Időérzékeny hálózatok kialakítása a determinisztikus kommunikáció biztosítása érdekében

A determinisztikus kommunikáció sok felhasználási területen létfontosságú, például a robotika önálló robotokkal foglalkozó területein és az Ipar 4.0 más rendszereiben, az 5G kommunikációban, a gépjárműiparban használt fejlett vezetéssegítő rendszerekben (ADAS, advanced driver assistance system) és a valós idejű adatáramoltatási szolgáltatásokban. Az időérzékeny hálózatra (TSN, time sensitive networking) vonatkozó IEEE 802 Ethernet-szabványok kibővültek a determinisztikus kommunikáció támogatásával. A megfelelően kialakított időérzékeny hálózat használható nem időérzékeny hálózatokhoz készült eszközökkel is, de determinisztikus kommunikáció csak az időérzékeny hálózattal kompatibilis eszközök között lehetséges. Az időérzékeny hálózat megvalósítása során számos IEEE 802 szabványt kell összehangolni, és biztosítani kell, hogy a kialakított rendszer lehetővé tegye a determinisztikus kommunikációt és az együttműködést is, ami miatt nulláról kiindulva bonyolult és időigényes időérzékeny hálózatot kialakítani a hálózati berendezésekben.

Ehelyett a hálózati berendezések tervezői használhatnak beépített időérzékeny hálózati (TSN-) funkciókkal ellátott mikroprocesszorokat (MPU), hogy felgyorsítsák a piacra jutási időt, és csökkentsék a fejlesztéssel járó kockázatokat. Ez a cikk áttekinti az időérzékeny hálózat működésének és megvalósításának alapjait, bemutat néhányat az időérzékeny hálózatok kialakítására vonatkozó számos IEEE 802.1 szabvány közül, megvizsgálja, hogyan kapcsolódik az IEC/IEEE 60802 szabvány az időérzékeny hálózatokhoz, és összehasonlítja az időérzékeny hálózatot más protokollokkal, például az EtherCAT, a ProfiNet és az EtherNet/IP protokollal. Ezt követően bemutatja a Texas Instruments, az NXP és a Renesas időérzékeny hálózati funkciók létrehozására alkalmas mikroprocesszorait, valamint a determinisztikus hálózatkezelésnek az Ipar 4.0-s eszközökbe való beépítését támogató fejlesztőplatformokat.

Az időérzékeny hálózat kifejlesztése előtt a valós idejű hálózatkezelés csak speciális ipari helyi síneken volt elérhető. A helyi síneket gyakran „ipari Ethernet” néven emlegetik. Az időérzékeny hálózatra vonatkozó 802.1 TSN szabványok meghatározzák a 2. rétegbeli funkciókat és a helyi hálózati (LAN) szintű kapcsolásokat, valamint bevezetik az idő és a szinkronizáció fogalmát. Az időérzékeny hálózat (TSN) nem helyettesíti a 2. réteg feletti szinteken lévő protokollokat, és nem határozza meg sem a szoftveres illesztőfelületet, sem a hardver-összeállításokat és -funkciókat, így kompatibilis a különböző alkalmazásprogramozási felületekkel (API) (1. ábra).

1. ábra: Az időérzékeny hálózati szabványok 2. rétegbeli funkciókat határoznak meg, és együtt létezhetnek a különböző API-kkal (kép: Texas Instruments)

Az időérzékeny hálózathoz való meglévő forgalomalakító algoritmusok lehetővé teszik a valós idejű forgalom és a szokványos lehető legjobb forgalom együttes használatát a szabványos Ethernet-hálózatokon belül. Az időkritikus kommunikáció esetében garantálható a determinizmus és a kis késleltetés. Ez ipari és gépjárműipari környezetben elősegítheti a biztonsággal kapcsolatos rendszerek kiépítését. Az időérzékeny hálózatra vonatkozó IEEE 802.1 TSN alszabványok néhány kulcsfontosságú változata (1. táblázat):

• IEEE 802.1 AS – időzítés és szinkronizálás
• IEEE 802.1Qbv – időérzékeny forgalomalakító
• IEEE 802.3Qbr – beszúrt expresszforgalom
• IEEE 802.1Qbu – előzetes keretlefoglalás
• IEEE 802.1Qca – útvonalvezérlés és -foglalás
• IEEE 802.1CB – redundancia (adattöblet)
• IEEE 802.1 Qcc – az adatáramoltatási folyamat foglalásának fejlesztései és javításai
• IEEE 802.1 Qch – ciklikus sorba állítás és továbbítás
• IEEE 802.1Qci – adatáramoltatási folyamatonkénti szűrés és rendszabályozás
• IEEE 802.1CM – időérzékeny hálózat felhasználóoldali kapcsolatokhoz (fronthaul)

1. táblázat: Az időérzékeny hálózat számos alszabványra támaszkodik, hogy modulrendszerű felépítésben tegye lehetővé a determinisztikus teljesítményt, a redundanciát és egyéb funkciókat (kép: Texas Instruments)

Az időérzékeny hálózatokkal foglalkozó IEEE TSN szabvány négy alszabványkategóriára osztható, amelyek az időérzékeny hálózat működésének biztosításához szükségesek. Az időszinkronizálás az órák hálózaton belüli szinkronizálásának alapköve. A 802.1AS, más néven 802.1ASrev a szinkronizációval kapcsolatos elsődleges alszabvány.

Az alszabványok másik csoportja a korlátozott kis késleltetéshez kapcsolódik. A korlátozott kis késleltetés támogatása a determinizmus elérésének szükséges feltétele az adatátvitel során, és hat alszabvánnyal van meghatározva: 802.1Qat (kreditalapú forgalomalakító), 802.3Qbr (beszúrt expresszforgalom), 802.1Qbu (előzetes keretlefoglalás), 802.1Qbv (időérzékeny forgalomalakító (TAS, time aware shaper)), 802.1Qav (ciklikus sorba állítás és továbbítás) és 802.1Qcr (aszinkron forgalomalakítás).

A hibák kezeléséhez, valamint a redundancia és a kapcsolódó funkciók biztosításához rendkívül nagy megbízhatóságra van szükség. A kapcsolódó alszabványok közé tartoznak a következők: 802.1Qca (útvonalvezérlés és -foglalás), 802.1qci (adatáramoltatási folyamatonkénti szűrés és rendszabályozás), valamint a 802.1AS és 802.1AVB szabvány egyes részei (az időszinkronizálás megbízhatóságára vonatkozó részek az időérzékeny hálózat és az IEEE hangátviteli szabvány időzítési és szinkronizációs részeiből).

Van egy csoport általános alszabvány, amely a kijelölt erőforrásokhoz, API-khoz és egyéb szükséges „haszontalan, de elkerülhetetlen” funkciókhoz kapcsolódik, beleértve a magasabb szintű tervezést és beállítást, valamint a heterogén hálózatokban való együttműködést. Példák ezekre az általános alszabványokra: 802.1Qat (az adatáramoltatási folyamat foglalási protokollja), P802.1Acc (az időérzékeny hálózat összeállítása), kompatibilitás a YANG (Yet Another Next Generation) adatmodellezési nyelvvel és 802.1Qdd (erőforrás-kiosztási protokoll).

Az időérzékeny hálózat moduláris felépítése lehetővé teszi, hogy optimalizálni lehessen az egyes felhasználási területekhez és felhasználási módokhoz. Nem minden funkcióra van szükség minden alkalommal. Például a 802.1AS, az időzítés és a szinkronizálás különösen fontos az időérzékeny hálózat valamennyi gyárautomatizálási felhasználási módjában, míg a redundanciára (adattöbbletre) csak az automatizálási felhasználási módok egy részénél lehet szükség.

Hogyan kapcsolódik az IEC/IEEE 60802 szabvány az időérzékeny hálózatokhoz?

Az IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN Profile for Industrial Automation (IEC/IEEE 60802, 1.4. tervezet, időérzékeny hálózati profil ipari automatizáláshoz) e cikk megírásának időpontjában véleményezésre vár, és várhatóan valamikor 2023-ban hagyják jóvá. Ez az IEC SC65C/WG18 és az IEEE 802 projekt az ipari automatizáláshoz határoz meg időérzékeny hálózati profilokat. Ez a közös tervezet tartalmazza az összeköttetések, végkészülékek és LAN hálózatok ipari automatizálási hálózatok kiépítéséhez szükséges profiljainak kiválasztott jellemzőit, választási lehetőségeit, összeállításait, alapértelmezett beállításait, protokolljait és technológiáit. A 60802 szabvány az időérzékeny hálózatra vonatkozó meglévő IEEE 802 TSN szabványokhoz hasonlóan rugalmas és moduláris felépítésű lesz, és számos hálózatkialakítási lehetőségre vonatkozik.

Az IEC/IEEE 60802 túlmutat az IEEE 802 szabványokon, és annak felismerése után lett kidolgozva, hogy az ipari automatizáláshoz használt, együttműködésre képes, összekapcsolt időérzékeny hálózatok felhasználóinak és gyártóinak iránymutatásokra van szükségük az időérzékeny hálózatokhoz kapcsolódó szabványok és funkciók kiválasztásához és használatához annak érdekében, hogy hatékonyan építhessenek ki olyan konvergens hálózatokat, amelyek egyszerre támogatják az üzemeltetési technológiai és egyéb forgalmat. Az IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation (IEC/IEEE 60802 időérzékeny hálózati profil ipari automatizáláshoz) szabvány megjelenése – legalábbis kezdetben – okozhat majd némi zavart, mivel a különböző helyi síneket „ipari Ethernet” néven emlegetik.

Az időérzékeny hálózatok és a helyi sínek

Az időérzékeny hálózatok és a helyi sínek használata nem vagy-vagy alapon működik. A kettő kompatibilis egymással, gyakran együtt használják őket, és mindkettő használ az időszinkronizációval kapcsolatos fogalmakat. Az olyan helyi sínek, mint a PROFINET, az EtherNet/IP és az EtherCAT azonban különböző módon valósítják meg a szinkronizálást. A PROFINET a pontos idővezérléses protokollt (PTCP, precision time control protocol) használja. Az EtherCAT elosztott órákat használ, amelyek kijelölt és társított regisztereket használnak a szinkronizáláshoz.

A PROFINET és az EtherNet/IP az IEEE Ethernet tanulási hidat tartalmazza mint mögöttes kapcsolási technikát. Ennek eredményeképpen ezek a protokollok mostantól az időérzékeny forgalomalakító (TAS) és az előzetes keretlefoglalás kiterjesztést a szabványos időérzékeny hálózati hardver használatához igazíthatják. Az EtherNet/IP protokoll UDP-csomagokat használ az adatcseréhez, és kompatibilis az időérzékeny hálózat kapcsolási rétegével. A PROFINET használ egy a programozható valós idejű ipari kommunikációs alrendszerek (PRU-ICSS, programmable real-time unit industrial communications subsystem) időérzékeny hálózati megoldása által támogatott adatokhoz tartozó közvetlen 2. rétegbeli puffermodellt.

Az időérzékeny hálózatot úgy tervezték, hogy legalább olyan rövid ciklusidőket támogasson, mint az EtherCAT és a PROFINET, valamint más ipari Ethernet-protokollok. A gigabites Ethernetre történő frissítéskor az időérzékeny hálózat teljesítménye várhatóan felülmúlja a többi protokollét. A determinisztikus forgalom támogatása az EtherCAT protokollban az adatcsomagok adott típusaira korlátozódik. Az EtherCAT és az időérzékeny hálózat együttes használata növelheti a rugalmasságot. Az időérzékeny hálózat például több törzsgépes („többmesteres”) képességekkel egészíti ki a szinkronizálást. Mindhárom protokoll más-más módon biztosítja a redundanciát (adattöbbletet). Az időérzékeny hálózat olyan technikákat használ, mint a PRP (párhuzamos redundancia protokoll) és a HSR (nagy rendelkezésre állási fokú, zökkenőmentes redundancia) protokoll, ahogyan azt az IEC 62439-3 szabvány a veszteségmentes redundancia megvalósítása érdekében meghatározza (2. táblázat).

2. táblázat: Az EtherCAT, a PROFINET és az időérzékeny hálózat (TSN) hasonló jellemzőkkel rendelkezik, de különböző módon valósítja meg azokat (kép: Texas Instruments)

Az időérzékeny hálózat nem tartalmaz alkalmazási réteget, és nem utasítja el a helyi síneket a használat szintjén. Például ha a gépeket kapcsolókkal kapcsolják össze, miközben a gépek szintjén továbbra is EtherCAT protokollt használnak, olyan ipari Ethernet-hálózatot lehet létrehozni, amely időérzékeny hálózati funkciókat is tartalmaz. Az összekapcsolt időérzékeny hálózat és EtherCAT hálózat nem keveri a technikákat, hanem olyan zökkenőmentes összeépülést hoz létre, amely használja mindkét technikát, és mindkettőnek a legjobb teljesítményét éri el.

Mikrovezérlő akár 6 időérzékeny hálózati (TSN) porttal

Az Ipar 4.0-s beágyazott eszközök azon tervezői, akiknek időérzékeny hálózati kapcsolatra van szükségük, használhatják a Texas Instruments AM652x Sitara processzorait, például az AM6528BACDXEA jelűt. Ezek a mikrovezérlők két ARM Cortex-A53 magot kombinálnak két Cortex-R5F mikrovezérlővel, valamint három programozható valós idejű egységgel és ipari kommunikációs alrendszeri gigabites (PRU_ICSSG) alrendszerrel. Ez az összeállítás akár hat ipari Ethernet-portot is képes kínálni, beleértve az időérzékeny hálózati TSN, PROFINET, EtherCAT és más protokollokat, vagy használhatók szabványos gigabites Ethernet-kapcsolathoz (2. ábra).

2. ábra: Az AM652x Sitara processzorok hat portot tartalmaznak, amelyek az időérzékeny hálózati (TSN) és más ipari Ethernet-protokollokhoz használhatók (kép: Texas Instruments)

Az AM652x mikrovezérlő-család az eszközkezelő és biztonságszabályozó DMSC (Device Management and Security Control) alrendszer által kezelt, részletesen beállítható tűzfalak mellett biztonságos rendszerindítást és titkosításgyorsítást is tartalmaz. A két Cortex-R5F mikrovezérlő alrendszer emellett általános célokra két különálló magként is használható, illetve a magok üzembiztonsági funkciók megvalósítására használhatók együttesen is.

Mikrovezérlő CC-Link IE időérzékeny hálózati csomaggal

Az NXP i.MX RT1170 hibrid mikrovezérlők, mint például az MIMXRT1176DVMAA, kétmagos felépítésűek, egy nagy teljesítményű Cortex-M7 magot (órajel max. 1 GHz) és egy energiatakarékos Cortex-M4 magot (órajel max. 400 MHz) tartalmaznak. Ez a kétmagos architektúra lehetővé teszi az alkalmazások párhuzamos futtatását, és az egyes magok szükség szerinti kikapcsolásával segíti a fogyasztás optimalizálását. Ezek a mikrovezérlők teljes CC-Link IE időérzékeny hálózati kommunikációs csomagot kínálnak, és a valós idejű műveletek támogatására vannak optimalizálva, valamint 12 ns a megszakítási válaszidejük.

3. ábra: Az NXP i.MX RT1170 mikrovezérlők tartalmaznak egy külön időérzékeny hálózati (TSN) funkcionális blokkot (lásd: a fekete oválison belül) (kép: NXP)

A gépi tanulási (ML) alkalmazások, a valós idejű villanymotor-vezérlés, a fejlett ember-gép kommunikációs felületek (HMI), például az arcfelismerés és más Ipar 4.0-s alkalmazások fejlesztésének felgyorsításához az NXP az MIMXRT1170-EVK fejlesztőkészletet kínálja (4. ábra). Ez a fejlesztőkészlet egy 6 rétegű nyomtatott áramköri lapra (nyák) épül, amely a jobb elektromágneses összeférhetőségi (EMC) teljesítmény érdekében furatszerelt kivitelű, és két Ethernet-portot tartalmaz az időérzékeny hálózati (TSN) kapcsolatok fejlesztéséhez.

4. ábra: Az NXP MIMXRT1170-EVK fejlesztőkészlet (kép: NXP)

Mikrovezérlő és indulókészlet időérzékeny hálózat fejlesztéséhez

A Renesas RZ/N2L mikrovezérlő termékcsaládja, köztük például az R9A07G084M04GBG#AC0, az Ipar 4.0-s felhasználási területekre szánt ipari Ethernet és időérzékeny hálózatok megvalósításának egyszerűsítésére szolgál. Egy 3 portos, az időérzékeny hálózati (TSN), EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP és OPC UA protokollt támogató gigabites Ethernet-kapcsolón keresztül determinisztikus kommunikációt tesznek lehetővé. A Renesas az RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ indulókészletet is kínálja az RZ/N2L mikrovezérlőkhöz. Ez az indulókészlet az ipari felhasználási területeken használható kiterjedt perifériás funkciókat tartalmaz, és lehetőséget ad az ipari Ethernet és az időérzékeny hálózat kiértékelésére (7. ábra). A készlet tartalmazza az összes szükséges hardvert és szoftvert:

• Hardver
  • Vezérlőkártya RZ/N2L mikrovezérlővel és a kártyára szerelt emulátorral
  • USB-tápkábel (USB-C – USB-C kialakítású)
  • USB-kábel a kártyára szerelt emulátor csatlakoztatásához (USB-A – mikro USB-B kialakítású)
  • USB-kábel a számítógép-terminál hibakereséséhez (USB-A – mini USB-B kialakítású)
• Szoftver
  • A fejlesztőkörnyezet, a mintakód és a felhasználásismertető dokumentumok elérhetők az interneten. Ugyaninnen letölthető egy szoftvertámogató csomag is perifériaillesztő programokkal és számos gyakorlati példával a gyors kiértékeléshez és prototípusok gyors elkészítéséhez.

5. ábra: Az RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ indulókészlet tartalmazza a szükséges hardvereket és szoftvereket, valamint gyakorlati példákat is a determinisztikus hálózatfejlesztés támogatásához (kép: Renesas)

Összegzés

Az időérzékeny hálózatot (TSN) az IEEE 802.1 Ethernet-szabványokhoz adták hozzá, hogy támogassák a determinisztikus kommunikáció fejlesztését. Az időérzékeny hálózat 2. rétegbeli kommunikációs funkciókat határoz meg, és kompatibilis a magasabb szintű protokollokkal, például az EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP és több más protokollal. Hamarosan egy nemzetközi szabványban, az IEC/IEEE 60802, TSN Profile for Industrial Automation (Időérzékeny hálózatkezelési profil ipari automatizáláshoz) szabványban is megjelenik. A beszállítók már megkezdték az időérzékeny hálózat beépítését a mikrovezérlőkbe és a kapcsolódó fejlesztőplatformokba, hogy segítsenek a tervezőknek a determinisztikus kommunikációnak az Ipar 4.0-s eszközök következő generációjába való gyors beillesztésében.