Aikakriittisen verkon käyttö deterministisen tiedonsiirron varmistamiseksi

Deterministinen tiedonsiirto on hyvin tärkeää monissa sovelluksissa, joihin kuuluvat esimerkiksi autonomiset robotit ja muut Teollisuus 4.0 ‑järjestelmät, 5G-tiedonsiirto, ajoneuvojen ADAS (Advanced Driver Assistance System) ‑avustinjärjestelmät ja reaaliaikaiset tietovirtapalvelut. IEEE 802 Ethernet TSN (Time Sensitive Networking) ‑standardeja on laajennettu tukemaan determinististä tiedonsiirtoa. Oikein toteutettu TSN mahdollistaa yhteentoimivuuden ei-TSN-laitteiden kanssa, mutta deterministinen tiedonsiirto on käytettävissä vain TSN-protokollaa tukevien laitteiden välillä. TSN:n käyttöönotto vaatii useiden IEEE 802 ‑standardien koordinointia deterministisen tiedonsiirron ja yhteentoimivuuden varmistamiseksi, minkä vuoksi TSN:n suunnittelu verkkolaitteisiin alusta alkaen on monimutkaista ja vie paljon aikaa.

Sen sijaan verkkolaitteistojen suunnittelijat voivat hyödyntää sisäänrakennetuilla TSN-toiminnoilla varustettuja mikroprosessoriyksiköitä (MPU) tuotteiden saamiseksi nopeammin markkinoille ja kehitysriskien vähentämiseksi. Tässä artikkelissa on yleiskatsaus TSN:n toiminnan ja käyttöönoton perusteisiin. Siinä esitellään joitain TSN:n käyttöönottoon liittyviä IEEE 802.1 ‑standardeja, IEC/IEEE 60802 ‑standardin yhtymäkohtia TSN:ään sekä TSN:n vertailua muihin protokolliin, kuten EtherCAT, ProfiNet ja EtherNet/IP. Sitten artikkelissa tutustutaan Texas Instrumentsin, NXP:n ja Renesasin TSN:ää tukeviin MPU:ihin ja kehitysalustoihin, jotka helpottavat deterministisen tiedonsiirron integrointia Teollisuus 4.0 ‑laitteisiin.

Ennen TSN:n kehittämistä reaaliaikainen tiedonsiirto oli mahdollista vain erityisillä teollisilla kenttäväylillä. Kenttäväyliä kutsutaan usein ”teolliseksi Ethernetiksi”. 802.1 TSN ‑standardeissa määritellään tason 2 toiminnot ja lähiverkon tason kytkentä, mihin lisätään ajan ja synkronoinnin konseptit. TSN ei korvaa tason 2 yläpuolisia protokollia, eikä siinä määritellä ohjelmistorajapintaa tai laitteistojen konfiguraatioita ja ominaisuuksia, mikä varmistaa sen yhteensopivuuden erinäisten ohjelmointirajapintojen (Application Programming Interface, API) kanssa (kuva 1).

Kuva 1: TSN-standardeissa määritellään tason 2 toiminnot, ja ne ovat yhteensopivia erilaisten API-rajapintojen kanssa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Olemassa olevat TSN-liikenteenmuotoilualgoritmit mahdollistavat reaaliaikaisen liikenteen ja tavallisen Best Effort ‑liikenteen rinnakkaiselon tavallisissa Ethernet-verkoissa. Determinismi ja matala latenssi voidaan taata aikakriittistä tiedonsiirtoa varten. Näin voidaan mahdollistaa turvallisuuteen liittyvien järjestelmien käyttöönotto teollisuus- ja autoteollisuusympäristöissä. Tärkeisiin IEEE 802.1 TSN ‑standardeihin kuuluvat muun muassa seuraavat (taulukko 1):

• IEEE 802.1AS – ajoitus ja synkronointi
• IEEE 802.1Qbv – aikatietoinen liikenteen muotoilu
• IEEE 802.3Qbr – pikaliikenteen sirottelu
• IEEE 802.1Qbu – kehyksen esivalinta
• IEEE 802.1Qca – polkujen ohjaus ja varaus
• IEEE 802.1CB – varmennus
• IEEE 802.1Qcc – tietovirtojen varauksen parannukset
• IEEE 802.1Qch – syklinen jonotus ja siirto
• IEEE 802.1Qci – tietovirtakohtainen suodatus ja valvonta
• IEEE 802.1CM – aikaherkkä verkko fronthaul-tietoliikenteelle

Taulukko 1: TSN hyödyntää lukuisia alempia standardeja deterministisen suorituskyvyn, varmennuksen ja muiden ominaisuuksien tarjoamiseksi modulaarisesti. (Kuva: Texas Instruments)

IEEE TSN voidaan jakaa neljään alempien standardien kategoriaan, joita TSN-toiminnallisuus vaatii. Aikasynkronointi toimii perustana verkon eri kellojen synkronoinnille. 802.1AS, joka tunnetaan myös nimellä 802.1ASrev, on synkronointiin liittyvä pääasiallinen alistandardi.

Toinen alistandardien ryhmä liittyy matalaan ja rajoitettuun latenssiin. Matalan ja rajoitetun latenssin tuki on tarpeen tiedonsiirron determinismin saavuttamiseksi, ja se määritellään viidellä alistandardilla: 802.1Qat (krediittipohjainen liikenteen muotoilu), 802.3Qbr (pikaliikenteen sirottelu), 802.1Qbu (kehyksen esivalinta), 802.1Qbv (aikatietoinen liikenteen muotoilu), 802.1Qav (syklinen jonotus ja siirto) ja 802.1Qcr (asynkroninen liikenteen muotoilu).

Vikojen ja virheiden korjaamista sekä varmennuksen ja liittyvien toimintojen tarjoamista varten vaaditaan huippukorkeaa luotettavuutta. Tähän liittyviä alistandardeja ovat muun muassa 802.1CB (kehysten monistaminen ja eliminointi), 802.1Qca (polkujen hallinta ja varaus), 802.1qci (tietovirtakohtainen suodatus ja valvonta) sekä osat standardeista 802.1AS ja 802.1AVB (aikasynkronoinnin luotettavuus TSN:n ajoitus- ja synkronointiosista ja IEEE-äänistandardista).

Yksi yleisten alistandardien ryhmä liittyy resurssien varaukseen, API-rajapintoihin ja muihin tarpeellisiin ominaisuuksiin, mukaan lukien korkeamman tason suunnittelu ja konfiguraatio sekä yhteentoimivuus heterogeenisissä verkoissa. Esimerkkejä näistä yleisistä alistandardeista ovat muun muassa 802.1Qat (tietovirran varausprotokolla), P802.1Acc (TSN-konfiguraatio), yhteensopivuus YANG (Yet Another Next Generation) ‑tietomallinnuskielen kanssa ja 802.1Qdd (resurssien varausprotokolla).

TSN:n modulaarinen rakenne mahdollistaa sen optimoinnin eri sovelluksiin ja käyttötapauksiin. Kaikkia ominaisuuksia ei aina tarvita. Esimerkiksi 802.1AS-standardin ajoitus ja synkronointi ovat erityisen tärkeitä kaikissa TSN-automaatiosovelluksissa tehtaissa, mutta varmennus saattaa olla tarpeen vain tietyissä automaatiosovelluksissa.

Kuinka IEC/IEEE 60802 liittyy TSN:ään?

Kirjoitushetkellä IEC/IEEE 60802:n luonnos 1.4, ”TSN Profile for Industrial Automation” on kommentoitavana, ja sen odotetaan saavan hyväksynnän vuoden 2023 aikana. Tämän IEC SC65C-/WG18- ja IEEE 802 ‑projektin myötä määritellään teollisen automaation TSN-profiilit. Tällä yhteistyöllä määritellään profiilin ominaisuudet, asetukset, konfiguraatiot, oletusasetukset ja protokollat sekä siltojen, pääteasemien ja lähiverkkojen menetelmät teollisten automaatioverkkojen rakentamiseksi. Olemassa olevien IEEE 802 TSN ‑standardien tavoin myös 60802 on joustava ja modulaarinen erilaisten verkkoskenaarioiden tarpeiden täyttämiseksi.

IEC/IEEE 60802 ylittää IEEE 802 ‑standardit, ja sitä kehitetään siltä pohjalta, että yhteentoimivien sillattujen aikaherkkien teollisten automaatioverkkojen käyttäjät ja valmistajat tarvitsevat ohjeita TSN:ään liittyvien standardien ja ominaisuuksien valintaan ja käyttöön, jotta he voivat hyödyntää tehokkaasti yhdistettyjä verkkoja, jotka tukevat sekä teollisen toiminnan vaatimaa liikennetekniikkaa että muuta liikennettä. IEC/IEEE 60802:n teollisen automaation TSN-profiilin julkaisu voi aiheuttaa hämmennystä varsinkin aluksi, koska erilaisia kenttäväyliä kutsutaan usein ”teolliseksi Ethernetiksi”.

TSN ja kenttäväylät

TSN:n ja kenttäväylien käyttö eivät sulje toisiaan pois. Ne ovat yhteensopivia, niitä käytetään usein yhdessä ja niissä kaikissa hyödynnetään aikasynkronointiin liittyviä konsepteja. Kenttäväylät, kuten PROFINET, EtherNet/IP ja EtherCAT, kuitenkin toteuttavat synkronoinnin eri tavoilla. PROFINET käyttää PTCP (Precision Time Control Protocol) ‑protokollaa. EtherCAT käyttää hajautettuja kelloja, joiden dedikoitujen rekistereiden avulla synkronointi toteutetaan.

PROFINET ja EtherNet/IP käyttävät kytkentäteknologiansa perustana oppivaa IEEE Ethernet ‑siltaa. Näin ollen näitä protokollia voidaan laajentaa aikatietoisella liikenteen muotoilulla ja kehyksen esivalinnalla TSN-vakiolaitteiston käyttämiseksi. EtherNet/IP käyttää tietojen vaihtoon UDP-paketteja, ja se on yhteensopiva TSN-kytkentäkerroksen kanssa. PROFINET tukee tiedonsiirtoa suoralla tason 2 puskurimallilla, jota tukee PRU-ICSS (Programmable Real-Time Unit Industrial Communications Subsystem) TSN ‑ratkaisu.

TSN on suunniteltu tukemaan vähintään yhtä alhaisia sykliaikoja kuin EtherCAT, PROFINET ja muut teolliset Ethernet-protokollat. Gigabitin Ethernetiin päivitettynä TSN:n odotetaan ylittävän muiden protokollien suorituskyvyn. EtherCATin tuki deterministiselle tiedonsiirrolle rajoittuu tietyntyyppisiin datapaketteihin. EtherCATin ja TSN:n yhteiskäyttö voi parantaa joustavuutta. TSN esimerkiksi lisää synkronointiin moni-isäntäominaisuudet. Kaikki kolme protokollaa toteuttavat varmennuksen eri tavoilla. TSN käyttää PRP (Parallel Redundancy Protocol)- ja HSR (High-Availability Seamless Redundancy) ‑protokollia IEC 62439-3:n määritelmien mukaisesti häviöttömän varmennuksen tarjoamiseksi (taulukko 2).

Taulukko 2: EtherCAT, PROFINET ja TSN tarjoavat samankaltaisia ominaisuuksia, mutta ne on toteutettu eri tavoilla. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

TSN ei sisällä sovelluskerrosta, eikä se tuota ristiriitoja kenttäväylien kanssa sovellustasolla. TSN-toiminnot tarjoava teollinen Ethernet-verkko voidaan luoda esimerkiksi yhdistämällä koneita toisiinsa kytkimillä samalla kun konetasolla käytetään EtherCAT-protokollaa. Integroitu TSN-EtherCAT-verkko ei sekoita näitä tekniikoita toisiinsa, vaan määrittelee saumattoman integraation kummankin parhaiden suorituskykyominaisuuksien hyödyntämiseksi.

Mikrokontrolleri jopa kuudella TSN-portilla

TSN-yhdistettävyyttä tarvitsevat sulautettujen Teollisuus 4.0 ‑laitteiden suunnittelijat voivat hyödyntää Texas Instrumentsin AM652x Sitara ‑prosessoreja, kuten AM6528BACDXEA. Näissä mikrokontrollereissa yhdistyvät kaksi Arm Cortex-A53 ‑ydintä, kaksi Cortex-R5F-prosessoria ja kolme ohjelmoitavaa reaaliaikaista gigabitin teollista tiedonsiirtoalijärjestelmää (PRU_ICSSG), joilla voidaan tarjota jopa kuusi teollista Ethernet-porttia käyttäen protokollia TSN, PROFINET, EtherCAT tai muita protokollia tai vakiomallista Ethernetiä (kuva 2).

Kuva 2: AM652x Sitara ‑prosessoreissa on kuusi porttia, joita voi käyttää TSN:n ja muiden teollisten Ethernet-protokollien kanssa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

AM652x-tuoteperheen mikrokontrollereissa on suojattu käynnistys, salaustoimintojen kiihdytys sekä laitteen DMSC (Device Management and Security Control) ‑alijärjestelmän hallitsemat hienojakoiset palomuurit. Lisäksi mikrokontrollerin kaksiytimistä Cortex-R5F-alijärjestelmää voi käyttää kahtena erillisenä yleiskäyttöisenä ytimenä tai synkronisoidussa tilassa toiminnallisen turvallisuuden sovelluksissa.

Mikrokontrolleri CC-Link IE TSN ‑pinolla

NXP:n i.MX RT1170 ‑sovellusprosessorit, kuten MIMXRT1176DVMAA, käyttävät kaksiydinarkkitehtuuria, jossa yhdistyvät korkean suorituskyvyn Cortex-M7-ydin (jopa 1 GHz) ja energiatehokas Cortex-M4-ydin (jopa 400 MHz). Tämä kaksiydinarkkitehtuuri helpottaa sovellusten suorittamista rinnakkain ja tukee virrankäytön optimointia kytkemällä yksittäisiä ytimiä pois päältä tarvittaessa. Nämä mikrokontrollerit tarjoavat täyden CC-Link IE TSN ‑pinon ja ne on optimoitu tukemaan reaaliaikaisia toimintoja ja ne tarjoavat keskeytyksille 12 ns:n vasteajat.

Kuva 3: NXP:n i.MX RT1170 ‑mikrokontrollereissa on dedikoitu TSN-toimilohko (merkitty mustalla soikiolla). (Kuvan lähde: NXP)

NXP tarjoaa koneoppimissovellusten (ML), moottorien reaaliaikaisten ohjaussovellusten, ihmisten ja koneiden välisten edistyneiden rajapintojen (HMI), kuten kasvojentunnistuksen, ja muiden Teollisuus 4.0 ‑sovellusten kehityksen nopeuttamiseksi MIMXRT1170-EVK-arviointisarjan (kuva 4). Tämä arviointisarja käyttää kuusikerroksista piirilevyä, jonka läpivientiaukkoja hyödyntävä rakenne parantaa sen EMC-ominaisuuksia. Siinä on kaksi Ethernet-porttia TSN-liitettävyyden kehittämiseksi.

Kuva 4: NXP:n MIMXRT1170-EVK-arviointisarja. (Kuvan lähde: NXP)

Mikrokontrolleri ja TSN-aloitussarja

Renesasin tarjoamat RZ/N2L-tuoteperheen mikrokontrollerit, kuten R9A07G084M04GBG#AC0, on suunniteltu yksinkertaistamaan teollisen Ethernetin ja TSN:n käyttöönottoa Teollisuus 4.0 ‑sovelluksissa. Ne mahdollistavat deterministisen tiedonsiirron kolmiporttisella gigabitin Ethernet-kytkimellä, joka tukee protokollia TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP ja OPC UA. Renesas tarjoaa myös RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ ‑sarjan RZ/N2L-tuoteperheen mikrokontrollereille. Tähän aloitussarjaan kuuluu laaja valikoima teollisiin sovelluksiin sopivia oheislaitetoimintoja, ja se helpottaa teollisen Ethernetin ja TSN:n arviointia (kuva 7). Sarja sisältää kaikki tarvittavat laitteet ja ohjelmistot:

• Laitteisto
  • CPU-kortti, jossa on RZ/N2L-tuoteperheen mikrokontrolleri ja emulaattori
  • USB-kaapeli virransyöttöön (Type C – Type C)
  • Emulaattoriyhteyden USB-kaapeli (Type A – Type Micro B)
  • PC-terminaaliohjelmaa varten USB-vianmäärityskaapeli (Type A – Type Mini B)
• Ohjelmisto
  • Kehitysympäristö, esimerkkikoodit ja sovellusohjeet ovat saatavilla verkosta. Tähän sisältyy myös ohjelmistotukipaketti, oheislaiteohjaimia ja useita sovellusesimerkkejä nopeaa arviointia ja prototyyppikehitystä varten.

Kuva 5: RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ sisältää tarvittavat laitteet, ohjelmistot ja sovellusesimerkit deterministisen tiedonsiirron kehittämiseen. (Kuvan lähde: Renesas)

Yhteenveto

TSN on lisätty IEEE 802.1 Ethernet ‑standardeihin deterministisen tiedonsiirron kehityksen tueksi. TSN määrittää tason 2 tiedonsiirtotoiminnot, ja se on yhteensopiva korkeamman tason protokollien kanssa, esimerkkeinä EtherCAT, PROFINET ja EtherNet/IP. Se otetaan pian käyttöön kansainväliseksi standardiksi IEC/IEEE 60802: ”TSN Profile for Industrial Automation”. Toimittajat ovat jo aloittaneet TSN:n integroinnin mikrokontrollereihin ja kehitysalustoihin, jotta suunnittelijat voivat integroida deterministisen tiedonsiirron nopeasti uuden sukupolven Teollisuus 4.0 ‑laitteisiin.