Sådan implementeres tidsfølsomme netværk for at sikre deterministisk kommunikation

Deterministisk kommunikation er afgørende i forskellige applikationer som f.eks. autonom robotteknologi og andre industri 4.0-systemer, 5G-kommunikation, avancerede førerassistentsystemer (ADAS) i biler og streaming-tjenester i realtid. IEEE 802 Ethernet-standarderne, kaldet TSN (Time Sensitive Networking), er blevet udvidet til at understøtte deterministisk kommunikation. Når TSN er korrekt implementeret, kan TSN være interoperabelt med ikke-TSN enheder, men deterministisk kommunikation er kun mulig mellem TSN-aktiverede enheder. Der er mange IEEE 802-standarder, der skal koordineres, når TSN implementeres, og det skal sikres, at det leverer både deterministisk kommunikation og interoperabilitet, hvilket gør det komplekst og tidskrævende at designe TSN i netværksudstyr fra bunden.

I stedet kan designere af netværksudstyr vælge mikroprocessorenheder (MPU'er) med indbygget TSN-funktionalitet for at fremskynde markedsføringen og reducere udviklingsrisikoen. I denne artikel gennemgår vi de grundlæggende principper for TSN-drift og -implementering. Der introduceres nogle af de mange IEEE 802.1-standarder til implementering af TSN, og det overvejes, hvordan IEC/IEEE 60802 relaterer til TSN, samt sammenlignes med andre protokoller som EtherCAT, ProfiNet og EtherNet/IP. Derefter præsenteres MPU'er fra Texas Instruments, NXP og Renesas, der omfatter TSN-funktioner, sammen med udviklingsplatforme, der understøtter integrationen af deterministisk netværk i industri 4.0-enheder.

Før udviklingen af TSN var realtidsnetværk kun tilgængeligt på specialiserede industrielle felt-busser. Felt-busser omtales ofte som "industrielt Ethernet". 802.1 TSN-standarderne definerer lag-2 funktioner og switching på LAN-niveau (Local Area Networking) og tilføjer begreberne tid og synkronisering. TSN erstatter ikke protokoller på niveauer over lag-2 og definerer ikke softwareinterfacet eller hardwarekonfigurationer og funktioner, hvilket gør det kompatibelt med forskellige API'er (Application Programming Interfaces) (figur 1).

Figur 1: TSN-standarder definerer lag-2 funktioner og kan eksistere sideløbende med forskellige API'er. (Billedkilde: Texas Instruments)

Eksisterende TSN-trafik formningsalgoritmer gør det muligt at lade realtidstrafik og almindelig best-effort trafik eksistere side om side i standard Ethernet-netværk. Determinisme og lav latenstid kan garanteres for tidskritisk kommunikation. Det kan støtte implementeringen af sikkerhedsrelaterede systemer i industri- og bilindustrien. Nogle af de vigtigste IEEE 802.1 TSN-understandarder omfatter (tabel 1):

• IEEE 802.1AS - Timing og synkronisering
• IEEE 802.1Qbv - Tidsbevidst formidler
• IEEE 802.3Qbr - Tndskudt eksprestrafik
• IEEE 802.1Qbu - Rammebeskikkelse
• IEEE 802.1Qca - Stikontrol og reservation
• IEEE 802.1CB - Redundans
• IEEE 802.1Qcc - Udvidelser og forbedringer til stream-reservation
• IEEE 802.1Qch - Cyklisk kø og videresendelse
• IEEE 802.1Qci - Filtrering og politisering pr. strøm
• IEEE 802.1CM - Tidsfølsomt netværk til fronthaul

Tabel 1: TSN er baseret på en lang række understandarder for at sikre deterministisk ydeevne, redundans og andre funktioner på en modulær måde. (Billede: Texas Instruments)

IEEE TSN kan opdeles i fire kategorier af understandarder, som er nødvendige for at sikre TSN's funktion. Tidssynkronisering er grundlaget for at sikre synkronisering af clocks på tværs af et netværk. 802.1AS, også kaldet 802.1ASrev, er den primære understandard vedrørende synkronisering.

En anden gruppe af understandarder vedrører begrænset lav latenstid. Støtte til begrænset lav latenstid er en nødvendig betingelse for at opnå determinisme i datatransmissioner og er defineret med fem understandarder: 802.1Qat (kreditbaseret formning), 802.3Qbr (interspreded express-trafik), 802.1Qbu (frame preemption), 802.1Qbv (time aware shaper (TAS)), 802.1Qav (cyclic queuing og forwarding) og 802.1Qcr (asynkron trafikformning).

Der er behov for ekstrem pålidelighed for at kunne håndtere fejl og fejl og sikre redundans og beslægtede funktioner. De relaterede understandarder omfatter: 802.1CB (frame replication and elimination), 802.1Qca (path control and reservation), 802.1qci (per-stream filtering og policing) og dele af 802.1AS og 802.1AVB (pålidelighed for tidssynkronisering fra timing- og synkroniseringsdelene i TSN og IEEE audio bridging-standarden).

Der er en gruppe generelle understandarder vedrørende dedikerede ressourcer, API'er og andre nødvendige "overhead"-funktioner, herunder planlægning og konfiguration på højere niveau samt interoperabilitet i heterogene net. Eksempler på disse generelle understandarder er bl.a: 802.1Qat (stream reservationsprotokol), P802.1Acc (TSN-konfiguration), kompatibilitet med YANG (Yet Another Next Generation) datamodelleringssprog og 802.1Qdd (ressourceallokeringsprotokol).

TSN's modulære design gør det muligt at optimere det til specifikke applikationer og anvendelsestilfælde. Der er ikke altid brug for alle funktioner. For eksempel er 802.1AS, timing og synkronisering særligt vigtige i alle anvendelser af fabriksautomatisering med TSN, mens redundans måske kun er påkrævet i en delmængde af tilfælde af anvendelse til \automatisering

Hvordan relaterer IEC/IEEE 60802 sig til TSN?

I skrivende stund er IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN Profile for Industrial Automation udsendt til kommentering og forventes at blive godkendt engang i 2023. Dette IEC SC65C/WG18- og IEEE 802-projekt vil definere TSN-profiler for industriel automatisering. Denne fælles indsats vil omfatte profilvalg af funktioner, muligheder, konfigurationer, standardindstillinger, protokoller og procedurer for broer, slutstationer og LAN'er med henblik på at opbygge industrielle automatiseringsnetværk. Ligesom de eksisterende IEEE 802 TSN-standarder vil 60802 være fleksibel og modulær og tage højde for en række netværksscenarier.

IEC/IEEE 60802 vil gå videre end IEEE 802-standarderne og udvikles i erkendelse af, at brugere og leverandører af interoperable brobyggede tidskritiske net til industriel automatisering har brug for retningslinjer for valg og anvendelse af TSN-relaterede standarder og funktioner for effektivt at kunne implementere konvergerede net, der samtidig understøtter driftsteknologitrafik og anden trafik. Udgivelsen af IEC/IEEE 60802 TSN-profilen for industriel automatisering kan vise sig at være en kilde til forvirring, i det mindste i begyndelsen, da forskellige felt-busser ofte omtales som "industriel Ethernet".

TSN og felt-busser

Brugen af TSN og felt-busser er ikke et enten-eller-selv spørgsmål. De er kompatible, bruges ofte sammen og anvender alle begreber i forbindelse med tidssynkronisering. Men felt-busser som PROFINET, EtherNet/IP og EtherCAT implementerer synkronisering på forskellige måder. PROFINET anvender protokollen PTCP (precision time control protocol). EtherCAT bruger distribuerede clocks, der anvender dedikerede og tilknyttede registre til synkronisering.

PROFINET og EtherNet/IP omfatter IEEE Ethernet Learning Bridge som den underliggende koblingsteknologi. Som følge heraf kan disse protokoller nu tilpasse udvidelsen af TAS og frame preemption til at bruge standard TSN-hardware. EtherNet/IP bruger UDP-pakker til dataudveksling og er kompatibelt med TSN-skiftelaget. PROFINET understøtter en direkte lag-2 buffer-model for data, der understøttes af TSN-løsningen for det industrielle kommunikationssubsystem PRU-ICSS (Programmable Real-time Unit Industrial Communications Subsystem).

TSN er designet til at understøtte cyklustider, der er mindst lige så lave som EtherCAT og PROFINET og andre industrielle Ethernet-protokoller. Når TSN opgraderes til Gigabit Ethernet, forventes TSN at overgå de andre protokollers ydeevne. Understøttelse af deterministisk trafik i EtherCAT er begrænset til særlige typer datapakker. Ved at bruge EtherCAT og TSN i kombination kan fleksibiliteten forbedres. TSN tilføjer f.eks. multi-master funktioner omkring synkronisering. Alle tre protokoller giver redundans på forskellige måder. TSN anvender en teknik som den PRP (parallel redundancy protocol) og HSR-protokollen (High Availability Seamless Redundancy) som defineret i IEC 62439-3 for at implementere tabsfri redundans (tabel 2).

Tabel 2: EtherCAT, PROFINET og TSN har lignende funktioner, men implementerer dem på forskellige måder. (Billedkilde: Texas Instruments)

TSN omfatter ikke et applikationslag og udfordrer ikke felt-busser på applikationsniveau. Hvis man f.eks. forbinder maskiner med switche og stadig bruger EtherCAT på maskinniveau, kan man skabe et industrielt Ethernet-netværk, der omfatter TSN-funktioner. Et TSN EtherCAT-integreret netværk blander ikke teknologierne, men definerer en problemfri integration, der gør det muligt at bruge begge teknologier og udnytte de bedste præstationsaspekter af hver teknologi.

MCU med op til 6 TSN-porte

Designere af industri 4.0-indlejrede enheder, der har brug for TSN-tilslutning, kan henvende sig til AM652x Sitara-processorerne fra Texas Instruments, f.eks. AM6528BACDXEA. Disse MCU'er kombinerer to Arm Cortex-A53 kerner med en dobbelt Cortex-R5F og tre programmerbare realtidsenheder og industrielle kommunikationssubsystemer Gigabit (PRU_ICSSG), der kan bruges til at levere op til seks porte til industriel Ethernet, herunder TSN, PROFINET, EtherCAT og andre protokoller, eller de kan bruges til standard Gigabit Ethernet-tilslutning (figur 2).

Figur 2: AM652x Sitara-processorerne indeholder seks porte, der kan bruges til TSN og andre industrielle Ethernet-protokoller. (Billedkilde: Texas Instruments)

AM652x-familien af MCU'er omfatter sikker opstart og kryptografisk acceleration ud over granulære firewalls, der styres af DMSC-undersystemet (Device Management and Security Control). Desuden er det dobbelte Cortex-R5F MCU-subsystem tilgængeligt til generel brug som to individuelle kerner, eller kernerne kan bruges i samme takt til funktionelle sikkerhedsapplikationer.

MCU med CC-Link IE TSN stack

NXP's i.MX RT1170 crossover MCU'er, som MIMXRT1176DVMAA, har en dual-core arkitektur med en højtydende Cortex-M7 kerne (op til 1 GHz) og en strømbesparende Cortex-M4 kerne (op til 400 MHz). Denne dual-core arkitektur gør det muligt at køre applikationer parallelt og understøtter optimering af strømforbruget ved at slukke for enkelte kerner efter behov. Disse MCU'er leverer en komplet CC-Link IE TSN-kommunikationsstack og er optimeret til at understøtte realtidsoperationer og levere en 12 ns afbrydelsesresponstid.

Figur 3: i.MX RT1170 MCU'erne fra NXP omfatter en dedikeret TSN-funktionsblok (inden for den sorte oval). (Billedkilde: NXP)

For at fremskynde udviklingen af applikationer til maskinindlæring (ML), motorstyring i realtid, avancerede brugergrænseflader (HMI) som f.eks. ansigtsgenkendelse og andre industri 4.0-applikationer tilbyder NXP MIMXRT1170-EVK-evalueringskittet (figur 4). Dette eval-kit er bygget på et printkort med 6 lag printkort (PCB) med gennemgående huldesign for bedre elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), og det omfatter to Ethernet-porte til udvikling af TSN-forbindelse.

Figur 4: NXP's MIMXRT1170-EVK-evalueringskit. (Billedkilde: NXP)

MCU og startkit til TSN

RZ/N2L-familien af MCU'er, som R9A07G084M04GBG#AC0, fra Renesas er designet til at forenkle implementeringen af industriel Ethernet og TSN i industri 4.0-applikationer. De muliggør deterministisk kommunikation via en 3-ports Gigabit Ethernet-switch, der understøtter TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP og OPC UA. Renesas tilbyder også RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ til RZ/N2L MCU'er. Dette startkit indeholder omfattende periferifunktioner, der er velegnede til industrielle applikationer, og understøtter evalueringen af industriel Ethernet og TSN (figur 7). Kittet indeholder al den nødvendige hardware og software:

• Hardware
  • CPU-kort med RZ/N2L MCU og indbygget emulator
  • Strømforsyning USB-kabel (type C til type C)
  • Tilslutning til indbygget emulator USB-kabel (type A til type Micro B)
  • USB-kabel til debugging af PC-terminal (type A til type Mini B)
• Software
  • Udviklingsmiljøet, eksempeloden og anvendelsesnoter er tilgængelige på nettet, som også omfatter en software supportpakke med perifer drivere og talrige eksempler på applikationer til hurtig evaluering og prototyping.

Figur 5: RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ indeholder den nødvendige hardware og software samt eksempler på applikationer til støtte for udvikling af deterministisk netværk. (Billedkilde: Renesas)

Sammenfatning

TSN er blevet tilføjet til IEEE 802.1 Ethernet-standarderne for at støtte udviklingen af deterministisk kommunikation. TSN definerer lag-2 kommunikationsfunktioner og er kompatibel med protokoller på højere niveau såsom EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP og andre. Den vil snart blive indarbejdet i en international standard, IEC/IEEE 60802, TSN Profile for Industrial Automation. Leverandørerne er allerede begyndt at integrere TSN i MCU'er og relaterede udviklingsplatforme for at hjælpe designere med hurtigt at integrere deterministisk kommunikation i den næste generation af industri 4.0-enheder.