Jak implementovat standard TSN k zajištění deterministické komunikace

Deterministická komunikace je zásadní v různých aplikacích, jako je autonomní robotika a další systémy koncepce Industry 4.0, komunikací 5G, automobilové pokročilé asistenční systémy řidiče (ADAS) a služby streamování v reálném čase. Standardy IEEE 802 Ethernet, nazývané Time Sensitive Networking (TSN), byly rozšířeny o podporu deterministické komunikace. Správně implementované TSN může být interoperabilní se zařízeními, která nejsou TSN, ale deterministická komunikace je dostupná pouze mezi zařízeními podporujícími TSN. Existuje mnoho standardů IEEE 802, které je třeba koordinovat při implementaci standardu TSN a zajistit, aby poskytoval jak deterministickou komunikaci, tak interoperabilitu, čímž se návrh TSN do síťového zařízení od začátku stává složitým a časově náročným.

Konstruktéři síťových zařízení mohou namísto toho využívat mikroprocesorové jednotky (MPU) s vestavěnou funkcí TSN, aby urychlili dobu uvedení na trh a snížili rizika vývoje. Tento článek shrnuje základy provozu a implementace standardu TSN, představuje některé z mnoha standardů IEEE 802.1 pro implementaci TSN, zvažuje, jak souvisí IEC/IEEE 60802 s TSN, a srovnává TSN s jinými protokoly, jako jsou EtherCAT, ProfiNet a EtherNet/IP. Poté prezentuje jednotky MPU od společností Texas Instruments, NXP a Renesas, které zahrnují standard TSN společně s vývojovými platformami podporujícími integraci deterministických sítí do zařízení koncepce Industry 4.0.

Před vývojem standardu TSN byla síť v reálném čase dostupná pouze na specializovaných průmyslových sběrnicích. Průmyslové sběrnice jsou často označovány jako „průmyslový Ethernet“. Standardy 802.1 TSN definují funkce vrstvy 2, přepínání na úrovni lokálních sítí (LAN) a přidávají koncepty času a synchronizace. Standard TSN nenahrazuje protokoly na úrovních nad vrstvou 2, nedefinuje softwarové rozhraní ani hardwarové konfigurace a funkce, čímž je kompatibilní s různými aplikačními programovacími rozhraními (API) (obrázek 1).

Obrázek 1: standardy TSN definují funkce vrstvy 2 a mohou existovat společně s různými rozhraními API. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Stávající algoritmy pro tvarování provozu TSN umožňují koexistenci provozu v reálném čase s běžným provozem při nejlepším úsilí v rámci standardních sítí Ethernet. Pro časově kritickou komunikaci lze zaručit determinismus a nízkou latenci. To může podpořit nasazení systémů souvisejících s bezpečností v průmyslovém a automobilovém prostředí. Některé z klíčových podstandardů IEEE 802.1 TSN zahrnují (tabulka 1):

• IEEE 802.1 AS - časování a synchronizace
• IEEE 802.1Qbv - tvarovač, který sleduje čas
• IEEE 802.3Qbr - rozptýlený expresní provoz
• IEEE 802.1Qbu - preempce rámců
• IEEE 802.1Qca - řízení a rezervace cesty
• IEEE 802.1CB - redundance
• IEEE 802.1 Qcc - vylepšení a vylepšení pro rezervaci streamů
• IEEE 802.1 Qch - cyklické řazení do front a přesměrování
• IEEE 802.1Qci - filtrace a kontrola jednotlivých proudů
• IEEE 802.1CM - časově citlivá síť pro fronthaul

Tabulka 1: standard TSN spoléhá na četné dílčí standardy, které poskytují deterministický výkon, redundanci a další funkce jako modulární řešení. (Obrázek: Texas Instruments)

IEEE TSN lze rozdělit do čtyř kategorií podstandardů, které jsou nutné k zajištění provozu standardu TSN. Časová synchronizace času je základem pro zajištění synchronizace hodin v síti. 802.1AS, také nazývaný 802.1ASrev, je primární podstandard související se synchronizací.

Další skupina podstandardů se týká omezené nízké latence. Podpora omezené nízké latence je nezbytnou podmínkou pro dosažení determinismu v datových přenosech a je definována v pěti podstandardech: 802.1Qat (kreditem řízený regulátor), 802.3Qbr (rozložený expresní provoz), 802.1Qbu (preempce rámců), 802.1Qbv (časově orientovaný regulátor (TAS)), 802.1Qav (cyklické řazení do front a předávání) a 802.1Qcr (asynchronní tvarování provozu).

K řešení poruch, chyb a zajištění redundance a souvisejících funkcí je nutná mimořádná spolehlivost. Související podstandardy zahrnují: 802.1CB (replikace a eliminace rámců), 802.1Qca (řízení a rezervace cesty), 802.1qci (filtrování a dohled nad tokem) a části 802.1AS a 802.1AVB (spolehlivost pro časovou synchronizaci z časovací a synchronizační části standardu TSN a IEEE o zvukovém přemostění).

Existuje skupina obecných podstandardů souvisejících s vyhrazenými prostředky, rozhraními API a dalšími nezbytnými „režijními“ funkcemi včetně plánování a konfigurace vyšší úrovně a interoperability v heterogenních sítích. Příklady těchto obecných podstandardů zahrnují: 802.1Qat (protokol rezervace toku), P802.1Acc (konfigurace TSN), kompatibilita s jazykem datového modelování YANG (Yet Another Next Generation) a 802.1Qdd (protokol pro alokaci zdrojů).

Modulární design TSN umožňuje jeho optimalizaci pro konkrétní aplikace a případy použití. Nikoli každá funkce je vždy potřebná. Například 802.1AS, časování a synchronizace jsou zvláště důležité ve všech továrních automatizačních použitích standardu TSN, zatímco redundanci může vyžadovat pouze podmnožina případů použití automatizace.

Jak spolu souvisí standardy IEC/IEEE 60802 s TSN?

V době psaní tohoto článku je standard IEC/IEEE 60802, koncept 1.4, profil TSN pro průmyslovou automatizaci k dispozici k připomínkování a očekává se, že bude schválen někdy v roce 2023. Tento projekt IEC SC65C/WG18 a IEEE 802 bude definovat profily TSN pro průmyslovou automatizaci. Toto společné úsilí bude zahrnovat funkce výběru profilu, možnosti, konfigurace, výchozí hodnoty, protokoly a postupy mostů, koncových stanic a sítí LAN pro budování sítí průmyslové automatizace. Stejně jako stávající standardy IEEE 802 TSN bude i 60802 flexibilní a modulární a bude řešit řadu síťových scénářů.

Norma IEC/IEEE 60802 přesahuje rámec standardů IEEE 802 a je vyvíjena s ohledem na skutečnost, že uživatelé a prodejci interoperabilních přemostěných časově citlivých sítí pro průmyslovou automatizaci potřebují pokyny pro výběr a použití standardů a funkcí souvisejících s TSN, aby mohli efektivně instalovat konvergované sítě, které současně podporují technologický a jiný provoz. Vydání profilu IEC/IEEE 60802 TSN pro průmyslovou automatizaci by se alespoň zpočátku mohlo ukázat jako zdroj chaosu, protože různé průmyslové sběrnice jsou často označovány jako „průmyslový Ethernet“.

Standard TSN a průmyslové sběrnice

Použití TSN a průmyslových sběrnic není návrhem, u kterého se obě možnosti vylučují. Jsou kompatibilní, často se používají společně a všechny využívají koncepty související s časovou synchronizací. Přesto sběrnice jako PROFINET, EtherNet/IP a EtherCAT implementují synchronizaci různými způsoby. PROFINET používá protokol pro přesné řízení času (PTCP). EtherCAT používá distribuované hodiny, které pro synchronizaci využívají vyhrazené a přidružené registry.

PROFINET a EtherNet/IP zahrnují IEEE Ethernet learning bridge jako základní přepínací technologii. Výsledkem je, že tyto protokoly nyní mohou přizpůsobit rozšíření TAS a preempci rámců pro použití standardního hardwaru TSN. EtherNet/IP používá pro výměnu dat pakety UDP a je kompatibilní s přepínací vrstvou TSN. PROFINET podporuje přímý model vyrovnávací paměti vrstvy 2 pro data podporovaný řešením TSN programovatelné jednotky průmyslového komunikačního subsystému (PRU-ICSS) v reálném čase.

TSN je navržen tak, aby podporoval doby cyklu minimálně tak krátké, jako vykazují EtherCAT a PROFINET a další průmyslové ethernetové protokoly. Po upgradu na gigabitový Ethernet se očekává, že TSN překoná výkon ostatních protokolů. Podpora deterministického provozu v EtherCAT je omezena na speciální typy datových paketů. Použití EtherCAT a TSN v kombinaci může zlepšit flexibilitu. Například, pokud jde o synchronizaci, TSN přidává možnosti multi-master. Všechny tři protokoly poskytují redundanci různými způsoby. TSN používá techniku, jako je protokol paralelní redundance (PRP) a protokol plynulé redundance s vysokou dostupností (HSR), jak je definováno v normě IEC 62439-3 o implementaci redundance s nulovou ztrátou (tabulka 2).

Tabulka 2: standardy EtherCAT, PROFINET a TSN mají podobné funkce, které však implementují různými způsoby. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

TSN nezahrnuje aplikační vrstvu a nezpochybňuje průmyslové sběrnice na aplikační úrovni. Například propojením strojů pomocí přepínačů při současném používání standardu EtherCAT na strojní úrovni lze vytvořit průmyslovou síť Ethernet, která zahrnuje funkce TSN. Integrovaná síť TSN-EtherCAT nekombinuje technologie, ale definuje bezproblémovou integraci pro použití obou technologií a dosažení nejlepších výkonnostních aspektů každé z nich.

Jednotky MCU s až 6 porty TSN

Konstruktéři vestavěných zařízení koncepce Industry 4.0 vyžadujících TSN konektivitu mohou využívat procesory AM652x Sitara od společnosti Texas Instruments, například model AM6528BACDXEA. Tyto jednotky MCU kombinují dvě jádra Arm Cortex-A53 s duálním jádrem Cortex-R5F, tři programovatelné jednotky reálného času a podsystémy průmyslového komunikačního subsystému Gigabit (PRU_ICSSG), které lze použít k poskytování až šesti portů průmyslového Ethernetu včetně TSN, PROFINET, EtherCAT a dalších protokolů, nebo je lze použít pro standardní připojení gigabitového Ethernetu (obrázek 2).

Obrázek 2: procesory AM652x Sitara obsahují šest portů, které lze použít pro TSN a další protokoly průmyslového Ethernetu. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Jednotky MCU skupiny AM652x zahrnují kromě granulárních bran firewall spravovaných subsystémem správy a zabezpečení zařízení (DMSC) také zabezpečené spouštění a kryptografickou akceleraci. Duální subsystém Cortex-R5F MCU je navíc k dispozici pro všeobecné použití jako dvě samostatná jádra, nebo lze jádra použít v synchronizaci pro aplikace funkční bezpečnosti.

Jednotka MCU se zásobníkem CC-Link IE TSN

Víceúčelové mikrořadiče i.MX RT1170 od společnosti NXP zahrnující např. model MIMXRT1176DVMAA, používají dvoujádrovou architekturu s vysoce výkonným jádrem Cortex-M7 (až 1 GHz) a energeticky úsporným jádrem Cortex-M4 (až 400 MHz). Tato dvoujádrová architektura umožňuje paralelní chod aplikací a podporuje optimalizaci spotřeby energie vypínáním jednotlivých jader podle potřeby. Tyto jednotky MCU poskytují kompletní komunikační zásobník CC-Link IE TSN, jsou optimalizovány pro podporu operací v reálném čase a poskytují dobu odezvy na přerušení 12 ns.

Obrázek 3: Jednotky MCU i.MX RT1170 od společnosti NXP obsahují vyhrazený funkční blok TSN (uvnitř černého oválu). (Zdroj obrázku: NXP)

Pro urychlení vývoje aplikací strojového učení (ML), řízení motorů v reálném čase, pokročilých rozhraní člověk-stroj (HMI), jako je rozpoznávání obličeje, a dalších aplikací koncepce Industry 4.0 nabízí společnost NXP vyhodnocovací soupravu MIMXRT1170-EVK (obrázek 4). Tato vyhodnocovací souprava je postavena na 6vrstvé desce plošných spojů (PCB) v provedení s průchozími otvory pro lepší výkonnost elektromagnetické kompatibility (EMC) a obsahuje dva ethernetové porty umožňující vývoj TSN konektivity.

Obrázek 4: vyhodnocovací souprava MIMXRT1170-EVK od společnosti NXP. (Zdroj obrázku: NXP)

MCU a startovací sada pro TSN

Jednotky MCU skupiny RZ/N2L zahrnující např. model R9A07G084M04GBG#AC0 od společnosti Renesas jsou navrženy tak, aby zjednodušovaly implementaci průmyslového Ethernetu a TSN v aplikacích koncepce Industry 4.0. Umožňují deterministickou komunikaci prostřednictvím 3portového gigabitového ethernetového přepínače, který podporuje protokoly TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP a OPC UA. Společnost Renesas dále pro jednotku MCU RZ/N2L nabízí startovací sadu RTK9RZN2L0S00000BE. Tato startovací sada obsahuje rozsáhlé periferní funkce vhodné pro průmyslové aplikace a podporuje vyhodnocování průmyslového Ethernetu a TSN (obrázek 7). Sada obsahuje veškerý potřebný hardware a software:

• Hardware
  • CPU deska s jednotkou MCU RZ/N2L a vestavěným emulátorem
  • Napájecí USB kabel (typ C na typ C)
  • USB kabel pro připojení emulátoru na desce (typ A na typ Micro B)
  • USB kabel pro ladění na PC terminálu (typ A na typ Mini B)
• Software
  • Vývojové prostředí, vzorový kód a poznámky k aplikaci jsou k dispozici na webu, který také zahrnuje balíček softwarové podpory s periferními ovladači a mnoho příkladů aplikací pro rychlé vyhodnocování a prototypování.

Obrázek 5: startovací sada RTK9RZN2L0S00000BE obsahuje nezbytný hardware a software společně s příklady aplikací pro podporu vývoje deterministických sítí. (Zdroj obrázku: Renesas)

Shrnutí

TSN byl přidán do standardů IEEE 802.1 Ethernet pro podporu vývoje deterministických komunikací. Standard TSN definuje komunikační funkce vrstvy 2 a je kompatibilní s protokoly vyšší úrovně, například EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP a další. Brzy bude začleněn do mezinárodního standardu IEC/IEEE 60802, TSN Profile for Industrial Automation. Dodavatelé již začali standard TSN integrovat do jednotek MCU a souvisejících vývojových platforem, aby konstruktérům pomohli rychle začlenit deterministické komunikace do zařízení koncepce Industry 4.0 příští generace.