Como Implementar uma Rede Sensível ao Tempo para Garantir uma Comunicação Determinística

A comunicação determinística é vital em várias aplicações, como robótica autônoma e outros sistemas da Indústria 4.0, comunicações 5G, sistemas automotivos avançados de assistência ao motorista (ADAS) e serviços de fluxo em tempo real. Os padrões Ethernet IEEE 802, chamados de Rede Sensível ao Tempo (TSN), foram expandidos para suportar a comunicação determinística. Quando implementado corretamente, o TSN pode ser interoperável com dispositivos não TSN, mas a comunicação determinística só fica disponível entre dispositivos habilitados para TSN. Há vários padrões IEEE 802 para coordenar ao implementar o TSN e garantir que ele proporcione comunicação determinística e interoperabilidade, tornando complexo e demorado o projeto do TSN em equipamentos de rede a partir do zero.

Em vez disso, os projetistas de equipamentos para rede podem recorrer a unidades microprocessadas (MPUs) com funcionalidade TSN embarcada para acelerar o tempo de colocação no mercado e reduzir os riscos de desenvolvimento. Este artigo analisa os fundamentos da operação e implementação do TSN, apresenta alguns dos muitos padrões IEEE 802.1 para implementação do TSN, considera como a IEC/IEEE 60802 se relaciona ao TSN e compara o TSN com outros protocolos como EtherCAT, ProfiNet e EtherNet/IP. Em seguida, apresenta MPUs da Texas Instruments, NXP e Renesas que incluem a capacidade TSN, juntamente com plataformas de desenvolvimento que suportam a integração de redes determinísticas nos dispositivos para a Indústria 4.0.

Antes do desenvolvimento do TSN, a rede em tempo real só estava disponível em barramentos especializados no campo industrial. Os barramentos de campo são frequentemente chamados de "Ethernet industrial". Os padrões 802.1 TSN definem funções de camada 2 e comutação de nível de rede local (LAN) e adicionam os conceitos de tempo e sincronização. O TSN não substitui protocolos em níveis superiores à camada 2 e não define a interface de software ou configurações e características de hardware, tornando-a compatível com várias interfaces de programação de aplicativos (APIs) (Figura 1).

Figura 1: Os padrões TSN definem funções de camada 2 e podem coexistir com várias APIs. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Os algoritmos existentes de modelagem de tráfego TSN permitem a coexistência de tráfego em tempo real com tráfego de melhor esforço regular dentro de redes Ethernet padrão. O determinismo e a baixa latência podem ser garantidos para uma comunicação crítica em relação ao tempo. Isso pode suportar a implantação de sistemas relacionados com a segurança em ambientes industriais e automotivos. Alguns dos principais subpadrões IEEE 802.1 TSN incluem (Tabela 1):

• IEEE 802.1 AS — temporização & sincronização
• IEEE 802.1Qbv — modelador sensível ao tempo
• IEEE 802.3Qbr — tráfego expresso entrecortado
• IEEE 802.1Qbu — preempção de quadros
• IEEE 802.1Qca — controle e reserva de caminho
• IEEE 802.1CB — redundância
• IEEE 802.1 Qcc — melhorias para reserva de fluxo
• IEEE 802.1 Qch — enfileiramento e encaminhamento cíclico
• IEEE 802.1Qci — filtragem e policiamento por fluxo
• IEEE 802.1CM — rede sensível ao tempo para fronthaul

Tabela 1: O TSN se baseia em vários subpadrões para fornecer um desempenho determinístico, redundância e outras características de forma modular. (Imagem: Texas Instruments)

O IEEE TSN pode ser dividido em quatro categorias de subpadrões que são necessários para garantir o funcionamento do TSN. A sincronização de tempo é a base para garantir a sincronização dos relógios em uma rede. O 802.1AS, também chamado 802.1ASrev, é o principal subpadrão relacionado à sincronização.

Outro grupo de subpadrões diz respeito à baixa latência delimitada. O suporte à baixa latência delimitada é uma condição necessária para alcançar o determinismo na transmissão de dados e é definido com cinco subpadrões: 802.1Qat (modelador baseado em crédito), 802.3Qbr (tráfego expresso intercalado), 802.1Qbu (preempção de quadros), 802.1Qbv (modelador sensível ao tempo (TAS)), 802.1Qav (enfileiramento e encaminhamento cíclico) e 802.1Qcr (modelagem assíncrona de tráfego).

A ultraconfiança é necessária para lidar com falhas e erros, e fornecer redundância e funções relacionadas. Os subpadrões relacionados incluem: 802.1CB (replicação e eliminação de quadros), 802.1Qca (controle e reserva de caminho), 802.1qci (filtragem e policiamento por fluxo) e partes dos 802.1AS e 802.1AVB (confiabilidade para sincronização de tempo a partir das partes de temporização e sincronização do TSN e do padrão de ponte de áudio IEEE).

Há um grupo de subpadrões gerais relacionados a recursos dedicados, APIs e outras características "suplementares" necessárias, incluindo planejamento e configuração de alto nível e interoperabilidade em redes heterogêneas. Exemplos desses subpadrões gerais incluem: 802.1Qat (protocolo de reserva de fluxo), P802.1Acc (configuração TSN), compatibilidade com a linguagem de modelagem de dados YANG (Yet Another Next Generation) e 802.1Qdd (protocolo de alocação de recursos).

O projeto modular do TSN permite que ele seja otimizado para aplicações e casos de uso específicos. Nem todas as características são necessárias todas as vezes. Por exemplo, o 802.1AS, temporização e sincronização é especialmente importante em todos os usos de automação de fábrica de TSN, enquanto a redundância pode ser requerida apenas por um subconjunto de casos de uso de automação.

Como a IEC/IEEE 60802 se relaciona com o TSN?

No momento da redação deste artigo, a IEC/IEEE 60802, Esboço 1.4, Perfil TSN para Automação Industrial está suspensa para comentários, e espera-se que seja aprovada durante o ano de 2023. Esse projeto IEC SC65C/WG18 e IEEE 802 definirá os perfis TSN para automação industrial. Esse esforço conjunto incluirá características selecionadas de perfil, opções, configurações, padrões, protocolos e procedimentos de pontes, estações finais e LANs para construir redes de automação industrial. Assim como os padrões IEEE 802 TSN existentes, a 60802 será flexível e modular, e abordará uma variedade de cenários de rede.

A IEC/IEEE 60802 irá além dos padrões IEEE 802 e está sendo desenvolvida em reconhecimento do fato de que os usuários e fornecedores de redes interoperáveis sensíveis ao tempo para automação industrial necessitam de diretrizes para a seleção e uso de padrões e recursos relacionados ao TSN, a fim de implantar efetivamente redes convergentes que suportem simultaneamente o tráfego de tecnologia operacional e outros tráfegos. O lançamento do Perfil IEC/IEEE 60802 TSN para Automação Industrial poderia ser uma fonte de confusão, pelo menos inicialmente, uma vez que vários barramentos de campo são frequentemente chamados de "Ethernet industrial".

TSN e barramentos de campo

O uso do TSN e barramentos de campo não é uma opção tipo “ou um ou outro”. Eles são compatíveis, frequentemente utilizados em conjunto e todos empregam conceitos relacionados à sincronização de tempo. Contudo, barramentos de campo como PROFINET, EtherNet/IP e EtherCAT implementam a sincronização de diferentes maneiras. PROFINET utiliza o protocolo de controle de tempo de precisão (PTCP). EtherCAT utiliza relógios distribuídos que empregam registros dedicados e associados para sincronização.

PROFINET e EtherNet/IP incluem a ponte de aprendizagem IEEE Ethernet como a tecnologia de chaveamento subjacente. Como resultado, esses protocolos podem agora adaptar a extensão do TAS e a preempção de quadros para usar hardware TSN padrão. EtherNet/IP utiliza pacotes UDP para troca de dados e é compatível com a camada de chaveamento TSN. PROFINET suporta um modelo de buffer de camada 2 direta para dados suportados pela solução TSN do Subsistema de comunicações industriais da unidade programável em tempo real (PRU-ICSS).

O TSN é projetado para suportar tempos de ciclo pelo menos tão baixos quanto EtherCAT e PROFINET e outros protocolos Ethernet industriais. Quando for atualizado para Gigabit Ethernet, espera-se que o TSN exceda o desempenho dos outros protocolos. O suporte ao tráfego determinístico no EtherCAT é limitado a tipos especiais de pacotes de dados. O uso de EtherCAT e TSN combinados pode melhorar a flexibilidade. Por exemplo, em torno da sincronização, o TSN acrescenta capacidades multi-mestre. Todos os três protocolos proporcionam redundância de diferentes maneiras. O TSN usa uma técnica como o protocolo de redundância paralela (PRP) e o protocolo de alta disponibilidade de redundância contínua (HSR), conforme definido na IEC 62439-3 implementa redundância perda zero (Tabela 2).

Tabela 2: EtherCAT, PROFINET e TSN têm características semelhantes, mas as implementam de maneiras diferentes. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O TSN não inclui uma camada de aplicação e não desafia os barramentos de campo no nível da aplicação. Por exemplo, a interconexão de máquinas com interruptores enquanto ainda utilizam EtherCAT no nível da máquina pode criar uma rede Ethernet industrial que inclui funções TSN. Uma rede integrada TSN-EtherCAT não mistura as tecnologias, mas define uma integração perfeita para usar ambas as tecnologias e aproveitar os melhores aspectos de desempenho de cada uma delas.

MCU com até 6 portas TSN

Os projetistas de dispositivos para Indústria 4.0 embarcados que precisam de conectividade TSN podem recorrer aos processadores AM652x Sitara da Texas Instruments, como o AM6528BACDXEA. Essas MCUs combinam dois núcleos Arm Cortex-A53 com um dual Cortex-R5F, três unidades programáveis em tempo real e subsistemas de comunicação industrial Gigabit (PRU_ICSSG) que podem ser usados para fornecer até seis portas de Ethernet industrial incluindo TSN, PROFINET, EtherCAT e outros protocolos ou podem ser usadas para conectividade Gigabit Ethernet padrão (Figura 2).

Figura 2: Os processadores AM652x Sitara incluem seis portas que podem ser usadas para TSN e outros protocolos Ethernet industriais. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

A família de MCUs AM652x inclui inicialização segura e aceleração criptográfica, além de firewalls granulares gerenciados pelo subsistema de gerenciamento de dispositivos e controle de segurança (DMSC). Além disso, o subsistema dual Cortex-R5F MCU está disponível para uso geral como dois núcleos individuais ou os núcleos podem ser usados em sincronia para aplicações de segurança funcional.

MCU com pilha CC-Link IE TSN

As MCUs crossover i.MX RT1170 da NXP, como a MIMXRT1176DVMAA, têm uma arquitetura dual-core com um núcleo Cortex-M7 de alto desempenho (rodando até 1 GHz) e um núcleo Cortex-M4 de eficiência energética (rodando até 400 MHz). Essa arquitetura dual-core permite que as aplicações funcionem em paralelo e suporta a otimização do consumo de energia, desligando os núcleos individuais conforme necessário. Essas MCUs fornecem uma pilha de comunicação CC-Link IE TSN completa e são otimizadas para suportar operações em tempo real e fornecer um tempo de resposta de 12 ns de interrupção.

Figura 3: As MCUs i.MX RT1170 da NXP incluem um bloco funcional TSN dedicado (dentro da oval preta). (Fonte da imagem: NXP)

Para acelerar o desenvolvimento de aplicações de aprendizagem de máquinas (ML), controle de motores em tempo real, interfaces homem máquina avançadas (IHM) como reconhecimento facial e outras aplicações para Indústria 4.0, a NXP oferece o kit de avaliação MIMXRT1170-EVK (Figura 4). Esse kit de avaliação é construído sobre uma placa de circuito impresso (PCI) de 6 camadas com projeto de furo passante para melhor desempenho de compatibilidade eletromagnética (EMC) e inclui duas portas Ethernet para o desenvolvimento da conectividade TSN.

Figura 4: Kit de avaliação MIMXRT1170-EVK da NXP. (Fonte da imagem: NXP)

MCU e kit de iniciante para TSN

A família de MCUs RZ/N2L, como a R9A07G084M04GBG#AC0, da Renesas, é projetada para simplificar a implementação de Ethernet industrial e TSN em aplicações para Indústria 4.0. Elas permitem comunicações determinísticas através de um switch Ethernet Gigabit de 3 portas que suporta TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP e OPC UA. A Renesas também oferece o RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ para MCUs RZ/N2L. Esse kit de iniciante inclui funções periféricas extensivas adequadas para aplicações industriais e suporta a avaliação de Ethernet industrial e TSN (Figura 7). O kit inclui todo o hardware e software necessários:

• Hardware
  • Placa CPU com a MCU RZ/N2L e emulador embarcado
  • Cabo USB de alimentação (Tipo C para Tipo C)
  • Cabo USB de conexão do emulador embarcado (Tipo A para Tipo Micro B)
  • Cabo USB do terminal de depuração do PC (Tipo A para Tipo Mini B)
• Software
  • O ambiente de desenvolvimento, código de amostra e notas de aplicação estão disponíveis na internet, que também inclui um pacote de software de suporte com drivers periféricos e vários exemplos de aplicação para avaliação rápida e prototipagem.

Figura 5: O RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ inclui o hardware e software necessários além de exemplos de aplicação para apoiar o desenvolvimento de redes determinísticas. (Fonte da imagem: Renesas)

Resumo

O TSN foi adicionado aos padrões Ethernet IEEE 802.1 para apoiar o desenvolvimento de comunicações determinísticas. O TSN define as funções de comunicação de camada 2 e é compatível com protocolos de nível superior como EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP e outros. Em breve será incorporado a uma norma internacional, a IEC/IEEE 60802, Perfil TSN para Automação Industrial. Os fornecedores já começaram a integrar o TSN em MCUs e plataformas de desenvolvimento relacionadas para ajudar os projetistas a integrar rapidamente as comunicações determinísticas na próxima geração de dispositivos para Indústria 4.0.