Implementierung zeitabhängiger Netzwerke für eine deterministische Kommunikation

Deterministische Kommunikation ist für verschiedene Anwendungen wie autonome Robotik und andere Industrie-4.0-Systeme, 5G-Kommunikation, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Echtzeit-Streaming-Dienste unerlässlich. Die IEEE802-Ethernet-Standards, „Time Sensitive Networking“ (TSN) genannt, wurden erweitert, um eine deterministische Kommunikation zu unterstützen. Richtig implementiert, kann TSN mit Nicht-TSN-Geräten interoperabel sein, aber eine deterministische Kommunikation ist nur zwischen TSN-fähigen Geräten möglich. Bei der Implementierung von TSN müssen zahlreiche IEEE-802-Normen koordiniert werden, um sicherzustellen, dass sowohl eine deterministische Kommunikation als auch Interoperabilität gewährleistet ist. Dies macht es komplex und zeitaufwändig, TSN von Grund auf in die Netzwerkausrüstung zu integrieren.

Stattdessen können Entwickler von Netzwerkgeräten auf Mikroprozessoreinheiten (MPUs) mit integrierter TSN-Funktionalität zurückgreifen, um die Markteinführung zu beschleunigen und die Entwicklungsrisiken zu verringern. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Grundlagen des TSN-Betriebs und der TSN-Implementierung, stellt einige der vielen IEEE802.1-Standards für die TSN-Implementierung vor, betrachtet, wie sich die IEC/IEEE 60802 auf TSN bezieht, und vergleicht TSN mit anderen Protokollen wie EtherCAT, ProfiNet und EtherNet/IP. Anschließend werden MPUs von Texas Instruments, NXP und Renesas vorgestellt, die TSN-Funktionen enthalten, sowie Entwicklungsplattformen, die die Integration deterministischer Netzwerke in Industrie-4.0-Geräte unterstützen.

Vor der Entwicklung von TSN war die Echtzeit-Vernetzung nur auf speziellen industriellen Feldbussen verfügbar. Feldbusse werden oft als „industrielles Ethernet“ bezeichnet. Die 802.1-TSN-Normen definieren Layer-2-Funktionen und die Vermittlung auf LAN-Ebene und fügen die Konzepte von Zeit und Synchronisation hinzu. TSN ersetzt keine Protokolle auf den Ebenen oberhalb der Ebene 2 und definiert weder die Softwareschnittstelle noch Hardwarekonfigurationen und -merkmale, wodurch es mit verschiedenen Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) kompatibel ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: TSN-Standards definieren Funktionen der Ebene 2 und können mit verschiedenen APIs koexistieren. (Bildquelle: Texas Instruments)

Bestehende TSN-Verkehrsformungsalgorithmen ermöglichen die Koexistenz von Echtzeitverkehr und regulärem bestmöglichem Verkehr in Standard-Ethernet-Netzen. Bei zeitkritischer Kommunikation können Determinismus und geringe Latenzzeiten garantiert werden. Dies kann den Einsatz sicherheitsrelevanter Systeme in Industrie- und Automobilumgebungen unterstützen. Einige der wichtigsten IEEE802.1-TSN-Unterstandards sind (Tabelle 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

Tabelle 1: TSN stützt sich auf zahlreiche Teilstandards, um deterministische Leistung, Redundanz und andere Funktionen in modularer Weise bereitzustellen. (Bild: Texas Instruments)

Die IEEE TSN kann in vier Kategorien von Teilnormen unterteilt werden, die für den Betrieb des TSN erforderlich sind. Die Zeitsynchronisierung ist die Grundlage, um die Synchronisierung der Taktgeber in einem Netzwerk zu gewährleisten. 802.1AS, auch 802.1ASrev genannt, ist der wichtigste Substandard für die Synchronisation.

Eine weitere Gruppe von Teilnormen bezieht sich auf die begrenzte geringe Latenzzeit. Die Unterstützung einer begrenzten niedrigen Latenzzeit ist eine notwendige Bedingung für die Erzielung von Determinismus bei Datenübertragungen und wird mit fünf Unterstandards definiert: 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), und 802.1Qcr (Asynchronous Traffic Shaping).

Höchste Zuverlässigkeit ist erforderlich, um Störungen und Fehler zu bewältigen und Redundanz und verwandte Funktionen bereitzustellen. Zu den verwandten Substandards gehören: 802.1CB (Frame Replication and Elimination), 802.1Qca (Path Control and Reservation), 802.1qci (Per-Stream Filtering and Policing) sowie Teile von 802.1AS und 802.1AVB (Zuverlässigkeit für die Zeitsynchronisierung aus den Timing- und Synchronisierungsteilen von TSN und dem IEEE-Audio-Bridging-Standard).

Es gibt eine Gruppe allgemeiner Teilnormen, die sich auf dedizierte Ressourcen, APIs und andere notwendige „Overhead“-Funktionen beziehen, einschließlich Planung und Konfiguration auf höherer Ebene und Interoperabilität in heterogenen Netzen. Beispiele für diese allgemeinen Unterstandards sind: 802.1Qat (Stream Reservation Protocol), P802.1Acc (TSN-Konfiguration), Kompatibilität mit der Datenmodellierungssprache YANG (Yet Another Next Generation) und 802.1Qdd (Ressourcenzuweisungsprotokoll).

Der modulare Aufbau von TSN ermöglicht es, das System für bestimmte Anwendungen und Anwendungsfälle zu optimieren. Nicht jede Funktion wird jedes Mal benötigt. So sind beispielsweise 802.1AS, Timing und Synchronisierung, bei allen TSN-Anwendungen in der Fabrikautomatisierung besonders wichtig, während Redundanz nur für eine Teilmenge der Automatisierungsanwendungen erforderlich sein kann.

Wie verhält sich die IEC/IEEE 60802 zu TSN?

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments liegt der IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN Profile for Industrial Automation (TSN-Profil für die Industrieautomatisierung) zur Kommentierung vor und wird voraussichtlich irgendwann im Jahr 2023 verabschiedet werden. Dieses Projekt von IEC SC65C/WG18 und IEEE 802 wird TSN-Profile für die industrielle Automatisierung definieren. Diese gemeinsame Anstrengung wird Profile ausgewählter Funktionen, Optionen, Konfigurationen, Standardeinstellungen, Protokolle und Verfahren von Brücken, Endstationen und LANs zum Aufbau industrieller Automatisierungsnetzwerke umfassen. Wie die bestehenden IEEE802-TSN-Standards wird auch 60802 flexibel und modular sein und eine Reihe von Netzwerkszenarien abdecken.

IEC/IEEE 60802 geht über die IEEE-802-Normen hinaus und wird in Anerkennung der Tatsache entwickelt, dass Benutzer und Anbieter interoperabler überbrückter zeitempfindlicher Netze für die Industrieautomatisierung Leitlinien für die Auswahl und den Einsatz von TSN-bezogenen Normen und Merkmalen benötigen, um konvergente Netze, die gleichzeitig den Verkehr der Betriebstechnik und anderen Verkehr unterstützen, wirksam einsetzen zu können. Die Veröffentlichung des IEC/IEEE-60802-TSN-Profils für die industrielle Automatisierung könnte zumindest anfangs für Verwirrung sorgen, da verschiedene Feldbusse oft als „industrielles Ethernet“ bezeichnet werden.

TSN und Feldbusse

Der Einsatz von TSN und Feldbussen ist keine Entweder-Oder-Situation. Sie sind kompatibel, werden oft zusammen verwendet und verwenden alle Konzepte, die mit der Zeitsynchronisation zusammenhängen. Feldbusse wie PROFINET, EtherNet/IP und EtherCAT setzen die Synchronisation jedoch auf unterschiedliche Weise um. PROFINET verwendet das Präzisionszeitsteuerungsprotokoll (PTCP). EtherCAT verwendet verteilte Taktgeber, die dedizierte und assoziierte Register zur Synchronisation verwenden.

PROFINET und EtherNet/IP beinhalten die IEEE-Ethernet-Lernbrücke als zugrundeliegende Vermittlungstechnologie. Infolgedessen können diese Protokolle nun die Erweiterung von TAS und Frame Preemption übernehmen und Standard-TSN-Hardware verwenden. EtherNet/IP verwendet UDP-Pakete für den Datenaustausch und ist mit der TSN-Vermittlungsschicht kompatibel. PROFINET unterstützt ein direktes Layer-2-Puffermodell für Daten, die von der TSN-Lösung der programmierbaren Echtzeiteinheit Industrial Communications Subsystem (PRU-ICSS) unterstützt werden.

TSN ist darauf ausgelegt, Zykluszeiten zu unterstützen, die mindestens so niedrig sind wie bei EtherCAT und PROFINET und anderen industriellen Ethernet-Protokollen. Bei einer Aufrüstung auf Gigabit-Ethernet wird TSN voraussichtlich die Leistung der anderen Protokolle übertreffen. Die Unterstützung für deterministischen Datenverkehr in EtherCAT ist auf spezielle Arten von Datenpaketen beschränkt. Die Kombination von EtherCAT und TSN kann die Flexibilität erhöhen. Im Bereich der Synchronisierung fügt TSN zum Beispiel Multi-Master-Fähigkeiten hinzu. Alle drei Protokolle bieten auf unterschiedliche Weise Redundanz. TSN verwendet eine Technik wie das parallele Redundanzprotokoll (PRP) und das hochverfügbare nahtlose Redundanzprotokoll (HSR), wie sie in IEC 62439-3 definiert sind, um verlustfreie Redundanz zu realisieren (Tabelle 2).

Tabelle 2: EtherCAT, PROFINET und TSN haben ähnliche Eigenschaften, setzen diese aber unterschiedlich um. (Bildquelle: Texas Instruments)

TSN enthält keine Anwendungsschicht und stellt keine Feldbusse auf der Anwendungsebene in Frage. So kann z. B. durch die Verbindung von Maschinen mit Switches bei gleichzeitiger Verwendung von EtherCAT auf Maschinenebene ein industrielles Ethernet-Netzwerk geschaffen werden, das TSN-Funktionen enthält. Ein integriertes TSN-EtherCAT-Netzwerk vermischt die beiden Technologien nicht, sondern definiert eine nahtlose Integration, um beide Technologien zu nutzen und die besten Leistungsaspekte beider Technologien zu realisieren.

MCU mit bis zu 6 TSN-Ports

Entwickler von Industrie4.0-Embedded-Geräten, die TSN-Vernetzung benötigen, können die Sitara-Prozessoren AM652x von Texas Instruments, wie den AM6528BACDXEA, verwenden. Diese MCUs kombinieren zwei Arm-Cortex-A53-Kerne mit einem dualen Cortex-R5F und drei Subsystemen für die programmierbare Echtzeiteinheit und das industrielle Gigabit-Kommunikationssubsystem PRU_ICSSG. Sie können bis zu sechs Ports für industrielles Ethernet, einschließlich TSN, PROFINET, EtherCAT und andere Protokolle, oder für Standard-Gigabit-Ethernet-Vernetzung bereitstellen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Sitara-Prozessoren AM652x verfügen über sechs Ports, die für TSN und andere industrielle Ethernet-Protokolle verwendet werden können. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die MCU-Familie AM652x umfasst neben granularen Firewalls, die vom DMSC-Subsystem (Device Management and Security Control) verwaltet werden, auch sicheres Booten und kryptografische Beschleunigung. Darüber hinaus ist das duale Cortex-R5F-MCU-Subsystem für allgemeine Zwecke als zwei einzelne Kerne verfügbar, oder die Kerne können im Gleichschritt für funktionale Sicherheitsanwendungen verwendet werden.

MCU mit CC-Link-IE-TSN-Stapel

Die i.MX-RT1170-Crossover-MCUs von NXP, wie der MIMXRT1176DVMAA, verfügen über eine Dual-Core-Architektur mit einem leistungsstarken Cortex-M7-Kern (mit bis zu 1 GHz) und einem energieeffizienten Cortex-M4-Kern (mit bis zu 400 MHz). Diese Dual-Core-Architektur ermöglicht die parallele Ausführung von Anwendungen und unterstützt die Optimierung des Stromverbrauchs, indem einzelne Kerne bei Bedarf abgeschaltet werden. Diese MCUs bieten einen vollständigen CC-Link-IE-TSN-Kommunikationsstack und sind für die Unterstützung von Echtzeitoperationen und eine Interrupt-Reaktionszeit von 12 ns optimiert.

Abbildung 3: Die i.MX-RT1170-MCUs von NXP enthalten einen speziellen TSN-Funktionsblock (innerhalb des schwarzen Ovals). (Bildquelle: NXP)

Um die Entwicklung von Anwendungen für maschinelles Lernen (ML), Echtzeit-Motorsteuerung, moderne Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) wie Gesichtserkennung und andere Industrie4.0-Anwendungen zu beschleunigen, bietet NXP das Evaluierungskit MIMXRT1170-EVK an (Abbildung 4). Dieses Evaluierungskit besteht aus einer 6-lagigen Leiterplatte mit Durchkontaktierungen zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und enthält zwei Ethernet-Ports für die Entwicklung mit TSN-Vernetzung.

Abbildung 4: Evaluierungskit MIMXRT1170-EVK von NXP. (Bildquelle: NXP)

MCU und Starterkit für TSN

Die MCUs der Familie RZ/N2L, wie der R9A07G084M04GBG#AC0, von Renesas wurden entwickelt, um die Implementierung von Industrial Ethernet und TSN in Industrie4.0-Anwendungen zu vereinfachen. Sie ermöglichen eine deterministische Kommunikation über einen Gigabit-Ethernet-Switch mit 3 Ports, der TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP und OPC UA unterstützt. Renesas bietet auch das Starter-Kit+ RTK9RZN2L0S00000BE für RZ/N2L-MCUs an. Dieses Starterkit enthält umfangreiche industrietaugliche Peripheriefunktionen und unterstützt die Evaluierung von industriellem Ethernet und TSN (Abbildung 7). Das Kit enthält die gesamte benötigte Hardware und Software:

• Hardware
  • CPU-Board mit RZ/N2L-MCU und On-Board-Emulator
  • USB-Kabel (Typ C auf Typ C) für die Stromversorgung
  • USB-Kabel (Typ A auf Typ Micro B) zur Verbindung mit dem On-Board-Emulator
  • USB-Kabel (Typ A auf Typ Mini B) für das Debugging über PC-Anschlüsse
• Software
  • Die Entwicklungsumgebung, der Beispielcode und die Anwendungshinweise sind im Internet verfügbar, wo auch ein Software-Support-Paket mit Peripherie-Treibern und zahlreichen Anwendungsbeispielen für eine schnelle Evaluierung und Prototyping zur Verfügung steht.

Abbildung 5: Das Starter-Kit+ RTK9RZN2L0S00000BE enthält die notwendige Hard- und Software sowie Anwendungsbeispiele, um die Entwicklung deterministischer Netzwerke zu unterstützen. (Bildquelle: Renesas)

Zusammenfassung

TSN wurde zu den IEEE802.1-Ethernet-Standards hinzugefügt, um die Entwicklung deterministischer Kommunikation zu unterstützen. TSN definiert Layer-2-Kommunikationsfunktionen und ist kompatibel mit übergeordneten Protokollen wie EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP und anderen. Es wird bald in der internationalen Norm IEC/IEEE 60802, TSN-Profil für industrielle Automatisierung, verankert werden. Anbieter haben bereits damit begonnen, TSN in MCUs und zugehörige Entwicklungsplattformen zu integrieren, um Entwicklern zu helfen, deterministische Kommunikation schnell in die nächste Generation von Industrie-4.0-Geräten zu integrieren.