Come implementare la connettività di rete prioritaria per garantire una comunicazione deterministica

La comunicazione deterministica è fondamentale in diverse applicazioni come la robotica autonoma e altri sistemi per Impresa 4.0, le comunicazioni 5G, i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) nel settore automotive e i servizi di streaming in tempo reale. Gli standard Ethernet IEEE 802, chiamati Time Sensitive Networking (TSN), sono stati ampliati per supportare la comunicazione deterministica. Se implementato correttamente, TSN può essere interoperabile con dispositivi non TSN, ma la comunicazione deterministica è disponibile solo tra dispositivi abilitati a TSN. Esistono numerosi standard IEEE 802 da coordinare per l'implementazione di TSN e per garantire la comunicazione deterministica e l'interoperabilità, il che rende complessa e dispendiosa la progettazione da zero di TSN nelle apparecchiature di rete.

I progettisti di apparecchiature di rete possono invece rivolgersi alle unità a microprocessore (MPU) con funzionalità TSN integrate per accelerare il time-to-market e ridurre i rischi di sviluppo. Questo articolo esamina le basi del funzionamento e dell'implementazione del TSN, introduce alcuni dei numerosi standard IEEE 802.1 per l'implementazione di TSN, esamina il modo in cui la norma IEC/IEEE 60802 si riferisce a TSN e confronta TSN con altri protocolli come EtherCAT, ProfiNet ed EtherNet/IP. Presenta poi le MPU di Texas Instruments, NXP e Renesas che includono la funzionalità TSN, insieme alle piattaforme di sviluppo che supportano l'integrazione della connettività di rete deterministica nei dispositivi per Impresa 4.0.

Prima dello sviluppo di TSN, la rete in tempo reale era disponibile solo su fieldbus industriali specializzati. I fieldbus sono spesso definiti "Industrial Ethernet". Gli standard 802.1 TSN definiscono le funzioni di livello 2 e la commutazione a livello di rete locale (LAN) e aggiungono i concetti di tempo e sincronizzazione. TSN non sostituisce i protocolli ai livelli superiori a 2 e non definisce l'interfaccia software o le configurazioni e le caratteristiche hardware, rendendolo compatibile con varie interfacce di programmazione delle applicazioni (API) (Figura 1).

Figura 1: Gli standard TSN definiscono le funzioni di livello 2 e possono coesistere con varie API. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Gli algoritmi di modellazione del traffico TSN esistenti consentono la coesistenza di traffico in tempo reale e di regolare traffico best-effort all'interno di reti Ethernet standard. È possibile garantire determinismo e bassa latenza per le comunicazioni in cui il fattore di tempo è cruciale. Questo può supportare l'implementazione di sistemi di sicurezza in ambienti industriali e automotive. Alcuni dei principali sotto-standard IEEE 802.1 TSN includono (Tabella 1):

• IEEE 802.1 AS - temporizzazione e sincronizzazione
• IEEE 802.1Qbv - shaper consapevole del tempo
• IEEE 802.3Qbr - traffico espresso intervallato
• IEEE 802.1Qbu - prelazione dei frame
• IEEE 802.1Qca - controllo e prenotazione del percorso
• IEEE 802.1CB - ridondanza
• IEEE 802.1 Qcc - miglioramenti e perfezionamenti per la prenotazione di flusso
• IEEE 802.1 Qch - accodamento e inoltro ciclico
• IEEE 802.1Qci - filtraggio e criteri per flusso
• IEEE 802.1CM - rete prioritaria per fronthaul

Tabella 1: TSN si basa su numerosi sotto-standard per fornire in modo modulare prestazioni deterministiche, ridondanza e altre funzionalità. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

IEEE TSN può essere suddiviso in quattro categorie di standard secondari, necessari per garantire il funzionamento di TSN. La sincronizzazione temporale è la base per garantire la sincronizzazione dei clock in una rete. 802.1AS, chiamato anche 802.1ASrev, è il principale sotto-standard relativo alla sincronizzazione.

Un altro gruppo di sotto-standard riguarda la bassa latenza delimitata. Il supporto per la bassa latenza delimitata è una condizione necessaria per il determinismo nelle trasmissioni di dati ed è definito con cinque sotto-standard: 802.1Qat (shaper basato sul credito), 802.3Qbr (traffico espresso intervallato), 802.1Qbu (prelazione dei frame), 802.1Qbv (shaper consapevole del tempo (TAS)), 802.1Qav (accodamento e inoltro ciclico) e 802.1Qcr (modellazione del traffico asincrona).

L'estrema affidabilità è necessaria per gestire guasti ed errori e fornire ridondanza e funzioni correlate. Gli standard secondari correlati includono: 802.1CB (replica ed eliminazione dei frame), 802.1Qca (controllo e prenotazione del percorso), 802.1qci (filtraggio e criteri per flusso) e parti di 802.1AS e 802.1AVB (affidabilità per la sincronizzazione temporale dalle parti di temporizzazione e sincronizzazione di TSN e dello standard di bridging audio IEEE).

Esiste un gruppo di sotto-standard generali relativi alle risorse dedicate, alle API e ad altre caratteristiche "generali" necessarie, tra cui la pianificazione e la configurazione di livello superiore e l'interoperabilità in reti eterogenee. Esempi di questi sotto-standard generali sono: 802.1Qat (protocollo di prenotazione dei flussi), P802.1Acc (configurazione TSN), compatibilità con il linguaggio di modellazione dati YANG (Yet Another Next Generation) e 802.1Qdd (protocollo di allocazione risorse).

Il design modulare di TSN consente di ottimizzarlo per applicazioni e casi d'uso specifici. Non tutte le funzioni sono sempre necessarie. Ad esempio, 802.1AS, la temporizzazione e la sincronizzazione sono particolarmente importanti per tutti gli usi di TSN nell'automazione industriale, mentre la ridondanza può essere richiesta solo da un sottoinsieme di casi d'uso dell'automazione.

Qual è il rapporto tra IEC/IEEE 60802 e TSN?

Al momento in cui scriviamo, la bozza 1.4 del profilo TSN per l'automazione industriale IEC/IEEE 60802 è in fase di revisione e si prevede che venga approvata nel 2023. Questo progetto IEC SC65C/WG18 e IEEE 802 definirà i profili TSN per l'automazione industriale. Questo sforzo congiunto includerà il profilo di caratteristiche, opzioni, configurazioni, impostazioni predefinite, protocolli e procedure di ponti, stazioni finali e LAN per costruire reti di automazione industriale. Come gli standard IEEE 802 TSN esistenti, 60802 sarà flessibile e modulare e risponderà a una serie di scenari di rete.

La norma IEC/IEEE 60802 andrà oltre gli standard IEEE 802 ed è in corso di sviluppo per tener conto del fatto che gli utenti e i fornitori di reti interoperabili prioritarie per l'automazione industriale necessitano di linee guida per la selezione e l'utilizzo di standard e funzionalità relative a TSN, al fine di implementare efficacemente reti convergenti che supportino contemporaneamente il traffico tecnologico operativo e di altro tipo. Il rilascio del profilo IEC/IEEE 60802 TSN per l'automazione industriale potrebbe essere fonte di confusione, almeno inizialmente, poiché diversi fieldbus sono spesso indicati come "Industrial Ethernet".

TSN e fieldbus

L'uso di TSN e fieldbus non è una questione di esclusione reciproca. Sono compatibili, spesso utilizzati insieme e tutti utilizzano concetti legati alla sincronizzazione temporale. Tuttavia, i fieldbus come PROFINET, EtherNet/IP ed EtherCAT implementano la sincronizzazione in modi diversi. PROFINET utilizza il protocollo di controllo temporale di precisione (PTCP). EtherCAT utilizza clock distribuiti che impiegano registri dedicati e associati per la sincronizzazione.

PROFINET e EtherNet/IP includono il learning bridge IEEE Ethernet come tecnologia di commutazione sottostante. Di conseguenza, questi protocolli possono ora adattare l'estensione di TAS e la prelazione dei frame per utilizzare l'hardware TSN standard. EtherNet/IP utilizza pacchetti UDP per lo scambio di dati ed è compatibile con il livello di commutazione TSN. PROFINET supporta un modello di buffer diretto di livello 2 per i dati supportati dalla soluzione TSN dell'unità programmabile in tempo reale del sottosistema di comunicazione industriale (PRU-ICSS).

TSN è progettato per supportare tempi di ciclo almeno pari a quelli di EtherCAT e PROFINET e di altri protocolli Industrial Ethernet. Con l'aggiornamento a Gigabit Ethernet, si prevede che TSN supererà le prestazioni degli altri protocolli. Il supporto per il traffico deterministico in EtherCAT è limitato a particolari tipi di pacchetti di dati. L'utilizzo combinato di EtherCAT e TSN può migliorare la flessibilità. Ad esempio, per quanto riguarda la sincronizzazione, TSN aggiunge funzionalità multi-master. Tutti e tre i protocolli forniscono ridondanza in modi diversi. TSN utilizza una tecnica come il protocollo di ridondanza parallela (PRP) e il protocollo di ridondanza senza soluzione di continuità ad alta disponibilità (HSR), definiti nella norma IEC 62439-3, per implementare la ridondanza a perdita zero (Tabella 2).

Tabella 2: EtherCAT, PROFINET e TSN hanno caratteristiche simili, ma le implementano in modo diverso. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

TSN non include un livello applicativo e non sfida i fieldbus a livello applicativo. Ad esempio, l'interconnessione di macchine con interruttori, pur utilizzando EtherCAT a livello di macchina, può creare una rete Industrial Ethernet che include le funzioni TSN. Una rete integrata TSN-EtherCAT non mescola le tecnologie, ma definisce un'integrazione perfetta per utilizzare entrambe le tecnologie e realizzare le migliori prestazioni di ciascuna.

MCU con un massimo di 6 porte TSN

I progettisti di dispositivi embedded per Impresa 4.0 che necessitano di connettività TSN possono rivolgersi ai processori AM652x Sitara di Texas Instruments, come AM6528BACDXEA. Questi MCU combinano due core ARM Cortex-A53 con un doppio Cortex-R5F e tre sottosistemi programmabili di unità in tempo reale e sottosistema di comunicazione industriale Gigabit (PRU_ICSSG) utilizzabili per fornire fino a sei porte Industrial Ethernet, compresi TSN, PROFINET, EtherCAT e altri protocolli oppure per la connettività Gigabit Ethernet standard (Figura 2).

Figura 2: I processori AM652x Sitara includono sei porte che possono essere utilizzate per TSN e altri protocolli Industrial Ethernet. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La famiglia di MCU AM652x include l'avvio sicuro e l'accelerazione crittografica, oltre a firewall granulari gestiti dal sottosistema di gestione e controllo della sicurezza del dispositivo (DMSC). Inoltre, il sottosistema MCU con doppio Cortex-R5F è disponibile per l'uso generico come due core singoli, oppure i core possono essere utilizzati in lock-step per applicazioni di sicurezza funzionale.

MCU con stack CC-Link IE TSN

Gli MCU crossover i.MX RT1170 di NXP, come MIMXRT1176DVMAA, hanno un'architettura dual-core con un core Cortex-M7 ad alte prestazioni (fino a 1 GHz) e un core Cortex-M4 a basso consumo (fino a 400 MHz). L'architettura dual-core consente l'esecuzione di applicazioni in parallelo e supporta l'ottimizzazione del consumo energetico grazie allo spegnimento dei singoli core quando necessario. Questi MCU offrono uno stack di comunicazione CC-Link IE TSN completo e sono ottimizzati per supportare le operazioni in tempo reale e fornire un tempo di risposta agli interrupt di 12 ns.

Figura 3: Gli MCU i.MX RT1170 di NXP includono un blocco funzionale TSN dedicato (nell'ovale nero). (Immagine per gentile concessione di NXP)

Per accelerare lo sviluppo di applicazioni di apprendimento automatico (ML), controllo motori in tempo reale, interfacce uomo-macchina (HMI) avanzate come il riconoscimento facciale e altre applicazioni per Impresa 4.0, NXP offre il kit di valutazione MIMXRT1170-EVK (Figura 4). Questo kit si basa su una scheda a circuiti stampati (PCB) a 6 strati a foro passante per migliorare le prestazioni di compatibilità elettromagnetica (EMC) e include due porte Ethernet per lo sviluppo della connettività TSN.

Figura 4: Kit di valutazione MIMXRT1170-EVK di NXP. (Immagine per gentile concessione di NXP)

MCU e starter kit per TSN

La famiglia di MCU RZ/N2L, come R9A07G084M04GBG#AC0 di Renesas, è progettata per semplificare l'implementazione di Industrial Ethernet e di TSN nelle applicazioni per Impresa 4.0. Consentono comunicazioni deterministiche attraverso uno switch Gigabit Ethernet a 3 porte che supporta TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP e OPC UA. Renesas offre anche lo starter kit+ RTK9RZN2L0S00000BE per MCU RZ/N2L. Questo starter kit comprende ampie funzioni periferiche adatte alle applicazioni industriali e supporta la valutazione di Industrial Ethernet e TSN (Figura 7). Il kit comprende tutto l'hardware e il software necessari:

• Hardware
  • Scheda CPU con MCU RZ/N2L ed emulatore su scheda
  • Cavo di alimentazione USB (Type-C a Type-C)
  • Cavo USB di collegamento all'emulatore su scheda (Type-A a Type-Micro B)
  • Cavo USB per debug del terminale PC (Type-A a Type-Mini B)
• Software
  • L'ambiente di sviluppo, il codice di esempio e le note applicative sono disponibili sul web e comprendono anche un pacchetto di supporto software con driver per periferiche e numerosi esempi applicativi per una rapida valutazione e prototipazione.

Figura 5: Lo starter kit+ RTK9RZN2L0S00000BE comprende l'hardware e il software necessari, oltre a esempi applicativi, per supportare lo sviluppo di reti deterministiche. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Conclusione

TSN è stato aggiunto agli standard Ethernet IEEE 802.1 per supportare lo sviluppo di comunicazioni deterministiche. TSN definisce le funzioni di comunicazione di livello 2 ed è compatibile con protocolli di livello superiore come EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP e altri. Presto sarà incorporato in una norma internazionale, il profilo IEC/IEEE 60802 TSN per l'automazione industriale. I fornitori hanno già iniziato a integrare TSN negli MCU e nelle relative piattaforme di sviluppo, per aiutare i progettisti a integrare rapidamente le comunicazioni deterministiche nella prossima generazione di dispositivi per Impresa 4.0.