Wdrażanie technologii sieci wrażliwych na czas w celu zapewnienia komunikacji deterministycznej

Komunikacja deterministyczna jest niezbędna w wielu zastosowaniach, takich jak autonomiczna robotyka i inne systemy Przemysłu 4.0, komunikacja 5G, zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS) oraz usługi strumieniowe w czasie rzeczywistym. Normy IEEE 802 dotyczące sieci Ethernet, zwanej siecią wrażliwą na czas (TSN), zostały rozszerzone o komunikację deterministyczną. Prawidłowo wdrożona sieć wrażliwa na czas zapewnia interoperacyjność z urządzeniami spoza niej, jednak komunikacja deterministyczna jest dostępna wyłącznie między urządzeniami obsługującymi technologię TSN. Istnieje wiele norm IEEE 802, które należy skoordynować podczas wdrażania sieci wrażliwych na czas (TSN), aby zapewnić zarówno komunikację deterministyczną, jak i interoperacyjność. Dlatego projektowanie sieci TSN od podstaw w oparciu o sprzęt sieciowy jest skomplikowane i czasochłonne.

Jako alternatywę projektanci urządzeń sieciowych mogą wybrać urządzenia mikroprocesorowe (MPU) z wbudowaną funkcjonalnością sieci wrażliwych na czas (TSN), które skracają czas wprowadzania produktów na rynek i zmniejszają ryzyko rozwojowe. Niniejszy artykuł omawia podstawy działania i implementacji sieci wrażliwych na czas (TSN), przedstawia niektóre z wielu norm IEEE 802.1 dotyczących implementacji sieci TSN, opisuje w jaki sposób IEC/IEEE 60802 odnosi się do sieci TSN oraz porównuje sieci TSN z innymi protokołami, takimi jak EtherCAT, ProfiNet i EtherNet/IP. Następnie przedstawia jednostki mikroprocesorowe (MPU) firm Texas Instruments, NXP i Renesas obsługujące sieci TSN oraz platformy rozwojowe, które wspierają integrację sieci deterministycznych w urządzeniach Przemysłu 4.0.

Przed opracowaniem technologii TSN sieci działające w czasie rzeczywistym były dostępne tylko w wyspecjalizowanych przemysłowych magistralach polowych. Magistrale polowe są często określane jako „przemysłowa sieć Ethernet”. Normy TSN 802.1 definiują funkcje warstwy 2 i przełączanie na poziomie sieci lokalnej (LAN) oraz dodają pojęcia czasu i synchronizacji. Technologia TSN nie zastępuje protokołów na poziomach powyżej warstwy 2 i nie definiuje interfejsu oprogramowania ani konfiguracji oraz funkcji sprzętowych, dzięki czemu wykazuje kompatybilność z różnymi interfejsami programowania aplikacji (API) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: normy TSN definiują funkcje warstwy 2 i mogą współistnieć z różnymi interfejsami API. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Istniejące algorytmy kształtowania ruchu w sieciach TSN umożliwiają współistnienie ruchu w czasie rzeczywistym z regularnym ruchem best-effort w ramach standardowych sieci Ethernet. W przypadku komunikacji, w której czas ma znaczenie krytyczne możliwe jest zagwarantowanie determinizmu i niskiej latencji. Może to ułatwiać wdrażanie systemów związanych z bezpieczeństwem w środowiskach przemysłowych i motoryzacyjnych. Niektóre z głównych norm podrzędnych IEEE 802.1 dotyczące technologii TSN (tabela 1):

• IEEE 802.1 AS - określanie czasu i synchronizacja
• IEEE 802.1Qbv - korektor czasowy
• IEEE 802.3Qbr - przeplatany ruch ekspresowy
• IEEE 802.1Qbu - wywłaszczanie ramek
• IEEE 802.1Qca - kontrola i rezerwacja ścieżki
• IEEE 802.1CB - redundancja
• IEEE 802.1 Qcc - ulepszenia i poprawki w rezerwacji strumienia
• IEEE 802.1 Qch - cykliczne kolejkowanie i przekierowywanie
• IEEE 802.1Qci - filtrowanie i ustalanie kolejności strumieni
• IEEE 802.1CM - sieć wrażliwa na czas w architekturze fronthaul

Tabela 1: sieci TSN bazują na licznych normach podrzędnych w celu zapewnienia deterministycznej wydajności, redundancji i innych funkcji w modularny sposób. (Ilustracja: Texas Instruments)

Normę IEEE dotyczącą technologii TSN można podzielić na cztery kategorie norm podrzędnych niezbędnych do zapewnienia działania sieci TSN. Synchronizacja czasu jest podstawą dla synchronizacji zegarów w całej sieci. Podstawową normą podrzędną dotyczącą synchronizacji jest 802.1AS, zwana również 802.1ASrev.

Inna grupa norm podrzędnych odnosi się do ograniczonej niskiej latencji. Wsparcie dla ograniczonych niskich latencji jest warunkiem osiągnięcia determinizmu w transmisji danych i jest zdefiniowane za pomocą pięciu norm podrzędnych: 802.1Qat (korektor oparty na kredycie), 802.3Qbr (przeplatany ruch ekspresowy), 802.1Qbu (wywłaszczanie ramek), 802.1Qbv (korektor czasowy [TAS]), 802.1Qav (cykliczne kolejkowanie i przekierowywanie) oraz 802.1Qcr (asynchroniczne kształtowanie ruchu).

Ultraniezawodność jest wymagana do radzenia sobie z usterkami, błędami oraz zapewnienia redundancji i powiązanych funkcji. Powiązane normy podrzędne obejmują: 802.1CB (replikacja i eliminacja ramek), 802.1Qca (kontrola i rezerwacja ścieżek), 802.1qci (filtrowanie i ustalanie kolejności strumienia) oraz części 802.1AS i 802.1AVB (niezawodność synchronizacji czasu z elementów sieci TSN dotyczących czasu i synchronizacji oraz normy łączenia audio IEEE).

Istnieje grupa ogólnych norm podrzędnych związanych z przypisanymi zasobami, API i innymi niezbędnymi funkcjami nadmiarowymi, w tym planowaniem i konfiguracją wyższego poziomu oraz interoperacyjnością w sieciach heterogenicznych. Przykłady tych ogólnych norm podrzędnych obejmują: 802.1Qat (protokół rezerwacji strumienia), P802.1Acc (konfiguracja sieci TSN), zgodność z językiem modelowania danych YANG (Yet Another Next Generation) oraz 802.1Qdd (protokół alokacji zasobów).

Modułowa budowa sieci TSN umożliwia optymalizację pod kątem konkretnych zastosowań i przypadków użycia. Nie każda funkcja jest potrzebna za każdym razem. Na przykład w przypadku 802.1AS synchronizacja i czas są szczególnie ważne we wszystkich zastosowaniach technologii TSN w automatyce fabrycznej, podczas gdy redundancja może być wymagana tylko przez podzbiór przypadków użycia w automatyce.

Jaki związek ma norma IEC/IEEE 60802 z technologią TSN?

W chwili pisania tego tekstu wersja 1.4 projektu normy IEC/IEEE 60802 dotycząca profilu sieci wrażliwych na czas (TSN) w automatyce przemysłowej jest udostępniona do komentowania, a projekt ma zostać zatwierdzony w 2023 roku. Projekt IEC SC65C/WG18 oraz IEEE 802 zdefiniuje profile sieci TSN dla automatyki przemysłowej. Ta wspólna inicjatywa będzie obejmować wybrane funkcje profili, opcje, konfiguracje, ustawienia domyślne, protokoły i procedury mostków, stacji końcowych i sieci LAN do budowy sieci automatyki przemysłowej. Podobnie jak w przypadku istniejących norm IEEE 802 dotyczących sieci wrażliwych na czas (TSN), dokument 60802 będzie elastyczny i modułowy oraz obejmie wiele scenariuszy typowych dla sieci.

Norma IEC/IEEE 60802 ma zakres szerszy w stosunku do normy IEEE 802. Jest ona rozwijana z myślą o użytkownikach i sprzedawcach interoperacyjnych łączonych sieci wrażliwych na czas, przeznaczonych dla automatyki przemysłowej, którzy potrzebują wytycznych dotyczących doboru i wykorzystania norm i funkcji związanych z technologią TSN w celu efektywnego wdrożenia sieci konwergentnych obsługujących jednocześnie ruch związany z technologią operacyjną i inny ruch. Publikacja normy IEC/IEEE 60802 dotyczącej profilu sieci wrażliwych na czas (TSN) w automatyce przemysłowej, przynajmniej początkowo może okazać się źródłem niejednoznaczności, ponieważ często mianem „przemysłowa sieć Ethernet” określa się różne magistrale polowe.

Sieci wrażliwe na czas (TSN) i magistrale polowe

Stosowanie sieci wrażliwych na czas (TSN) nie wyklucza jednoczesnego stosowania magistrali polowych. Są one kompatybilne, często używane łącznie i wszystkie wykorzystują koncepcje związane z synchronizacją czasu. Jednak magistrale polowe, np. PROFINET, EtherNet/IP i EtherCAT, prowadzą synchronizację w różny sposób. PROFINET wykorzystuje protokół precyzyjnego sterowania czasem (PTCP). EtherCAT używa zegarów rozproszonych, które do synchronizacji wykorzystują przypisane i powiązane rejestry.

PROFINET i EtherNet/IP zawierają inteligentny mostek IEEE sieci Ethernet jako podstawową technologię przełączającą. W rezultacie protokoły te mogą zaadaptować rozszerzenie korektora czasowego (TAS) i wywłaszczenie ramek do wykorzystania standardowego sprzętu TSN. EtherNet/IP wykorzystuje pakiety protokołu datagramów użytkownika (UDP) do wymiany danych i jest kompatybilny z warstwą przełączania sieci TSN. PROFINET obsługuje bezpośredni model buforowy warstwy 2 dla danych obsługiwanych przez rozwiązanie TSN PRU-ICSS (Programmable Real-Time Unit Industrial Communications Subsystem).

Sieci wrażliwe na czas zostały zaprojektowane tak, aby obsługiwać czasy cyklu co najmniej tak krótkie jak EtherCAT i PROFINET oraz inne przemysłowe protokoły sieci Ethernet. Oczekuje się, że po uaktualnieniu do Gigabit Ethernet, protokół TSN przewyższy parametry działania innych protokołów. Obsługa ruchu deterministycznego w sieciach EtherCAT jest ograniczona do specjalnych typów pakietów danych. Stosowanie kombinacji sieci EtherCAT i TSN może zwiększyć elastyczność. Na przykład w dziedzinie synchronizacji sieć wrażliwa na czas dodaje możliwości wielonadrzędne. Wszystkie trzy protokoły zapewniają redundancję na różne sposoby. Sieć TSN wykorzystuje takie techniki, jak protokół redundancji równoległej (PRP) i protokół bezstratnej redundancji o wysokiej dostępności (HSR) zdefiniowany w normie IEC 62439-3 w celu implementacji redundancji bezstratnej (tabela 2).

Tabela 2: sieci EtherCAT, PROFINET i TSN mają podobne funkcje, ale implementują je inaczej. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Sieć TSN nie zawiera warstwy aplikacji i nie obciąża magistrali polowych na poziomie aplikacji. Na przykład połączenie maszyn za pomocą przełączników przy jednoczesnym użyciu sieci EtherCAT na poziomie maszyny, pozwala stworzyć przemysłową sieć Ethernet zawierającą funkcje sieci wrażliwej na czas. Zintegrowana sieć TSN-EtherCAT nie miesza technologii, ale definiuje płynną integrację pozwalającą na ich wykorzystanie i uzyskanie najlepszych parametrów każdej z nich.

Mikrokontroler MCU posiadający maksymalnie 6 portów sieci wrażliwej na czas (TSN)

Projektanci urządzeń Przemysłu 4.0, którzy potrzebują łączności TSN, mogą postawić na procesory AM652x Sitara firmy Texas Instruments, np. AM6528BACDXEA. Wspomniane mikrokontrolery MCU łączą w sobie dwa rdzenie Arm Cortex-A53 z podwójnym rdzeniem Cortex-R5F oraz trzema programowalnymi podsystemami jednostki czasu rzeczywistego i komunikacji przemysłowej Gigabit (PRU_ICSSG), które mogą zapewnić do sześciu portów przemysłowej sieci Ethernet, w tym TSN, PROFINET, EtherCAT, bądź mogą być wykorzystane do standardowej łączności Gigabit Ethernet (ilustracja 2).

Ilustracja 2: procesory AM652x Sitara zawierają sześć portów, które mogą być wykorzystane do obsługi sieci TSN i innych przemysłowych protokołów sieci Ethernet. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Grupa mikrokontrolerów MCU AM652x oferuje bezpieczne uruchamianie i akcelerację kryptograficzną, a dodatkowo granularne zapory sieciowe zarządzane przez podsystem zarządzania urządzeniami i kontroli zabezpieczeń (DMSC). Ponadto podwójny podsystem Cortex-R5F mikrokontrolera MCU jest dostępny do użytku ogólnego i posiada formę dwóch oddzielnych rdzeni. Rdzenie mogą być też używane w sprzężeniu w zastosowaniach z zakresu bezpieczeństwa funkcjonalnego.

Mikrokontroler MCU ze stosem CC-Link IE TSN

Mikrokontrolery MCU typu crossover i.MX RT1170 firmy NXP, np. MIMXRT1176DVMAA, posiadają dwurdzeniową architekturę z wydajnym rdzeniem Cortex-M7 (pracującym z częstotliwością do 1GHz) i energooszczędnym rdzeniem Cortex-M4 (pracującym z częstotliwością do 400MHz). Ta dwurdzeniowa architektura umożliwia równoległe działanie aplikacji i obsługuje funkcje optymalizacji zużycia energii dzięki wyłączaniu poszczególnych rdzeni, gdy jest to konieczne. Mikrokontrolery MCU zapewniają pełen stos komunikacyjny CC-Link IE TSN i są zoptymalizowane pod kątem obsługi operacji w czasie rzeczywistym oraz zapewniają czas odpowiedzi na przerwanie na poziomie 12ns.

Ilustracja 3: mikrokontrolery MCU i.MX RT1170 firmy NXP zawierają specjalny blok funkcjonalny sieci wrażliwej na czas (TSN) (wewnątrz czarnego owalu). (Źródło ilustracji: NXP)

Firma NXP oferuje zestaw ewaluacyjny MIMXRT1170-EVK (ilustracja 4), który umożliwia przyspieszenie prac rozwojowych nad aplikacjami uczenia maszynowego (ML) sterowania silnikami w czasie rzeczywistym, zaawansowanych interfejsów człowiek-maszyna (HMI), takich jak rozpoznawanie twarzy, a także innych aplikacji Przemysłu 4.0. Jest on zbudowany na 6-warstwowej płytce drukowanej o konstrukcji przewlekanej w celu zapewnienia lepszej kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i zawiera dwa porty Ethernet do rozwoju łączności wrażliwej na czas (TSN).

Ilustracja 4: zestaw ewaluacyjny MIMXRT1170-EVK firmy NXP. (Źródło ilustracji: NXP)

Mikrokontroler MCU i zestaw startowy przeznaczony dla sieci wrażliwych na czas (TSN)

Mikrokontrolery MCU z grupy RZ/N2L firmy Renesas, np. R9A07G084M04GBG#AC0, zostały opracowane w celu ułatwienia wdrażania przemysłowych sieci Ethernet i TSN w ramach Przemysłu 4.0. Umożliwiają one deterministyczną komunikację poprzez 3-portowy przełącznik sieci Gigabit Ethernet obsługujący sieci TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP i OPC UA. Firma Renesas oferuje również zestaw startowy RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ przeznaczony dla mikrokontrolerów MCU RZ/N2L. Zawiera on rozbudowane funkcje peryferyjne opracowane do zastosowań przemysłowych i ułatwia ewaluację przemysłowych sieci Ethernet oraz TSN (ilustracja 7). Zestaw zawiera niezbędny sprzęt i oprogramowanie:

• Sprzęt
  • Płytka procesorowa z mikrokontrolerem MCU RZ/N2L i wbudowanym emulatorem
  • Zasilający kabel USB (Type C - Type C)
  • Kabel USB do podłączania wbudowanego emulatora (Type A - Type Micro B)
  • Kabel USB do debugowania terminala PC (Type A - Type Mini B)
• Oprogramowanie
  • Środowisko rozwojowe, przykładowy kod oraz uwagi dotyczące zastosowań są dostępne w sieci Web, podobnie jak pakiet pomocy technicznej ze sterownikami urządzeń peryferyjnych i licznymi przykładami zastosowań, co umożliwia szybką ewaluację oraz prototypowanie.

Ilustracja 5: zestaw startowy RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ zawiera niezbędny sprzęt i oprogramowanie oraz przykłady zastosowań wspomagające prace rozwojowe nad sieciami deterministycznymi. (Źródło ilustracji: Renesas)

Podsumowanie

Sieci wrażliwe na czas (TSN) zostały uwzględnione w normach IEEE 802.1 dotyczących sieci Ethernet w celu ułatwienia prac rozwojowych nad komunikacją deterministyczną. Technologia TSN definiuje funkcje komunikacyjne warstwy 2 i zachowuje kompatybilność z protokołami wyższego poziomu, m.in. EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP. Wkrótce zostanie ujęta w międzynarodowej normie IEC/IEEE 60802 - profil sieci wrażliwych na czas (TSN) w automatyce przemysłowej. Dostawcy już zaczęli integrować technologię TSN z mikrokontrolerami MCU i powiązanymi platformami rozwojowymi, aby pomóc projektantom w szybkiej integracji komunikacji deterministycznej w kolejnej generacji urządzeń Przemysłu 4.0.