Обеспечение проектирования промышленных сетей с помощью чувствительных ко времени сетей

OT (операционная технология) и ИТ (информационная технология) могут иметь разные потребности в реальном времени, но они объединены в TSN (чувствительный ко времени сети) стандарты на основе Ethernet. Узнайте о теории и оборудовании, используемом для реализации TSN при проектировании промышленных сетей.

У устройств на заводе могут быть очень разные потребности и потенциально противоречивые цели при обмене данными по сети. Трафик операционных технологий (OT), такой как данные управления машиной и показания датчиков, обычно требует фиксированных временных задержек, малой задержки и предсказуемого джиттера. С другой стороны, трафик информационных технологий (ИТ) - это такие данные, как трафик электронной почты.

В сфере ИТ коммуникация, как правило, требует максимальных усилий, и точное время отклика не имеет первостепенного значения. Вместо этого обычно имеет значение общая пропускная способность. Для OT отсутствие данных в определенное время может привести к сбоям, и поэтому пакеты должны достигать места назначения в рамках определенных ограничений в реальном времени.

Сегодня существует множество различных промышленных протоколов, используемых для решения этой проблемы. Тем не менее, чувствительная ко времени сеть (TSN) была построена на основе стандарта Ethernet и направлена ​​на создание единого стандарта для связи в реальном времени через Ethernet. Это достигается за счет объединения трафика OT и IT в одном сетевом кабеле и добавления детерминизма в Ethernet. Цель состоит в том, чтобы уменьшить задержки в сети и уменьшить задержку между конечными точками, чтобы гарантировать, что определенные пакеты достигают места назначения вовремя.

В этой статье обсуждается TSN, три основных стандарта TSN и их типичные сценарии использования. Также исследуются три устройства NXP (Layerscape LS1028A, кроссовер MCU i.MX RT1170 и новый i.MX 8M Plus), которые позволяют инженерам по встроенным системам разрабатывать современные подключенные системы реального времени для промышленных приложений.

Что такое TSN?

TSN - это не отдельный стандарт, а скорее семейство стандартов, определенных IEEE. Стандарты TSN составляют основу архитектуры TSN:

Рисунок 1. Архитектура TSN состоит из трех уровней. Стандарты IEEE составляют основу. Профили TSN располагаются поверх фундамента, а протоколы используют профили

Профили TSN лежат в основе стандартов TSN, образуя следующий уровень архитектуры. Эти профили конкретно определяют, как параметризовать определенные функции TSN, определенные в стандартах. Например, такой профиль может содержать параметры, описывающие, какая точность в тактах часов требуется в приложении.

Относительно зрелым профилем TSN является IEC60802, который определяет параметры для промышленных приложений. Однако многие другие профили TSN, такие как автомобильные и медицинские приложения, в настоящее время находятся в разработке. Следовательно, второй уровень архитектуры конфигурирует и определяет функции, определенные в стандартах TSN, с учетом конкретной отрасли или приложения. Наконец, верхний уровень содержит сами протоколы.

Основные стандарты TSN

Стандарт 802.1AS для хронирования и синхронизации составляет основу TSN. IEEE 802.1AS основан на протоколе точного времени (PTP), позволяя нескольким устройствам в сети синхронизировать свои внутренние часы, тем самым обеспечивая более продвинутые функции, такие как планирование с учетом времени.

Стандарт 802.1Qbv позволяет устройствам с поддержкой TSN объединять трафик OT и IT и передавать их по одному кабелю Ethernet. Кроме того, этот субстандарт включает формирователь с учетом времени, позволяющий создавать расписание, в котором указывается, когда определенные пакеты могут выходить по сети. Устройства в сети соглашаются придерживаться этого расписания и резервируют временные интервалы для определенных пакетов. Эти меры приводят к минимальному и предсказуемому дрожанию и задержке при отправке сообщений с приоритетом между двумя конечными узлами:

Обратите внимание, что 802.1AS гарантирует, что все устройства в сети используют синхронизированную временную базу. Следовательно, все они знают, когда какой тип трафика отправлять по сетевым кабелям.

802.1CB - еще один важный стандарт TSN. Этот субстандарт позволяет разработчикам систем создавать избыточные коммуникационные потоки по сети для повышения отказоустойчивости. Если эта функция включена, сетевые коммутаторы с поддержкой 802.1CB будут автоматически дублировать указанные пакеты при необходимости. Кроме того, когда коммутатор с поддержкой TSN впервые получает уникальное сообщение, он автоматически отбрасывает все избыточные копии позже. Передача этих задач оборудованию с поддержкой TSN устраняет необходимость в сложном программном обеспечении и снижает нагрузку на основной ЦП.

Наконец, 802.Qbu для вытеснения кадров является одним из важнейших стандартов промышленной автоматизации. По своей природе промышленные сети уделяют особое внимание определенному подходу в реальном времени, который требует соблюдения очень строгого времени цикла. Вытеснение помогает сохранить такую ​​синхронизацию, позволяя разделить кадр на несколько фрагментов, которые будут отправляться последовательно, если только не появится экспресс-кадр.

Все стандартные кадры могут быть прерваны и фрагментированы в нескольких сообщениях, если передача каждого из сообщений может завершиться в течение настраиваемого периода времени, называемого защитной полосой (802.Qbr). Такие системы, используемые в сочетании с приоритетом, предотвращают увеличение времени цикла из-за слишком длинных или ациклических сообщений.

Основы чувствительных ко времени сетей предоставляет более подробную информацию о TSN и некоторых обсуждаемых здесь стандартах.

Включение чувствительной ко времени организации сети с устройствами NXP

Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 и i.MX 8M Plus в разной степени поддерживают функции TSN. В следующей таблице приведены стандарты TSN и их реализуют устройства NXP:

Оборудование с поддержкой TSN - это первый шаг в создании надежной сети Ethernet с поддержкой TSN. NXP предлагает обширную поддержку программного обеспечения для своих продуктов и библиотеку SDK и примеров программного обеспечения, демонстрирующих различные функции.

Layerscape LS1028A обычно работает под управлением ОС реального времени, такой как Open Industrial Linux (OpenIL), или другой высокоуровневой операционной системы. I.MX 8M Plus также скоро получит поддержку OpenIL. NXP также предоставляет поддержку с открытым исходным кодом для TSN, а также инструменты для его настройки. Для OpenIL NXP предлагает поддержку драйверов с открытым исходным кодом для PTP. Эти драйверы позволяют пользователям управлять аппаратными часами PTP и метками времени. Помимо программного обеспечения NXP, инженеры также могут выбирать из ряда готовых коммерческих пакетов программного обеспечения.

Современные устройства с поддержкой TSN

Портфель продуктов NXP предлагает несколько устройств, обеспечивающих аппаратную поддержку чувствительных ко времени сетей в промышленных условиях. Некоторыми примерами являются Layerscape LS1028A, кроссовер MCU i.MX RT1170 и i.MX 8M Plus. Эти устройства позволяют инженерам по встроенным системам разрабатывать промышленное оборудование будущего, сочетая высокую вычислительную мощность с обширным набором периферийных устройств, функций безопасности и сопроцессоров, способных решать сложные задачи.

LS1028A - это хорошо зарекомендовавший себя процессор приложений, основанный на двух процессорных ядрах Cortex A72. Он в первую очередь предназначен для автомобильного и промышленного рынков и поставляется со встроенным сетевым коммутатором, который поддерживает различные функции TSN через четыре порта Ethernet. LS1028A также предлагает богатый набор периферийных устройств (таких как интерфейс CAN-FD), различные сопроцессоры на кристалле, выделенный графический процессор и ЖК-контроллер, а также многочисленные функции безопасности. Целевые области применения включают сетевое оборудование, промышленные HID-устройства и робототехнику.

Рисунок 2. Блок-схема LS1028A. Источник изображения:веб-сайт продукта NXP

Семейство микроконтроллеров i.MX RT1170 использует два ядра обработки. Ядро ARM® Cortex®-M7 с тактовой частотой до 1 ГГц и второй выделенный процессор Cortex®-M4 с тактовой частотой до 400 МГц делают эти устройства одними из самых быстрых микроконтроллеров, доступных сегодня на рынке. Его производительность и богатый набор периферийных устройств и функций делают семейство микроконтроллеров i.MX RT1170 идеальным выбором для широкого спектра приложений. Устройства поддерживают до двух мегабайт SRAM и до трех интерфейсов Ethernet.

Кроссовер MCU i.MX RT1170 также предлагает набор современных функций безопасности и криптографии. Для приложений HMI устройства включают в себя специальный 2D-графический процессор и 2D-ускоритель и интерфейсы дисплея. I.MX RT1170 оптимизирован для приложений с низким энергопотреблением и малой утечкой, что позволяет создавать эффективные, быстрые, компактные и экономичные конструкции.

Рисунок 3. Блок-схема i.MX RT1170. Источник изображения:веб-сайт продукта NXP

Семейство i.MX 8M включает в себя различные процессоры приложений, которые ориентированы на определенные рынки для удовлетворения потребностей конкретного приложения. I.MX 8M Plus - последняя модель в семействе и включает в себя специализированное оборудование для приложений машинного зрения, блок NPU с 2.3 TOPS для более быстрого вывода ИИ, улучшенный LVDS, сеть CAN в реальном времени с поддержкой TSN и 2D / 3D. графический ускоритель.

Кроме того, i.MX 8M Plus в настоящее время является единственным устройством из семейства i.MX 8M, которое предлагает несколько интерфейсов CAN-FD. Он также обладает функциями обеспечения надежности, такими как встроенный ECC для высоконадежных промышленных приложений.

Рисунок 4. Блок-схема i.MX 8M Plus. Источник изображения:веб-сайт продукта NXP

Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 и i.MX 8M Plus являются частью 15-летней программы долговечности NXP, которая гарантирует, что компоненты будут доступны для продажи в течение как минимум 15 лет с момента запуска продукта, что особенно важно полезно для дизайнеров, которым необходимо пройти длительные этапы подготовки к работе или сертификации.

Пример базового решения TSN

В этом примере каждый компонент взаимодействует друг с другом, используя различные стандарты TSN, описанные выше, чтобы поддерживать высокий уровень синхронизации и гарантированную задержку независимо от трафика, проходящего в сети.

I.MX 8M Plus используется для распознавания изображений и использует преимущества своего интернет-провайдера и встроенного блока нейронной обработки (NPU) для оптимизации работы и поддерживает операции производственной линии в реальном времени.

I.MX RT1170 используется для направления манипулятора робота для отбора продуктов с виртуальной конвейерной ленты в соответствии с анализом, проводимым i.MX8M Plus.

Между тем Layerscape LS1028 управляет сетью TSN и ретранслирует кадры между двумя другими устройствами, а также с другими потенциальными узлами. TSN используется для обеспечения надежной доставки данных с i.MX 8M Plus на i.MX RT1170.

В этом примере также подключен портативный компьютер, чтобы имитировать максимально возможный трафик, который может существовать в любой полевой реализации

Перейдите по ссылке ниже, чтобы узнать больше об этой демонстрации:

Машинное обучение и TSN с i.MX 8M Plus от NXP

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.