Habilitando projeto de rede industrial com rede sensível ao tempo

OT (tecnologia operacional) e TI (tecnologia da informação) podem ter diferentes necessidades em tempo real, mas estão mescladas no TSN (sensível ao tempo rede) padrões baseados em Ethernet. Aprenda sobre a teoria e o hardware envolvidos na implementação do TSN no projeto de redes industriais.

Os dispositivos em uma fábrica podem ter necessidades muito diferentes e objetivos potencialmente conflitantes durante a comunicação em uma rede. O tráfego de tecnologia operacional (OT), como dados de controle da máquina e leituras de valor do sensor, normalmente requer atrasos de tempo fixos, baixa latência e jitter previsível. O tráfego de tecnologia da informação (TI), por outro lado, são dados como o tráfego de e-mail.

No domínio de TI, a comunicação normalmente é o melhor esforço e tempos de resposta precisos não são de extrema importância. Em vez disso, o rendimento geral é o que normalmente importa. Para OT, dados perdidos em um determinado momento podem levar a falhas e, portanto, os pacotes devem chegar ao seu destino dentro de certas restrições de tempo real.

Hoje, existem vários protocolos industriais diferentes usados ​​para resolver esse problema. No entanto, a rede sensível ao tempo (TSN) foi construída sobre Ethernet padrão e visa criar um padrão unificado para comunicação em tempo real sobre Ethernet. Ele consegue isso mesclando o tráfego de OT e TI em um único cabo de rede e adicionando determinismo à Ethernet. O objetivo é reduzir os atrasos da rede e diminuir a latência entre os terminais para garantir que certos pacotes cheguem ao seu destino a tempo.

Este artigo discute o TSN, os três padrões essenciais do TSN e seus casos de uso típicos. Ele também examina três dispositivos NXP (o Layerscape LS1028A, o crossover MCU i.MX RT1170 e o novo i.MX 8M Plus) que permitem que os engenheiros integrados projetem sistemas modernos conectados em tempo real para aplicações industriais.

O que é TSN?

TSN não é um padrão único, mas sim uma família de padrões definidos pelo IEEE. Os padrões TSN formam a base da arquitetura TSN:

Figura 1. A arquitetura TSN compreende três camadas. Os padrões IEEE constituem a base. Os perfis TSN ficam no topo da base, e os protocolos usam os perfis

Os perfis TSN estão acima dos padrões TSN, formando a próxima camada da arquitetura. Esses perfis especificam concretamente como parametrizar certos recursos TSN definidos nos padrões. Por exemplo, esse perfil pode conter parâmetros que descrevem quanta precisão nos tiques do relógio é necessária em um aplicativo.

Um perfil TSN relativamente maduro é o IEC60802, que define os parâmetros para aplicações industriais. No entanto, muitos outros perfis TSN, como aplicações automotivas e médicas, estão atualmente em desenvolvimento. Portanto, o segundo nível da arquitetura configura e especifica os recursos definidos nos padrões TSN com um setor ou aplicativo específico em mente. Finalmente, a camada superior contém os próprios protocolos.

Padrões TSN essenciais

O padrão 802.1AS para cronometragem e sincronização forma a base do TSN. O IEEE 802.1AS baseia-se no protocolo de tempo de precisão (PTP), permitindo que vários dispositivos em uma rede sincronizem seus relógios internos, permitindo, assim, recursos mais avançados, como o agendamento com reconhecimento de hora.

O padrão 802.1Qbv permite que dispositivos habilitados para TSN combinem tráfego de OT e TI e transmitam ambos em um único cabo Ethernet. Além disso, este sub-padrão inclui um modelador com reconhecimento de tempo, tornando possível criar uma programação que indica quando certos pacotes podem sair em uma transmissão. Os dispositivos da rede concordam em seguir esse cronograma e reservam intervalos de tempo para pacotes específicos. Essas medidas levam a jitter e latência mínimos e previsíveis ao enviar mensagens priorizadas entre dois nós finais:







Observe que o 802.1AS garante que todos os dispositivos na rede compartilhem uma base de tempo sincronizada. Portanto, todos eles sabem quando enviar que tipo de tráfego pelos cabos de rede.

802.1CB é outro padrão significativo de TSN. Este sub-padrão permite que os projetistas do sistema criem fluxos de comunicação redundantes em uma rede para aumentar a tolerância a falhas. Com esse recurso habilitado, os switches de rede com capacidade para 802.1CB duplicarão automaticamente os pacotes especificados quando necessário. Além disso, quando um switch compatível com TSN recebe uma mensagem exclusiva pela primeira vez, ele automaticamente descarta todas as cópias redundantes posteriormente. Terceirizar essas tarefas para hardware compatível com TSN elimina a necessidade de softwares complicados e alivia a carga na CPU principal.

Finalmente, 802.Qbu para preempção de quadros é um dos padrões mais importantes para automação industrial. Por natureza, as redes industriais têm um cuidado muito especial com uma determinada abordagem em tempo real que requer respeito por tempos de ciclo muito restritos. A preempção ajuda a manter esse tempo, permitindo dividir um quadro em vários fragmentos que serão enviados sucessivamente, a menos que um quadro expresso apareça.

Todos os frames padrão podem ser interrompidos e fragmentados em mensagens múltiplas, desde que a transmissão de cada uma das mensagens possa terminar dentro de um período de tempo configurável denominado banda de guarda (802.Qbr). Tais sistemas, usados ​​em conjunto com a preempção, evitam que mensagens muito longas ou acíclicas estendam o tempo de ciclo.

Os Fundamentos da Rede Sensível ao Tempo fornece uma visão mais detalhada sobre TSN e alguns dos padrões discutidos aqui.

Habilitando rede sensível ao tempo com dispositivos NXP

O Layerscape LS1028A, o i.MX RT1170 e o i.MX 8M Plus suportam recursos TSN em vários graus. A tabela a seguir resume os padrões TSN e quais dispositivos NXP os implementam:







O hardware pronto para TSN é a primeira etapa na criação de uma rede Ethernet compatível com TSN confiável. A NXP oferece amplo suporte de software para seus produtos e uma biblioteca de SDKs e exemplos de software que demonstram vários recursos.

O Layerscape LS1028A normalmente executa um sistema operacional em tempo real, como Open Industrial Linux (OpenIL), ou um sistema operacional de alto nível diferente. O i.MX 8M Plus também receberá suporte para OpenIL em breve. O NXP também fornece suporte de código aberto para TSN, bem como ferramentas para configurá-lo. Para OpenIL, o NXP oferece suporte de driver de código aberto para PTP. Esses drivers permitem que os usuários controlem o relógio do hardware PTP e a marcação de tempo. Além das ofertas de software da NXP, os engenheiros também podem escolher entre uma variedade de pilhas de software comercial prontamente disponíveis.

Dispositivos com TSN de hoje

O portfólio de produtos NXP oferece alguns dispositivos que fornecem suporte de hardware para redes sensíveis ao tempo em ambientes industriais. Alguns exemplos são o Layerscape LS1028A, o crossover MCU i.MX RT1170 e o i.MX 8M Plus. Esses dispositivos permitem que os engenheiros de sistema embarcado projetem o equipamento industrial do futuro, combinando alto poder de processamento com um amplo conjunto de periféricos, recursos de segurança e coprocessadores capazes de lidar com tarefas exigentes.

O LS1028A é um processador de aplicativos bem estabelecido baseado em dois núcleos de processamento Cortex A72. Destina-se principalmente aos mercados automotivo e industrial e vem com um switch de rede integrado que oferece suporte a vários recursos TSN em quatro portas Ethernet. O LS1028A também oferece um rico conjunto de periféricos (como uma interface CAN-FD), vários coprocessadores on-chip, GPU e controlador LCD dedicados e vários recursos de segurança. As aplicações alvo incluem equipamentos de rede, HID industrial e robótica.

Figura 2. O diagrama de blocos LS1028A. Fonte da imagem:site do produto NXP

A família i.MX RT1170 de MCUs utiliza dois núcleos de processamento. Um núcleo ARM® Cortex®-M7 rodando a até 1 GHz e um segundo processador Cortex®-M4 dedicado com freqüência de até 400 MHz tornam esses dispositivos entre os microcontroladores mais rápidos disponíveis no mercado hoje. Seu desempenho e rico portfólio de periféricos e recursos tornam a família i.MX RT1170 de MCUs a escolha ideal para uma ampla gama de aplicações. Os dispositivos suportam até dois megabytes de SRAM e até três interfaces Ethernet.

O crossover MCU i.MX RT1170 também oferece um conjunto de segurança moderna e funcionalidade criptográfica. Para aplicações IHM, os dispositivos incluem uma GPU 2D dedicada e um acelerador 2D e interfaces de exibição. O i.MX RT1170 é otimizado para aplicações de baixo consumo de energia e baixo vazamento, permitindo projetos eficientes, rápidos, pequenos e econômicos.

Figura 3. O diagrama de blocos i.MX RT1170. Fonte da imagem:site do produto NXP

A família i.MX 8M contém vários processadores de aplicativos que visam mercados específicos para atender às necessidades de um determinado aplicativo. O i.MX 8M Plus é o modelo mais recente da família e inclui hardware dedicado para aplicações de visão de máquina, uma unidade NPU com 2.3 TOPS para inferência de IA mais rápida, LVDS aprimorado, rede em tempo real CAN com suporte TSN e um 2D / 3D acelerador gráfico.

Além disso, o i.MX 8M Plus é atualmente o único dispositivo da família i.MX 8M que oferece várias interfaces CAN-FD. Ele também vem com recursos de confiabilidade, como ECC em linha para aplicações industriais de alta confiabilidade.

Figura 4. O diagrama de blocos i.MX 8M Plus. Fonte da imagem:site do produto NXP

O Layerscape LS1028A, o i.MX RT1170 e o i.MX 8M Plus fazem parte do programa de longevidade NXP de 15 anos, que garante que os componentes estarão disponíveis para venda por pelo menos 15 anos a partir do lançamento do produto, o que é especialmente útil para designers que precisam passar por longas fases de habilitação ou certificação.

Exemplo de solução de base TSN

Neste exemplo, cada componente se comunica com o outro aproveitando os vários padrões TSN descritos acima para manter um alto nível de sincronização e uma latência garantida, independentemente do tráfego em execução na rede.

O i.MX 8M Plus é usado para reconhecimento de imagem e tira proveito de seu ISP e Unidade de Processamento Neural (NPU) incorporada para uma operação otimizada e suporta as operações em tempo real da linha de manufatura.

O i.MX RT1170 é usado para guiar o braço do robô para retirar os produtos de uma correia transportadora virtual de acordo com a análise conduzida pelo i.MX8M Plus.

Nesse meio tempo, o Layerscape LS1028 executa uma rede TSN e retransmite os quadros entre os 2 outros dispositivos, bem como para outros nós potenciais. O TSN é usado para garantir que os dados sejam entregues de forma confiável do i.MX 8M Plus para o i.MX RT1170.

Neste exemplo, um laptop também está conectado para simular o tráfego de melhor esforço que existiria em qualquer implementação de campo

Confira o link abaixo para obter mais detalhes sobre esta demonstração:

Aprendizado de máquina e TSN com i.MX 8M Plus da NXP

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