHz) og en energieffektiv Cortex-M4-kjerne (kjører opptil 400 MHz). Denne dobbeltkjernearkitekturen gjør det mulig for applikasjoner å kjøre parallelt og støtter strømforbruksoptimalisering ved å slå av individuelle kjerner etter behov. Disse mikrokontrollerne (MCU-ene) leverer en full CC-Link IE TSN-kommunikasjonsstabel, og er optimalisert for å støtte sanntidsoperasjoner og levere en 12 ns avbruddstid.

Figur 3: i.MX RT1170 mikrokontrollere (MCU-er) fra NXP inkluderer en dedikert TSN-funksjonsblokk (inne i den svarte ovale sirkelen). (Bildekilde: NXP)

For å fremskynde utviklingen av maskinlæringsapplikasjoner (ML), sanntidsmotorstyring, avanserte menneskelige maskingrensesnitt (HMI) som ansiktsgjenkjenning og andre industri 4.0-applikasjoner, tilbyr NXP MIMXRT1170-EVK-evalueringssettet (figur 4). Dette eval-settet er bygget på et 6-lags kretskort (PCB) med gjennomgående hulldesign for bedre elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) -ytelse, og det inkluderer to Ethernet-porter for utvikling av TSN-tilkobling.

Figur 4: MIMXRT1170-EVK-evalueringssett fra NXP. (Bildekilde: NXP)

Mikrokontroller (MCU) og startsett for TSN

RZ/N2L-familien mikrokontrollere (MCU-er), som R9A07G084M04GBG #AC0, fra Renesas er konstruerte for å forenkle implementeringen av industrielt Ethernet og TSN i Industri 4.0-utrustninger. De muliggjør deterministisk kommunikasjon gjennom en 3-ports Gigabit Ethernet-switch som støtter TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP og OPC UA. Renesas tilbyr også RTK9RZN2L0S00000BE-startsettet + for RZ/N2L-mikrokontrollere (MCU-er). Dette startsettet inkluderer omfattende perifere funksjoner som er egnet for industrielle utrustninger og støtter evalueringen av industrielt Ethernet og TSN (figur 7). Settet inneholder all nødvendig maskinvare og programvare:

• Maskinvare
  • CPU-kort med RZ/N2L-mikrokontroller (MCU) og innebygd emulator
  • USB-kabel for strømforsyning (type C til type C)
  • USB-kabel for integrert (innebygd) emulatortilkobling (type A til type Micro B)
  • USB-kabel for feilsøking (debugging) med PC-terminal (Type A til Type Mini B)
• Programvare
  • Utviklingsmiljø, eksempelkode og installasjonsnotat er tilgjengelige på nettet, dette også inkluderer en programvarestøttepakke med perifere drivere og mange utrustningseksempler, for rask evaluering og prototyping.

Figur 5: RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ inkluderer nødvendig maskinvare og programvare, pluss utrustningseksempler, for å støtte utviklingen av deterministisk nettverk. (Bildekilde: Renesas)

Sammendrag

TSN er lagt til i IEEE 802.1 Ethernet-standardene for å støtte utviklingen av deterministisk kommunikasjon. TSN definerer lag-2 kommunikasjonsfunksjoner og er kompatibel med høyere nivå protokoller som EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP og andre. Den vil snart bli inkorporert i en internasjonal standard, IEC/IEEE 60802, TSN-profil for industriautomatisering (TSN Profile for Industrial Automation). Leverandører har allerede begynt å integrere TSN i mikrokontrollere (MCU-er) og relaterte utviklingsplattformer for å hjelpe designere med å raskt integrere deterministisk kommunikasjon i neste generasjons Industri 4.0-enheter.