Habilitación del diseño de redes industriales con redes sensibles al tiempo

OT (tecnología operativa) y TI (tecnología de la información) pueden tener diferentes necesidades en tiempo real, pero se fusionan en el TSN (sensible al tiempo redes) estándares basados ​​en Ethernet. Conozca la teoría y el hardware involucrados en la implementación de TSN en el diseño de redes industriales.

Los dispositivos de una fábrica pueden tener necesidades muy diferentes y objetivos potencialmente conflictivos cuando se comunican a través de una red. El tráfico de tecnología operativa (OT), como los datos de control de la máquina y las lecturas de los valores del sensor, generalmente requiere retrasos de tiempo fijos, baja latencia y fluctuación predecible. El tráfico de tecnología de la información (TI), por otro lado, son datos como el tráfico de correo electrónico.

En el dominio de TI, la comunicación suele ser el mejor esfuerzo y los tiempos de respuesta precisos no son de suma importancia. En cambio, el rendimiento general es lo que normalmente importa. Para OT, los datos que faltan en un momento determinado pueden provocar fallas y, por lo tanto, los paquetes deben llegar a su destino dentro de ciertas restricciones en tiempo real.

Hoy en día, se utilizan numerosos protocolos industriales diferentes para abordar este problema. Sin embargo, las redes sensibles al tiempo (TSN) se construyeron sobre Ethernet estándar y su objetivo es crear un estándar unificado para la comunicación en tiempo real a través de Ethernet. Lo logra al fusionar el tráfico de OT y de TI en un solo cable de red y agregar determinismo a Ethernet. El objetivo es reducir los retrasos en la red y disminuir la latencia entre los puntos finales para garantizar que ciertos paquetes lleguen a su destino a tiempo.

Este artículo analiza TSN, los tres estándares TSN esenciales y sus casos de uso típicos. También examina tres dispositivos NXP (el Layerscape LS1028A, el MCU cruzado i.MX RT1170 y el nuevo i.MX 8M Plus) que permiten a los ingenieros integrados diseñar sistemas modernos conectados en tiempo real para aplicaciones industriales.

¿Qué es TSN?

TSN no es un estándar único, sino una familia de estándares definidos por IEEE. Los estándares TSN forman la base de la arquitectura TSN:

Figura 1. La arquitectura TSN consta de tres capas. Los estándares IEEE forman la base. Los perfiles de TSN se asientan sobre la base y los protocolos hacen uso de los perfiles

Los perfiles TSN se sitúan por encima de los estándares TSN, formando la siguiente capa de la arquitectura. Estos perfiles especifican concretamente cómo parametrizar ciertas características TSN definidas en los estándares. Por ejemplo, un perfil de este tipo puede contener parámetros que describen cuánta precisión en los tics del reloj se requiere en una aplicación.

Un perfil TSN relativamente maduro es IEC60802, que define los parámetros para aplicaciones industriales. Sin embargo, actualmente se están desarrollando muchos otros perfiles de TSN, como las aplicaciones médicas y de automoción. Por lo tanto, el segundo nivel de la arquitectura configura y especifica las características definidas en los estándares TSN con una industria o aplicación específica en mente. Finalmente, la capa superior contiene los propios protocolos.

Estándares esenciales de TSN

El estándar 802.1AS para temporización y sincronización forma la base de TSN. IEEE 802.1AS se basa en el protocolo de tiempo de precisión (PTP), lo que permite que varios dispositivos en una red sincronicen sus relojes internos, lo que permite funciones más avanzadas, como la programación basada en el tiempo.

El estándar 802.1Qbv permite que los dispositivos habilitados para TSN combinen tráfico OT e IT y transmitan ambos en un solo cable Ethernet. Además, este subestándar incluye un modelador consciente del tiempo, lo que hace posible crear una programación que indique cuándo ciertos paquetes pueden salir por un cable. Los dispositivos dentro de la red aceptan ceñirse a ese horario y reservan franjas horarias para paquetes específicos. Estas medidas conducen a una fluctuación y una latencia mínimas y predecibles cuando se envían mensajes priorizados entre dos nodos finales:

Tenga en cuenta que 802.1AS garantiza que todos los dispositivos de la red compartan una base de tiempo sincronizada. Por lo tanto, todos saben cuándo enviar qué tipo de tráfico a través de los cables de red.

802.1CB es otro estándar importante de TSN. Este subestándar permite a los diseñadores de sistemas crear flujos de comunicación redundantes a través de una red para aumentar la tolerancia a fallas. Con esta función habilitada, los conmutadores de red con capacidad 802.1CB duplicarán automáticamente los paquetes especificados cuando sea necesario. Además, cuando un conmutador con capacidad TSN recibe un mensaje único por primera vez, descarta automáticamente todas las copias redundantes más adelante. La subcontratación de estas tareas a hardware compatible con TSN elimina el requisito de software complicado y aligera la carga en la CPU principal.

Finalmente, 802.Qbu para la preferencia de tramas es uno de los estándares más importantes para la automatización industrial. Por naturaleza, las redes industriales prestan especial atención a un determinado enfoque en tiempo real que requiere el respeto de tiempos de ciclo muy estrictos. La preferencia ayuda a mantener dicho tiempo al permitir dividir un fotograma en varios fragmentos que se enviarán sucesivamente, a menos que aparezca un fotograma rápido.

Todas las tramas estándar se pueden interrumpir y fragmentar en múltiples mensajes siempre que la transmisión de cada uno de los mensajes pueda finalizar dentro de un período de tiempo configurable llamado banda de guarda (802.Qbr). Dichos sistemas, utilizados junto con la preferencia, evitan que los mensajes demasiado largos o acíclicos prolonguen el tiempo del ciclo.

Los fundamentos de las redes sensibles al tiempo proporciona información más detallada sobre TSN y algunos de los estándares que se analizan aquí.

Habilitación de redes sensibles al tiempo con dispositivos NXP

El Layerscape LS1028A, el i.MX RT1170 y el i.MX 8M Plus admiten funciones TSN en diversos grados. La siguiente tabla resume los estándares TSN y qué dispositivos NXP los implementan:

El hardware listo para TSN es el primer paso para crear una red Ethernet confiable habilitada para TSN. NXP ofrece un amplio soporte de software para sus productos y una biblioteca de SDK y ejemplos de software que muestran varias funciones.

El Layerscape LS1028A normalmente ejecuta un sistema operativo en tiempo real, como Open Industrial Linux (OpenIL), o un sistema operativo de alto nivel diferente. El i.MX 8M Plus también recibirá soporte para OpenIL en breve. NXP también proporciona soporte de código abierto para TSN, así como herramientas para configurarlo. Para OpenIL, NXP ofrece compatibilidad con controladores de código abierto para PTP. Estos controladores permiten a los usuarios controlar el reloj del hardware PTP y la marca de tiempo. Además de las ofertas de software de NXP, los ingenieros también pueden elegir entre una variedad de pilas de software comercial disponibles.

Dispositivos habilitados para TSN de hoy

El portafolio de productos NXP ofrece algunos dispositivos que brindan soporte de hardware para redes urgentes en entornos industriales. Algunos ejemplos son el Layerscape LS1028A, el MCU cruzado i.MX RT1170 y el i.MX 8M Plus. Estos dispositivos permiten a los ingenieros de sistemas integrados diseñar los equipos industriales del futuro mediante la combinación de una alta potencia de procesamiento con un amplio conjunto de periféricos, funciones de seguridad y coprocesadores capaces de abordar tareas exigentes.

El LS1028A es un procesador de aplicaciones bien establecido basado en dos núcleos de procesamiento Cortex A72. Está destinado principalmente a los mercados automotriz e industrial, y viene con un conmutador de red integrado que admite varias funciones de TSN a través de cuatro puertos Ethernet. El LS1028A también ofrece un amplio conjunto de periféricos (como una interfaz CAN-FD), varios coprocesadores en chip, una GPU dedicada y un controlador LCD, y numerosas funciones de seguridad. Las aplicaciones de destino incluyen equipos de red, HID industrial y robótica.

Figura 2. El diagrama de bloques LS1028A. Fuente de la imagen:sitio web del producto NXP

La familia de MCU i.MX RT1170 utiliza dos núcleos de procesamiento. Un núcleo ARM® Cortex®-M7 que se ejecuta a hasta 1 GHz y un segundo procesador Cortex®-M4 dedicado con una frecuencia de reloj de hasta 400 MHz hacen que estos dispositivos se encuentren entre los microcontroladores más rápidos disponibles en el mercado hoy en día. Su rendimiento y su amplia cartera de periféricos y características hacen de la familia de MCU i.MX RT1170 una opción ideal para una amplia gama de aplicaciones. Los dispositivos admiten hasta dos megabytes de SRAM y hasta tres interfaces Ethernet.

El MCU cruzado i.MX RT1170 también ofrece un conjunto de funciones criptográficas y de seguridad modernas. Para las aplicaciones HMI, los dispositivos incluyen una GPU 2D dedicada y un acelerador 2D e interfaces de pantalla. El i.MX RT1170 está optimizado para aplicaciones de baja potencia y bajas fugas, lo que permite diseños eficientes, rápidos, pequeños y rentables.

Figura 3. El diagrama de bloques del i.MX RT1170. Fuente de la imagen:sitio web del producto NXP

La familia i.MX 8M contiene varios procesadores de aplicaciones que se dirigen a mercados específicos para satisfacer las necesidades de una aplicación en particular. El i.MX 8M Plus es el último modelo de la familia e incluye hardware dedicado para aplicaciones de visión artificial, una unidad NPU con 2.3 TOPS para una inferencia de IA más rápida, LVDS mejorado, redes CAN en tiempo real con soporte TSN y 2D / 3D acelerador de gráficos.

Además, el i.MX 8M Plus es actualmente el único dispositivo de la familia i.MX 8M que ofrece múltiples interfaces CAN-FD. También viene con características de confiabilidad como ECC en línea para aplicaciones industriales de alta confiabilidad.

Figura 4. El diagrama de bloques del i.MX 8M Plus. Fuente de la imagen:sitio web del producto NXP

El Layerscape LS1028A, el i.MX RT1170 y el i.MX 8M Plus forman parte del programa de longevidad de 15 años de NXP, que garantiza que los componentes estarán disponibles para la venta durante al menos 15 años desde el lanzamiento del producto, lo que es especialmente útil para diseñadores que necesitan pasar por largas fases de habilitación o certificación.

Ejemplo de solución base de TSN

En este ejemplo, cada componente se comunica con el otro aprovechando los diversos estándares TSN descritos anteriormente para mantener un alto nivel de sincronización y una latencia garantizada independientemente del tráfico que se ejecuta en la red.

El i.MX 8M Plus se utiliza para el reconocimiento de imágenes y aprovecha su ISP y la Unidad de Procesamiento Neural (NPU) incorporada para una operación optimizada y es compatible con las operaciones en tiempo real de la línea de fabricación.

El i.MX RT1170 se utiliza para guiar el brazo del robot para recoger los productos de una cinta transportadora virtual de acuerdo con el análisis impulsado por el i.MX8M Plus.

En el medio, el Layerscape LS1028 ejecuta una red TSN y transmite las tramas entre los otros 2 dispositivos, así como a otros nodos potenciales. TSN se utiliza para garantizar que los datos se envíen de manera confiable desde el i.MX 8M Plus al i.MX RT1170.

En este ejemplo, también se conecta una computadora portátil para simular el tráfico de mejor esfuerzo que existiría en cualquier implementación de campo

Consulte el enlace a continuación para obtener más detalles sobre esta demostración:

Aprendizaje automático y TSN con i.MX 8M Plus de NXP

Los artículos de la industria son una forma de contenido que permite a los socios de la industria compartir noticias, mensajes y tecnología útiles con los lectores de All About Circuits de una manera que el contenido editorial no es adecuado. Todos los artículos de la industria están sujetos a estrictas pautas editoriales con la intención de ofrecer a los lectores noticias útiles, experiencia técnica o historias. Los puntos de vista y las opiniones expresados ​​en los artículos de la industria son los del socio y no necesariamente los de All About Circuits o sus redactores.