Ermöglichung des industriellen Netzwerkdesigns mit zeitkritischem Networking

OT (Operational Technology) und IT (Informationstechnologie) können unterschiedliche Echtzeitanforderungen haben, aber sie sind im TSN (zeitkritisch .) zusammengeführt Netzwerk) Ethernet-basierte Standards. Erfahren Sie mehr über die Theorie und Hardware bei der Implementierung von TSN im industriellen Netzwerkdesign.

Geräte in einer Fabrik können bei der Kommunikation über ein Netzwerk sehr unterschiedliche Anforderungen und möglicherweise widersprüchliche Ziele haben. Operational Technology (OT)-Datenverkehr, wie Maschinensteuerungsdaten und Sensorwertmessungen, erfordert in der Regel feste Zeitverzögerungen, geringe Latenz und vorhersehbaren Jitter. Informationstechnischer (IT)-Verkehr hingegen sind Daten wie der E-Mail-Verkehr.

Im IT-Bereich erfolgt die Kommunikation normalerweise nach bestem Wissen und Gewissen, und genaue Reaktionszeiten sind nicht von größter Bedeutung. Stattdessen kommt es normalerweise auf den Gesamtdurchsatz an. Bei OT können fehlende Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt zu Fehlern führen, und daher müssen die Pakete ihr Ziel innerhalb bestimmter Echtzeitbeschränkungen erreichen.

Heutzutage werden zahlreiche verschiedene Industrieprotokolle verwendet, um dieses Problem anzugehen. Time-Sensitive Networking (TSN) basiert jedoch auf Standard-Ethernet und zielt darauf ab, einen einheitlichen Standard für die Echtzeitkommunikation über Ethernet zu schaffen. Dies wird erreicht, indem OT- und IT-Datenverkehr in einem einzigen Netzwerkkabel zusammengeführt und Ethernet um Determinismus erweitert wird. Das Ziel besteht darin, Netzwerkverzögerungen zu reduzieren und die Latenz zwischen Endpunkten zu verringern, um sicherzustellen, dass bestimmte Pakete ihr Ziel pünktlich erreichen.

In diesem Artikel werden TSN, die drei wesentlichen TSN-Standards und ihre typischen Anwendungsfälle beschrieben. Außerdem werden drei NXP-Geräte (Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 Crossover-MCU und neue i.MX 8M Plus) untersucht, die es Embedded-Ingenieuren ermöglichen, moderne vernetzte Echtzeitsysteme für industrielle Anwendungen zu entwickeln.

Was ist TSN?

TSN ist kein einzelner Standard, sondern eine von der IEEE definierte Familie von Standards. Die TSN-Standards bilden die Grundlage der TSN-Architektur:

Abbildung 1. Die TSN-Architektur umfasst drei Schichten. Die Grundlage bilden die IEEE-Standards. TSN-Profile sitzen auf dem Fundament und Protokolle verwenden die Profile

TSN-Profile setzen auf den TSN-Standards und bilden die nächste Schicht der Architektur. Diese Profile geben konkret an, wie bestimmte in den Standards definierte TSN-Features zu parametrisieren sind. Ein solches Profil kann zum Beispiel Parameter enthalten, die beschreiben, wie viel Genauigkeit der Taktimpulse in einer Anwendung erforderlich ist.

Ein relativ ausgereiftes TSN-Profil ist IEC60802, das die Parameter für industrielle Anwendungen definiert. Viele andere TSN-Profile, beispielsweise für Automobil- und Medizinanwendungen, befinden sich jedoch derzeit in der Entwicklung. Daher konfiguriert und spezifiziert die zweite Ebene der Architektur die in den TSN-Standards definierten Funktionen mit Blick auf eine bestimmte Branche oder Anwendung. Schließlich enthält die oberste Schicht die Protokolle selbst.

Grundlegende TSN-Standards

Der 802.1AS-Standard für Timing und Synchronisation bildet die Basis von TSN. IEEE 802.1AS baut auf dem Precision Time Protocol (PTP) auf und ermöglicht es mehreren Geräten in einem Netzwerk, ihre internen Uhren zu synchronisieren, und ermöglicht so erweiterte Funktionen wie zeitbewusstes Scheduling.

Der 802.1Qbv-Standard ermöglicht es TSN-fähigen Geräten, OT- und IT-Datenverkehr zu kombinieren und beides über ein einziges Ethernet-Kabel zu übertragen. Darüber hinaus enthält dieser Substandard einen zeitabhängigen Shaper, der es ermöglicht, einen Zeitplan zu erstellen, der angibt, wann bestimmte Pakete über eine Leitung gesendet werden können. Die Geräte innerhalb des Netzwerks verpflichten sich, diesen Zeitplan einzuhalten und reservieren Zeitfenster für bestimmte Pakete. Diese Maßnahmen führen zu minimalem und vorhersehbarem Jitter und Latenz beim Senden priorisierter Nachrichten zwischen zwei Endknoten:

Beachten Sie, dass 802.1AS sicherstellt, dass alle Geräte im Netzwerk eine synchronisierte Zeitbasis verwenden. Daher wissen sie alle, wann welche Art von Datenverkehr über die Netzwerkkabel gesendet werden muss.

802.1CB ist ein weiterer wichtiger Standard von TSN. Dieser Substandard ermöglicht es Systemdesignern, redundante Kommunikationsströme über ein Netzwerk zu erstellen, um die Fehlertoleranz zu erhöhen. Wenn diese Funktion aktiviert ist, duplizieren 802.1CB-fähige Netzwerk-Switches bei Bedarf automatisch angegebene Pakete. Wenn ein TSN-fähiger Switch zum ersten Mal eine eindeutige Nachricht empfängt, verwirft er außerdem später automatisch alle redundanten Kopien. Die Auslagerung dieser Aufgaben auf TSN-fähige Hardware macht komplizierte Software überflüssig und entlastet die Haupt-CPU.

Schließlich ist 802.Qbu für Frame Preemption einer der wichtigsten Standards für die industrielle Automatisierung. Industrielle Netzwerke achten naturgemäß ganz besonders auf einen bestimmten Echtzeitansatz, der die Einhaltung sehr strenger Zykluszeiten erfordert. Preemption hilft, dieses Timing beizubehalten, indem es ermöglicht, einen Frame auf mehrere Fragmente aufzuteilen, die nacheinander gesendet werden, es sei denn, ein Express-Frame wird angezeigt.

Alle Standardrahmen können unterbrochen und in mehrere Nachrichten fragmentiert werden, solange die Übertragung jeder der Nachrichten innerhalb eines konfigurierbaren Zeitraums, der als Guardband (802.Qbr) bezeichnet wird, abgeschlossen werden kann. Solche Systeme, die in Verbindung mit der Vorbelegung verwendet werden, verhindern, dass zu lange oder azyklische Nachrichten die Zykluszeit verlängern.

Die Grundlagen zeitkritischer Netzwerke bietet detailliertere Einblicke in TSN und einige der hier besprochenen Standards.

Aktivieren zeitkritischer Netzwerke mit NXP-Geräten

Der Layerscape LS1028A, der i.MX RT1170 und der i.MX 8M Plus unterstützen TSN-Funktionen in unterschiedlichem Maße. Die folgende Tabelle fasst die TSN-Standards zusammen und welche NXP-Geräte sie implementieren:

TSN-fähige Hardware ist der erste Schritt zum Aufbau eines zuverlässigen TSN-fähigen Ethernet-Netzwerks. NXP bietet umfassenden Softwaresupport für seine Produkte und eine Bibliothek mit SDKs und Softwarebeispielen, die verschiedene Funktionen demonstrieren.

Auf dem Layerscape LS1028A wird normalerweise ein Echtzeit-Betriebssystem wie Open Industrial Linux (OpenIL) oder ein anderes High-Level-Betriebssystem ausgeführt. Der i.MX 8M Plus wird in Kürze auch Unterstützung für OpenIL erhalten. NXP bietet auch Open-Source-Unterstützung für TSN sowie Tools zu deren Konfiguration. Für OpenIL bietet NXP Open-Source-Treiberunterstützung für PTP. Mit diesen Treibern können Benutzer die PTP-Hardwareuhr und die Zeitstempelung steuern. Zusätzlich zu den Softwareangeboten von NXP können Ingenieure auch aus einer Reihe von leicht verfügbaren kommerziellen Software-Stacks wählen.

Die heutigen TSN-fähigen Geräte

Das Produktportfolio von NXP bietet einige Geräte, die Hardwareunterstützung für zeitkritische Netzwerke in industriellen Umgebungen bieten. Einige Beispiele sind der Layerscape LS1028A, der i.MX RT1170 Crossover-MCU und der i.MX 8M Plus. Diese Geräte ermöglichen es Ingenieuren von Embedded-Systemen, die industrielle Ausrüstung der Zukunft zu entwickeln, indem sie eine hohe Verarbeitungsleistung mit einem umfangreichen Satz an Peripheriegeräten, Sicherheitsfunktionen und Co-Prozessoren kombinieren, die anspruchsvolle Aufgaben bewältigen können.

Der LS1028A ist ein etablierter Anwendungsprozessor, der auf zwei Cortex-A72-Prozessorkernen basiert. Es ist in erster Linie für den Automobil- und Industriemarkt gedacht und wird mit einem integrierten Netzwerk-Switch geliefert, der verschiedene TSN-Funktionen über vier Ethernet-Ports unterstützt. Der LS1028A bietet außerdem eine Vielzahl von Peripheriegeräten (wie eine CAN-FD-Schnittstelle), verschiedene On-Chip-Coprozessoren, eine dedizierte GPU und einen LCD-Controller sowie zahlreiche Sicherheitsfunktionen. Zu den Zielanwendungen gehören Netzwerkgeräte, industrielles HID und Robotik.

Abbildung 2. Das LS1028A-Blockdiagramm. Bildquelle:NXP-Produktwebsite

Die MCUs der i.MX RT1170-Familie verwenden zwei Prozessorkerne. Ein ARM® Cortex®-M7-Kern mit bis zu 1 GHz und ein zweiter dedizierter Cortex®-M4-Prozessor mit einer Taktrate von bis zu 400 MHz machen diese Geräte zu den schnellsten derzeit auf dem Markt erhältlichen Mikrocontrollern. Ihre Leistung und ihr umfangreiches Portfolio an Peripheriegeräten und Funktionen machen die i.MX RT1170-MCU-Familie zur idealen Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Geräte unterstützen bis zu zwei Megabyte SRAM und bis zu drei Ethernet-Schnittstellen.

Die Crossover-MCU i.MX RT1170 bietet auch eine Reihe moderner Sicherheits- und kryptografischer Funktionen. Für HMI-Anwendungen enthalten die Geräte eine dedizierte 2D-GPU sowie 2D-Beschleuniger und Anzeigeschnittstellen. Der i.MX RT1170 ist für Low-Power- und Low-Leakage-Anwendungen optimiert und ermöglicht effiziente, schnelle, kleine und kostengünstige Designs.

Abbildung 3. Das i.MX RT1170-Blockdiagramm. Bildquelle:NXP-Produktwebsite

Die i.MX 8M-Familie enthält verschiedene Anwendungsprozessoren, die auf bestimmte Märkte abzielen, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Der i.MX 8M Plus ist das neueste Modell der Familie und umfasst dedizierte Hardware für Bildverarbeitungsanwendungen, eine NPU-Einheit mit 2.3 TOPS für schnellere KI-Inferenz, verbessertes LVDS, CAN-Echtzeitnetzwerk mit TSN-Unterstützung und ein 2D/3D Grafikbeschleuniger.

Darüber hinaus bietet der i.MX 8M Plus derzeit als einziges Gerät der i.MX 8M-Familie mehrere CAN-FD-Schnittstellen. Es kommt auch mit Zuverlässigkeitsfunktionen wie Inline-ECC für hochzuverlässige Industrieanwendungen.

Abbildung 4. Das i.MX 8M Plus-Blockdiagramm. Bildquelle:NXP-Produktwebsite

Der Layerscape LS1028A, der i.MX RT1170 und der i.MX 8M Plus sind Teil des 15-jährigen NXP-Langlebigkeitsprogramms, das garantiert, dass die Komponenten mindestens 15 Jahre ab Produktstart zum Verkauf angeboten werden, was besonders ist nützlich für Designer, die lange Aktivierungs- oder Zertifizierungsphasen durchlaufen müssen.

Beispiel für eine TSN-Basislösung

In diesem Beispiel kommuniziert jede Komponente mit der anderen, indem sie die verschiedenen oben beschriebenen TSN-Standards nutzt, um ein hohes Maß an Synchronisation und eine garantierte Latenz unabhängig vom im Netzwerk laufenden Verkehr aufrechtzuerhalten.

Der i.MX 8M Plus wird für die Bilderkennung verwendet und nutzt seinen ISP und die eingebettete Neural Processing Unit (NPU) für einen optimierten Betrieb und unterstützt den Echtzeitbetrieb der Fertigungslinie.

Der i.MX RT1170 wird verwendet, um den Roboterarm zu führen, um die Produkte gemäß der Analyse des i.MX8M Plus von einem virtuellen Förderband zu entnehmen.

Dazwischen betreibt der Layerscape LS1028 ein TSN-Netzwerk und leitet die Frames zwischen den 2 anderen Geräten sowie an andere potentielle Knoten weiter. TSN wird verwendet, um sicherzustellen, dass Daten zuverlässig vom i.MX 8M Plus zum i.MX RT1170 übertragen werden.

In diesem Beispiel ist auch ein Laptop angeschlossen, um Best-Effort-Verkehr zu simulieren, der in jeder Feldimplementierung vorhanden wäre

Weitere Informationen zu dieser Demo finden Sie unter dem folgenden Link:

Maschinelles Lernen und TSN mit i.MX 8M Plus von NXP

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