Hoe tijdgevoelige netwerken te implementeren om deterministische communicatie te verzekeren

Deterministische communicatie is van vitaal belang in verschillende toepassingen zoals autonome robotica en andere Industrie 4.0-systemen, 5G-communicatie, geavanceerde rijhulpsystemen voor auto's (ADAS) en real-time streamingdiensten. De IEEE 802 Ethernet-normen, genaamd Time Sensitive Networking (TSN), zijn uitgebreid om deterministische communicatie te ondersteunen. Goed geïmplementeerd kan TSN interoperabel zijn met niet-TSN-apparaten, maar deterministische communicatie is alleen mogelijk tussen apparaten die TSN ondersteunen. Er zijn talrijke IEEE 802-normen die moeten worden gecoördineerd bij de invoering van TSN en om ervoor te zorgen dat het zowel deterministische communicatie als interoperabiliteit levert, waardoor het complex en tijdrovend is om TSN in netwerkapparatuur vanaf nul te ontwerpen.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers van netwerkapparatuur zich wenden tot microprocessoren (MPU's) met ingebouwde TSN-functionaliteit om de time-to-market te versnellen en de ontwikkelingsrisico's te beperken. Dit artikel bespreekt de basisprincipes van de werking en implementatie van TSN, introduceert enkele van de vele IEEE 802.1 normen voor de implementatie van TSN, bekijkt hoe IEC/IEEE 60802 betrekking heeft op TSN, en vergelijkt TSN met andere protocollen zoals EtherCAT, ProfiNet en EtherNet/IP. Vervolgens worden MPU's van Texas Instruments, NXP en Renesas gepresenteerd die TSN-mogelijkheden bevatten, samen met ontwikkelingsplatforms die de integratie van deterministische netwerken in Industrie 4.0-apparaten ondersteunen.

Vóór de ontwikkeling van TSN was real-time netwerken alleen beschikbaar op gespecialiseerde industriële veldbussen. Veldbussen worden vaak het "industriële Ethernet" genoemd. De 802.1 TSN-normen definiëren laag-2 functies en schakelen op lokaal netwerkniveau (LAN) en voegen de begrippen tijd en synchronisatie toe. TSN vervangt geen protocollen op niveaus boven laag 2 en definieert niet de software-interface of hardwareconfiguraties en -kenmerken, waardoor het compatibel is met verschillende toepassingsprogramma-interfaces (API's) (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: TSN-normen definiëren laag 2-functies en kunnen naast verschillende API's bestaan. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Bestaande algoritmen voor het vormgeven van TSN-verkeer maken de co-existentie mogelijk van real-time verkeer met regulier best-effort verkeer binnen standaard Ethernet-netwerken. Determinisme en lage latentie kunnen worden gegarandeerd voor tijdkritische communicatie. Dat kan de inzet van veiligheidsgerelateerde systemen in industriële en auto-omgevingen ondersteunen. Enkele van de belangrijkste IEEE 802.1 TSN-subnormen zijn (Tabel 1):

• IEEE 802.1 AS – timing & synchronization
• IEEE 802.1Qbv – time-aware shaper
• IEEE 802.3Qbr – interspersed express traffic
• IEEE 802.1Qbu – frame preemption
• IEEE 802.1Qca – path control & reservation
• IEEE 802.1CB – redundancy
• IEEE 802.1 Qcc – enhancements and improvements for stream reservation
• IEEE 802.1 Qch – cyclic queuing & forwarding
• IEEE 802.1Qci – per-stream filtering and policing
• IEEE 802.1CM – time-sensitive network for fronthaul

Tabel 1: TSN steunt op talrijke substandaarden om op modulaire wijze deterministische prestaties, redundantie en andere kenmerken te bieden. (Afbeelding: Texas Instruments)

IEEE TSN kan worden onderverdeeld in vier categorieën van subnormen die nodig zijn om de werking van TSN te waarborgen. Tijdsynchronisatie is de basis voor de synchronisatie van klokken in een netwerk. 802.1AS, ook wel 802.1ASrev genoemd, is de primaire substandaard met betrekking tot synchronisatie.

Een andere groep subnormen betreft de begrensde lage latentie. Ondersteuning voor begrensde lage latentie is een noodzakelijke voorwaarde voor het bereiken van determinisme in datatransmissies en wordt gedefinieerd met vijf subnormen: 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), en 802.1Qcr (asynchronous traffic shaping).

Ultra-betrouwbaarheid is vereist om storingen en fouten op te vangen en redundantie en aanverwante functies te bieden. Verwante subnormen zijn onder andere: 802.1CB (frame replication and elimination), 802.1Qca (path control and reservation), 802.1qci (per-stream filtering and policing), en delen van 802.1AS en 802.1AVB (betrouwbaarheid voor tijdsynchronisatie van de timing en synchronisatie delen van TSN en de IEEE audio bridging standaard).

Er is een groep algemene subnormen met betrekking tot specifieke middelen, API's en andere noodzakelijke "overhead"-kenmerken, waaronder planning en configuratie op een hoger niveau en interoperabiliteit in heterogene netwerken. Voorbeelden van deze algemene subnormen zijn: 802.1Qat (stream reservation protocol), P802.1Acc (TSN-configuratie), compatibiliteit met YANG (Yet Another Next Generation) datamodelleringstaal, en 802.1Qdd (resource allocation protocol).

Dankzij het modulaire ontwerp kan TSN worden geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen en gebruikssituaties. Niet elke functie is altijd nodig. Bijvoorbeeld, 802.1AS, timing en synchronisatie zijn bijzonder belangrijk voor alle toepassingen van TSN in de fabrieksautomatisering, terwijl redundantie slechts vereist kan zijn voor een subset van toepassingen in de automatisering.

Hoe verhoudt IEC/IEEE 60802 zich tot TSN?

Ten tijde van dit schrijven is IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN Profile for Industrial Automation uit voor commentaar en zal naar verwachting ergens in 2023 worden goedgekeurd. Dit IEC SC65C/WG18- en IEEE 802-project zal TSN-profielen voor industriële automatisering definiëren. Deze gezamenlijke inspanning omvat een profiel van geselecteerde kenmerken, opties, configuraties, standaardinstellingen, protocollen en procedures van bruggen, eindstations en LAN's om industriële automatiseringsnetwerken te bouwen. Net als de bestaande IEEE 802 TSN-normen zal 60802 flexibel en modulair zijn en een reeks netwerkscenario's aanpakken.

IEC/IEEE 60802 zal verder gaan dan de IEEE 802-normen en wordt ontwikkeld als erkenning van het feit dat gebruikers en verkopers van interoperabele overbrugde tijdgevoelige netwerken voor industriële automatisering behoefte hebben aan richtsnoeren voor de selectie en het gebruik van TSN-gerelateerde normen en kenmerken om effectief geconvergeerde netwerken in te zetten die tegelijkertijd operationeel technologieverkeer en ander verkeer ondersteunen. De vrijgave van het IEC/IEEE 60802 TSN-profiel voor industriële automatisering zou, althans in het begin, een bron van verwarring kunnen zijn, aangezien verschillende veldbussen vaak als "industrieel Ethernet" worden aangeduid.

TSN en veldbussen

Het gebruik van TSN en veldbussen is geen keuze. Ze zijn compatibel, worden vaak samen gebruikt en maken allemaal gebruik van concepten met betrekking tot tijdsynchronisatie. Veldbussen zoals PROFINET, EtherNet/IP en EtherCAT implementeren de synchronisatie echter op verschillende manieren. PROFINET gebruikt het precision time control protocol (PTCP). EtherCAT gebruikt gedistribueerde klokken die speciale en bijbehorende registers gebruiken voor synchronisatie.

PROFINET en EtherNet/IP omvatten de IEEE Ethernet-leerbrug als onderliggende schakeltechnologie. Bijgevolg kunnen deze protocollen nu de uitbreiding van TAS en frame preemption aanpassen om standaard TSN-hardware te gebruiken. EtherNet/IP gebruikt UDP-pakketten voor gegevensuitwisseling en is compatibel met de TSN-schakellaag. PROFINET ondersteunt een direct laag-2 buffermodel voor gegevens die worden ondersteund door de TSN-oplossing van de Programmable Real Time Unit Industrial Communications Subsystem (PRU-ICSS).

TSN is ontworpen om cyclustijden te ondersteunen die minstens even laag zijn als die van EtherCAT en PROFINET en andere industriële Ethernet-protocollen. Bij opwaardering tot Gigabit Ethernet zal TSN naar verwachting de prestaties van de andere protocollen overtreffen. Ondersteuning voor deterministisch verkeer in EtherCAT is beperkt tot speciale soorten datapakketten. Een combinatie van EtherCAT en TSN kan de flexibiliteit verhogen. Bijvoorbeeld, rond synchronisatie voegt TSN multi-master mogelijkheden toe. Alle drie de protocollen zorgen op verschillende manieren voor redundantie. TSN gebruikt een techniek zoals het parallel redundantieprotocol (PRP) en het protocol voor naadloze redundantie met hoge beschikbaarheid (HSR), zoals gedefinieerd in IEC 62439-3, om zero-loss-redundantie te implementeren (Tabel 2).

Tabel 2: EtherCAT, PROFINET en TSN hebben vergelijkbare kenmerken, maar implementeren deze op verschillende manieren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

TSN omvat geen toepassingslaag en daagt geen veldbussen uit op toepassingsniveau. Door bijvoorbeeld machines met switches onderling te verbinden en toch EtherCAT op machineniveau te gebruiken, kan een industrieel Ethernet-netwerk met TSN-functies worden gecreëerd. Een TSN-EtherCAT geïntegreerd netwerk vermengt de technologieën niet, maar definieert een naadloze integratie om beide technologieën te gebruiken en de beste prestatie-aspecten van elk te realiseren.

MCU met maximaal 6 TSN-poorten

Ontwerpers van Industry 4.0 embedded apparaten die TSN-connectiviteit nodig hebben, kunnen zich wenden tot de AM652x Sitara-processors van Texas Instruments, zoals de AM6528BACDXEA. Deze MCU's combineren twee Arm Cortex-A53 kernen met een dubbele Cortex-R5F en drie programmeerbare real-time eenheid en industriële communicatie subsysteem Gigabit (PRU_ICSSG) subsystemen die kunnen worden gebruikt om maximaal zes poorten voor industrieel Ethernet te bieden, waaronder TSN, PROFINET, EtherCAT en andere protocollen, of ze kunnen worden gebruikt voor standaard Gigabit Ethernet-connectiviteit (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De AM652x Sitara-processors bevatten zes poorten die gebruikt kunnen worden voor TSN en andere industriële Ethernet protocollen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De AM652x familie van MCU's omvat beveiligd opstarten en cryptografische versnelling naast granulaire firewalls beheerd door het device management en security control (DMSC) subsysteem. Bovendien is het dubbele Cortex-R5F MCU-subsysteem beschikbaar voor algemeen gebruik als twee afzonderlijke kernen, of kunnen de kernen gelijktijdig worden gebruikt voor functionele veiligheidstoepassingen.

MCU met CC-Link IE TSN-stack

NXP's i.MX RT1170 crossover MCU's, zoals de MIMXRT1176DVMAA, hebben een dual-core architectuur met een krachtige Cortex-M7 kern (tot 1 GHz) en een energiezuinige Cortex-M4 kern (tot 400 MHz). Dankzij deze dual-core architectuur kunnen toepassingen parallel draaien en wordt het stroomverbruik geoptimaliseerd door afzonderlijke kernen zo nodig uit te schakelen. Deze MCU's leveren een volledige CC-Link IE TSN-communicatiestack en zijn geoptimaliseerd voor real-time operaties en leveren een interruptreactietijd van 12 ns.

Afbeelding 3: De i.MX RT1170 MCU's van NXP bevatten een specifiek TSN-functieblok (binnen de zwarte ovaal). (Bron afbeelding: NXP)

Om de ontwikkeling van machine learning (ML) toepassingen, real-time motorbesturing, geavanceerde human machine interfaces (HMI) zoals gezichtsherkenning, en andere Industrie 4.0 toepassingen te versnellen, biedt NXP de MIMXRT1170-EVK-evaluatiekit aan (Afbeelding 4). Deze eval kit is gebouwd op een 6-laags printplaat (PCB) met doorlopend gatontwerp voor betere elektromagnetische compatibiliteit (EMC) prestaties en bevat twee Ethernet-poorten voor de ontwikkeling van TSN-connectiviteit.

Afbeelding 4: NXP's MIMXRT1170-EVK-evaluatiekit. (Bron afbeelding: NXP)

MCU en starterkit voor TSN

De RZ/N2L familie van MCU's, zoals de R9A07G084M04GBG#AC0, van Renesas zijn ontworpen om de implementatie van industrieel Ethernet en TSN in Industrie 4.0 toepassingen te vereenvoudigen. Ze maken deterministische communicatie mogelijk via een Gigabit Ethernet-switch met 3 poorten die TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP en OPC UA ondersteunt. Renesas biedt ook de RTK9RZN2L0S00000BE-starterkit+ voor RZ/N2L MCU's. Deze starterkit bevat uitgebreide perifere functies die geschikt zijn voor industriële toepassingen en ondersteunt de evaluatie van industrieel Ethernet en TSN (Afbeelding 7). De kit bevat alle benodigde hardware en software:

• Hardware
  • CPU-bord met RZ/N2L MCU en ingebouwde emulator
  • Voeding USB-kabel (type C naar type C)
  • Onboard emulatoraansluiting USB-kabel (type A naar type Micro B)
  • PC-terminaldebugging USB-kabel (Type A naar Type Mini B)
• Software
  • De ontwikkelingsomgeving, voorbeeldcode en toepassingsnotities zijn beschikbaar op het web, dat ook een softwareondersteuningspakket bevat met stuurprogramma's voor randapparatuur en talrijke toepassingsvoorbeelden voor snelle evaluatie en prototyping.

Afbeelding 5: De RTK9RZN2L0S00000BE-starterkit+ bevat de nodige hardware en software, plus toepassingsvoorbeelden, om de ontwikkeling van deterministische netwerken te ondersteunen. (Bron afbeelding: Renesas)

Samenvatting

TSN is toegevoegd aan de IEEE 802.1 Ethernet-normen ter ondersteuning van de ontwikkeling van deterministische communicatie. TSN definieert laag-2 communicatiefuncties en is compatibel met protocollen van een hoger niveau, zoals EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP en andere. Het zal binnenkort worden opgenomen in een internationale norm, IEC/IEEE 60802, TSN-profiel voor industriële automatisering. Leveranciers zijn al begonnen met de integratie van TSN in MCU's en gerelateerde ontwikkelingsplatforms om ontwerpers te helpen snel deterministische communicatie te integreren in de volgende generatie Industrie 4.0-apparaten.