Hur man implementerar tidskänsliga nätverk för att säkerställa deterministisk kommunikation

Deterministisk kommunikation är avgörande för olika tillämpningar, t.ex. autonom robotteknik och andra Industry 4.0-system, 5G-kommunikation, avancerade förarassistanssystem (ADAS) och streamingtjänster i realtid. Standarden IEEE 802 Ethernet, som kallas Time Sensitive Networking (TSN), har utökats för att stödja deterministisk kommunikation. Korrekt implementerat kan TSN vara driftskompatibelt med enheter som inte är TSN, men deterministisk kommunikation är endast möjlig mellan enheter med TSN. Det finns många IEEE 802-standarder som måste samordnas när man implementerar TSN och ser till att det ger både deterministisk kommunikation och driftskompatibilitet, vilket gör det komplicerat och tidskrävande att konstruera TSN i nätverksutrustning från grunden.

Konstruktörer av nätverksutrustning kan istället använda sig av mikroprocessorenheter med inbyggda funktioner för TSN för att skynda på tiden till marknaden och minska utvecklingsriskerna. Artikeln går igenom grunderna för funktion och implementation av TSN, presenterar några av de många IEEE 802.1-standarderna för implementering av TSN, tar upp hur IEC/IEEE 60802 förhåller sig till TSN och jämför TSN med andra protokoll som EtherCAT, ProfiNet och EtherNet/IP. Därefter presenteras mikroprocessorenheter från Texas Instruments, NXP och Renesas som innehåller TSN-funktioner, tillsammans med utvecklingsplattformar som stöder integrationen av deterministiska nätverk i Industry 4.0-enheter.

Innan TSN utvecklades var realtidsnätverk endast tillgängligt för specialiserade industriella fältbussar. Fältbussar kallas ofta "industriellt Ethernet". I 802.1 TSN-standarderna definieras funktioner för lager 2 och switchning på LAN-nivå (Local Area Networking) och begreppen tid och synkronisering läggs till. TSN ersätter inte protokoll på nivåer över lager 2 och definierar inte mjukvarugränssnitt eller hårdvarukonfigurationer och funktioner, vilket gör det kompatibelt med olika gränssnitt för tillämpningsprogrammering (API:er) (figur 1).

Figur 1: TSN-standarder definierar funktioner i lager 2 och kan samexistera med olika API:er. (Bildkälla: Texas Instruments)

Befintliga algoritmer för TSN-trafikformning gör det möjligt för realtidstrafik att samexistera med vanlig best-effort-trafik i vanliga Ethernet-nätverk. Determinism och låg latens kan garanteras för tidskritisk kommunikation. Detta kan stödja införandet av säkerhetsrelaterade system i industri- och fordonsmiljöer. Några av de viktigaste delstandarderna för TSN i IEEE 802.1 är följande (tabell 1):

• IEEE 802.1 AS - timing och synkronisering
• IEEE 802.1Qbv - tidsmedveten trafikformare
• IEEE 802.3Qbr - inflätad expresstrafik
• IEEE 802.1Qbu - förtur för ramar
• IEEE 802.1Qca - sökvägskontroll och reservation
• IEEE 802.1CB - redundans
• IEEE 802.1 Qcc - förbättringar för reservation av dataströmmar
• IEEE 802.1 Qch - cyklisk köbildning och vidarebefordran
• IEEE 802.1Qci - filtrering och policyer per dataström
• IEEE 802.1CM - tidskänsligt nätverk för frontlast

Tabell 1: TSN är beroende av många delstandarder för att tillhandahålla deterministisk prestanda, redundans och andra funktioner på ett modulärt sätt. (Bild: Texas Instruments)

IEEE TSN kan delas in i fyra kategorier av delstandarder som krävs för att säkerställa TSN:s funktion. Tidssynkronisering är grunden för att säkerställa synkronisering av klockor i ett nätverk. 802.1AS, även kallad 802.1ASrev, är den primära delstandarden för synkronisering.

En annan grupp av delstandarder gäller begränsat låg latens. Stöd för begränsat låg latenstid är ett nödvändigt villkor för att uppnå determinism i dataöverföringar och definieras i fem delstandarder: 802.1Qat (kreditbaserad trafikformare), 802.3Qbr (inflätad expresstrafik), 802.1Qbu (förtur för ramar), 802.1Qbv (tidsmedveten trafikformare (TAS)), 802.1Qav (cyklisk köbildning och vidarebefordran) och 802.1Qcr (asynkron trafikformning).

Extrem tillförlitlighet krävs för att hantera fel och för att tillhandahålla redundans och relaterade funktioner. Relaterade delstandarder är bland annat: 802.1CB (replikering och eliminering av ramar), 802.1Qca (sökvägskontroll och reservering), 802.1qci (filtrering och policyer per dataström) samt delar av 802.1AS och 802.1AVB (tillförlitlighet för tidssynkronisering från TSN:s delar om timing och synkronisering och IEEE:s standard för ljudöverbryggning).

Det finns en grupp allmänna delstandarder som rör dedikerade resurser, API:er och andra nödvändiga "overhead"-funktioner, inklusive planering och konfiguration på högre nivå samt driftskompatibilitet i heterogena nätverk. Exempel på dessa allmänna delstandarder är: 802.1Qat (protokoll för reservation av dataström), P802.1Acc (TSN-konfiguration), kompatibilitet med datamodelleringsspråket YANG (Yet Another Next Generation) och 802.1Qdd (resursallokeringsprotokoll).

TSN:s modulära konstruktion gör det möjligt att optimera det för specifika tillämpningar och användningsfall. Alla funktioner behövs inte alltid. Till exempel är 802.1AS, timing och synkronisering särskilt viktiga i alla användningsområden för TSN inom fabriksautomation, medan redundans kan krävas endast i en delmängd av användningsområdena för automation.

Hur förhåller sig IEC/IEEE 60802 till TSN?

När detta skrivs är IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN Profile for Industrial Automation ute för kommentarer och förväntas bli godkänd någon gång under 2023. Detta projekt för IEC SC65C/WG18 och IEEE 802 kommer att definiera TSN-profiler för industriell automation. Detta gemensamma arbete kommer att omfatta profilval av funktioner, alternativ, konfigurationer, standardvärden, protokoll och förfaranden för bryggor, slutstationer och LAN för att bygga nätverk för industriell automation. I likhet med de befintliga IEEE 802 TSN-standarderna kommer 60802 att vara flexibel och modulär och hantera en rad olika nätverksscenarier.

IEC/IEEE 60802 kommer att gå längre än IEEE 802-standarderna och utvecklas med hänsyn till att användare och leverantörer av driftskompatibla överbryggade tidskänsliga nätverk för industriell automatisering behöver riktlinjer för val och användning av TSN-relaterade standarder och funktioner för att effektivt kunna införa konvergerade nät som samtidigt stöder driftsteknisk trafik och annan trafik. Publiceringen av IEC/IEEE 60802 TSN-profilen för industriell automation kan visa sig vara en källa till förvirring, åtminstone till en början, eftersom olika fältbussar ofta kallas "industriellt Ethernet".

TSN och fältbussar

Användning av TSN och fältbussar är inte av typen antingen-eller. De är kompatibla, används ofta tillsammans och alla använder begrepp som rör tidssynkronisering. Fältbussar som PROFINET, EtherNet/IP och EtherCAT implementerar synkronisering på olika sätt. PROFINET använder protokollet PTCP (precision time control protocol). EtherCAT använder distribuerade klockor som använder dedikerade och associerade register för synkronisering.

PROFINET och EtherNet/IP har IEEE Ethernet learning bridge som underliggande switchningteknik. Som ett resultat av detta kan dessa protokoll nu anpassa utvidgningen av TAS och förtur för ramar för att använda vanlig TSN-hårdvara. EtherNet/IP använder UDP-paket för datautbyte och är kompatibelt med switchningslagret i TSN. PROFINET stöder en direkt lager 2-buffertmodell för data som stöds av TSN-lösningen PRU-ICSS (Programmerbar realtidsenhet för industriell kommunikation).

TSN är utformat för att stödja cykeltider som är åtminstone lika låga som EtherCAT och PROFINET och andra industriella Ethernet-protokoll. När TSN uppgraderas till Gigabit Ethernet förväntas TSN överträffa de andra protokollens prestanda. Stödet för deterministisk trafik i EtherCAT är begränsat till särskilda typer av datapaket. Genom att använda EtherCAT och TSN i kombination kan flexibiliteten förbättras. TSN lägger till exempel till funktioner för flera masterenheter i samband med synkronisering. Alla tre protokollen tillhandahåller redundans på olika sätt. TSN använder en teknik som det parallella redundansprotokollet (PRP) och HSR-protokollet (High-Availability Seamless Redundancy) som definieras i IEC 62439-3 för att genomföra redundans utan förlust (tabell 2).

Tabell 2: EtherCAT, PROFINET och TSN har liknande funktioner, men implementerar dem på olika sätt. (Bildkälla: Texas Instruments)

TSN innehåller inget applikationslager och utmanar inte fältbussar på applikationsnivå. Om man till exempel kopplar ihop maskiner med switchar och samtidigt använder EtherCAT på maskinnivå kan man skapa ett industriellt Ethernet-nätverk som innehåller TSN-funktioner. Ett integrerat nätverk med TSN-EtherCAT blandar inte teknikerna utan definierar en sömlös integration för att använda båda teknikerna och utnyttja de bästa prestandaspekterna från de båda.

MCU med upp till 6 TSN-portar

Konstruktörer av inbyggda Industry 4.0-enheter som behöver TSN-anslutning kan använda sig av processorerna AM652x Sitara från Texas Instruments, som exempelvis AM6528BACDXEA. Dessa MCU:er kombinerar två Arm Cortex-A53-kärnor med en dubbel Cortex-R5F och tre delsystem för programmerbar realtidsenhet och ett delsystem för industriell kommunikation Gigabit (PRU_ICSSG) som kan användas för att tillhandahålla upp till sex portar för industriellt Ethernet, inklusive TSN, PROFINET, EtherCAT och andra protokoll, eller så kan de användas för en standard Gigabit Ethernet-anslutning (figur 2).

Figur 2: Processorerna AM652x Sitara har sex portar som kan användas för TSN och andra industriella Ethernet-protokoll. (Bildkälla: Texas Instruments)

Mikroprocessorfamiljen AM652x innehåller säker uppstart och kryptografisk acceleration utöver finkorniga brandväggar som hanteras av delsystemet DMSC (enhetshantering och säkerhetskontroll). Dessutom finns ett delsystem med dubbla Cortex-R5F MCU:er tillgängligt för allmän användning som två individuella kärnor, eller så kan kärnorna användas i samma takt för tillämpningar med funktionell säkerhet.

MCU med CC-Link IE TSN-stack

Crossover-MCU:erna i.MX RT1170 från NXP, som t.ex. MIMXRT1176DVMAA har en dubbelkärnig arkitektur med en högeffektiv Cortex-M7-kärna (upp till 1 GHz) och en strömsnål Cortex-M4-kärna (upp till 400 MHz). Den här dubbelkärniga arkitekturen gör det möjligt att köra program parallellt och har stöd för optimering av energiförbrukningen genom att stänga av enskilda kärnor vid behov. MCU:erna har en fullständig CC-Link IE TSN-kommunikationsstack och är optimerade för att stödja realtidsverksamhet och ge en svarstid för avbrott på 12 ns.

Figur 3: MCU:erna i.MX RT1170 från NXP har ett särskilt TSN-funktionsblock (inuti den svarta ovalen). (Bildkälla: NXP)

För att påskynda utvecklingen av tillämpningar för maskininlärning (ML), motorstyrning i realtid, avancerade gränssnitt för människa och maskin (HMI) som ansiktsigenkänning och andra tillämpningar inom Industry 4.0 erbjuder NXP utvärderingssatsen MIMXRT1170-EVK (figur 4). Denna utvärderingssats bygger på ett 6-lagers kretskort med genomgående hål för bättre elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och den innehåller två Ethernet-portar för utveckling av TSN-anslutning.

Figur 4: utvärderingssatsen MIMXRT1170-EVK från NXP. (Bildkälla: NXP)

MCU och startpaket för TSN

RZ/N2L-familjen av MCU:er, som t.ex. R9A07G084M04GBG#AC0 från Renesas är utformade för att förenkla implementeringen av industriellt Ethernet och TSN i tillämpningar för Industry 4.0. De möjliggör deterministisk kommunikation genom en Gigabit Ethernet-switch med 3 portar som har stöd för TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP och OPC UA. Renesas erbjuder även startpaketet RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ för RZ/N2L MCU:er. Startpaketet innehåller omfattande funktioner för kringutrustning som lämpar sig för industriella tillämpningar och stöder utvärderingen av industriell Ethernet och TSN (figur 7). Paketet innehåller all nödvändig hård- och mjukvara:

• Hårdvara
  • CPU-kort med RZ/N2L MCU och inbyggd emulator.
  • Strömförsörjning USB-kabel (typ C till typ C)
  • Anslutning för inbyggd emulator USB-kabel (typ A till typ Micro B)
  • USB-kabel för felsökning via PC-terminal (typ A till typ Mini B)
• Programvara
  • Utvecklingsmiljön, exempelkoden och tillämpningsanvisningar finns tillgängliga på webben som även innehåller ett stödpaket för programmet med drivrutiner för kringutrustning, och många tillämpningsexempel för snabb utvärdering och prototypframställning.

Figur 5: RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ innehåller nödvändig hård- och mjukvara samt tillämpningsexempel för att stödja utvecklingen av deterministiska nätverk. (Bildkälla: Renesas)

Sammanfattning

TSN har lagts till i IEEE 802.1 Ethernet-standarderna för att stödja utvecklingen av deterministisk kommunikation. TSN definierar kommunikationsfunktioner på nivå 2 och är kompatibelt med protokoll på högre nivå som EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP och andra. Den kommer snart att införlivas i en internationell standard, IEC/IEEE 60802, TSN Profile for Industrial Automation. Leverantörerna har redan börjat integrera TSN i MCU:er och relaterade utvecklingsplattformar för att hjälpa konstruktörer att snabbt integrera deterministisk kommunikation i nästa generation av Industry 4.0-enheter.