Cómo implantar redes sensibles al tiempo para garantizar una comunicación determinista

La comunicación determinista es vital en diversas aplicaciones, como la robótica autónoma y otros sistemas de la Industria 4.0, las comunicaciones 5G, los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) en aplicaciones automotrices y los servicios de streaming en tiempo real. Las normas Ethernet IEEE 802, denominadas Redes Sensibles al Tiempo (TSN, por sus siglas en inglés), se han ampliado para admitir la comunicación determinista. Si se implementa correctamente, TSN puede ser interoperable con dispositivos no TSN, pero la comunicación determinista sólo está disponible entre dispositivos habilitados para TSN. Hay numerosas normas IEEE 802 que coordinar a la hora de implantar TSN y garantizar que ofrezca tanto comunicación determinista como interoperabilidad, lo que hace que diseñar TSN en equipos de red desde cero resulte complejo y lleve mucho tiempo.

En cambio, los diseñadores de equipos de red pueden recurrir a unidades de microprocesador (MPU) con funcionalidad TSN integrada para acelerar la comercialización y reducir los riesgos de desarrollo. Este artículo repasa los aspectos básicos del funcionamiento y la implementación de TSN, presenta algunas de las numerosas normas IEEE 802.1 para implementar TSN, analiza la relación de IEC/IEEE 60802 con TSN y compara TSN con otros protocolos como EtherCAT, ProfiNet y EtherNet/IP. Luego se presentan las MPU de Texas Instruments, NXP y Renesas que incluyen la capacidad TSN, junto con plataformas de desarrollo que admiten la integración de redes deterministas en los dispositivos de la Industria 4.0.

Antes del desarrollo de TSN, las redes en tiempo real sólo estaban disponibles en buses de campo industriales especializados. Los buses de campo suelen denominarse "Ethernet industrial". Los estándares 802.1 TSN definen las funciones de capa 2 y conmutación a nivel de red de área local (LAN) y añaden los conceptos de tiempo y sincronización. TSN no sustituye a los protocolos de niveles superiores a la capa 2 y no define la interfaz de software ni las configuraciones y características de hardware, por lo que es compatible con diversas interfaces de programación de aplicaciones (API) (Figura 1).

Figura 1: Las normas TSN definen funciones de capa 2 y pueden coexistir con varias API. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los actuales algoritmos de conformación del tráfico TSN permiten la coexistencia del tráfico en tiempo real con el tráfico regular de mejor esfuerzo dentro de redes Ethernet estándar. El determinismo y la baja latencia pueden garantizarse para las comunicaciones en las que el tiempo es un factor crítico. Esto puede facilitar la implantación de sistemas relacionados con la seguridad en entornos industriales y automotrices. Algunas de las principales subnormas TSN de IEEE 802.1 incluyen (Tabla 1):

• IEEE 802.1 AS - temporización y sincronización
• IEEE 802.1Qbv - conformador consciente del tiempo
• IEEE 802.3Qbr - tráfico exprés intercalado
• IEEE 802.1Qbu - tanteo de tramas
• IEEE 802.1Qca - control y reserva de rutas
• IEEE 802.1CB - redundancia
• IEEE 802.1 Qcc - mejoras para la reserva de flujos
• IEEE 802.1 Qch - colas y reenvío cíclicos
• IEEE 802.1Qci - filtrado y vigilancia por flujo
• IEEE 802.1CM - Red sensible al tiempo para fronthaul

Tabla 1: TSN se basa en numerosos subestándares para proporcionar rendimiento determinista, redundancia y otras características de forma modular. (Imagen: Texas Instruments)

La TSN del IEEE puede dividirse en cuatro categorías de subestándares necesarios para garantizar el funcionamiento de la TSN. La sincronización horaria es la base para garantizar la sincronización de los relojes de una red. 802.1AS, también llamado 802.1ASrev, es el principal subestándar relacionado con la sincronización.

Otro grupo de subestándares se refiere a la baja latencia limitada. La compatibilidad con la baja latencia limitada es una condición necesaria para lograr el determinismo en las transmisiones de datos y se define con cinco subestándares: 802.1Qat (conformador basado en créditos), 802.3Qbr (tráfico exprés intercalado), 802.1Qbu (anticipación de tramas), 802.1Qbv (conformador consciente del tiempo (TAS)), 802.1Qav (colas y reenvío cíclicos) y 802.1Qcr (conformación de tráfico asíncrono).

La ultra fiabilidad es necesaria para hacer frente a fallos, errores y proporcionar redundancia y funciones relacionadas. Los subestándares relacionados incluyen: 802.1CB (replicación y eliminación de tramas), 802.1Qca (control y reserva de rutas), 802.1qci (filtrado y vigilancia por flujo), y partes de 802.1AS y 802.1AVB (fiabilidad para la sincronización temporal de las partes de temporización y sincronización de TSN y el estándar de puente de audio IEEE).

Existe un grupo de subestándares generales relacionados con los recursos dedicados, las API y otras características "generales" necesarias, incluida la planificación y configuración de alto nivel y la interoperabilidad en redes heterogéneas. Algunos ejemplos de estos subestándares generales son: 802.1Qat (protocolo de reserva de flujos), P802.1Acc (configuración TSN), compatibilidad con el lenguaje de modelado de datos YANG (Yet Another Next Generation) y 802.1Qdd (protocolo de asignación de recursos).

El diseño modular de TSN permite optimizarlo para aplicaciones y casos de uso específicos. No siempre se necesitan todas las características. Por ejemplo, 802.1AS, la temporización y la sincronización son especialmente importantes en todos los usos de automatización de fábricas de TSN, mientras que la redundancia puede ser necesaria sólo para un subconjunto de casos de uso de automatización.

¿Qué relación guarda la norma IEC/IEEE 60802 con la TSN?

En el momento de redactar este documento, el borrador 1.4 de la norma IEC/IEEE 60802, Perfil TSN para automatización industrial, está abierto a comentarios y se espera que se apruebe en algún momento de 2023. Este proyecto IEC SC65C/WG18 e IEEE 802 definirá perfiles TSN para la automatización industrial. Este esfuerzo conjunto incluirá características, opciones, configuraciones, valores por defecto, protocolos y procedimientos seleccionados de puentes, estaciones finales y redes LAN para construir redes de automatización industrial. Al igual que las normas TSN IEEE 802 existentes, la 60802 será flexible y modular y abordará una serie de escenarios de red.

IEC/IEEE 60802 irá más allá de las normas IEEE 802 y se está desarrollando en reconocimiento del hecho de que los usuarios y proveedores de redes interoperables puenteadas sensibles al tiempo para la automatización industrial necesitan directrices para la selección y el uso de normas y características relacionadas con TSN con el fin de desplegar eficazmente redes convergentes que soporten simultáneamente el tráfico de tecnología de operaciones y otro tráfico. La publicación del perfil TSN IEC/IEEE 60802 para la automatización industrial podría ser fuente de confusión, al menos al principio, ya que a menudo se hace referencia a varios buses de campo como "Ethernet industrial".

TSN y buses de campo

El uso de TSN y buses de campo no es una propuesta de lo uno o lo otro. Son compatibles, suelen utilizarse juntos y todos emplean conceptos relacionados con la sincronización horaria. Sin embargo, los buses de campo como PROFINET, EtherNet/IP y EtherCAT implementan la sincronización de formas diferentes. PROFINET utiliza el protocolo de control de tiempo de precisión (PTCP). EtherCAT utiliza relojes distribuidos que emplean registros dedicados y asociados para la sincronización.

PROFINET y EtherNet/IP incluyen el puente de aprendizaje IEEE Ethernet como tecnología de conmutación subyacente. Como resultado, estos protocolos pueden ahora adaptar la extensión de TAS y el frame preemption para utilizar hardware TSN estándar. EtherNet/IP utiliza paquetes UDP para el intercambio de datos y es compatible con la capa de conmutación TSN. PROFINET admite un modelo de búfer directo de capa 2 para los datos admitidos por el subsistema de comunicaciones industriales de la unidad programable en tiempo real (PRU-ICSS) TSN solution.

TSN está diseñado para soportar tiempos de ciclo al menos tan bajos como EtherCAT y PROFINET y otros protocolos de Ethernet industrial. Cuando se actualice a Gigabit Ethernet, se espera que TSN supere el rendimiento de los demás protocolos. La compatibilidad con el tráfico determinista en EtherCAT se limita a tipos especiales de paquetes de datos. El uso combinado de EtherCAT y TSN puede mejorar la flexibilidad. Por ejemplo, en torno a la sincronización, TSN añade capacidades multimaestro. Los tres protocolos proporcionan redundancia de diferentes maneras. TSN utiliza una técnica como el protocolo de redundancia paralela (PRP) y el protocolo de redundancia sin fisuras de alta disponibilidad (HSR) definidos en IEC 62439-3 para implementar la redundancia sin pérdidas (Tabla 2).

Tabla 2: EtherCAT, PROFINET y TSN tienen características similares, pero las implementan de formas diferentes. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

TSN no incluye una capa de aplicación y no cuestiona los buses de campo a nivel de aplicación. Por ejemplo, interconectar máquinas con interruptores sin dejar de utilizar EtherCAT a nivel de máquina puede crear una red Ethernet industrial que incluya funciones TSN. Una red integrada TSN-EtherCAT no mezcla las tecnologías, sino que define una integración sin fisuras para utilizar ambas tecnologías y aprovechar los mejores aspectos de rendimiento de cada una.

MCU con hasta 6 puertos TSN

Los diseñadores de dispositivos integrados de la Industria 4.0 que necesiten conectividad TSN pueden recurrir a los procesadores AM652x Sitara de Texas Instruments, como el AM6528BACDXEA. Estas MCU combinan dos núcleos Cortex-A53 de Arm con un Cortex-R5F dual y tres subsistemas de unidad de tiempo real programable y subsistema de comunicación industrial Gigabit (PRU_ICSSG) que pueden utilizarse para proporcionar hasta seis puertos de Ethernet industrial, incluidos TSN, PROFINET, EtherCAT y otros protocolos, o pueden utilizarse para conectividad Gigabit Ethernet estándar (Figura 2).

Figura 2: Los procesadores AM652x Sitara incluyen seis puertos que pueden utilizarse para TSN y otros protocolos Ethernet industriales. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La familia de MCU AM652x incluye arranque seguro y aceleración criptográfica, además de cortafuegos granulares gestionados por el subsistema de gestión de dispositivos y control de seguridad (DMSC). Además, el subsistema MCU Cortex-R5F dual está disponible para uso general como dos núcleos individuales, o los núcleos se pueden utilizar en lockstep para aplicaciones de seguridad funcional.

MCU con pila CC-Enlace IE TSN

Las MCU cruzadas i.MX RT1170 de NXP, como la MIMXRT1176DVMAA, tienen una arquitectura de doble núcleo con un núcleo Cortex-M7 de alto rendimiento (que funciona hasta a 1 GHz) y un núcleo Cortex-M4 de bajo consumo (que funciona hasta a 400 MHz). Esta arquitectura de doble núcleo permite que las aplicaciones se ejecuten en paralelo y optimiza el consumo de energía apagando núcleos individuales cuando es necesario. Estas MCU ofrecen una pila de comunicaciones CC-Enlace IE TSN completa y están optimizadas para soportar operaciones en tiempo real y ofrecer un tiempo de respuesta de interrupción de 12 ns.

Figura 3: Las MCU i.MX RT1170 de NXP incluyen un bloque funcional TSN dedicado (dentro del óvalo negro). (Fuente de la imagen: NXP)

Para acelerar el desarrollo de aplicaciones de aprendizaje automático (ML), control de motores en tiempo real, interfaces hombre-máquina (HMI) avanzadas, como el reconocimiento facial, y otras aplicaciones de la Industria 4.0, NXP ofrece el kit de evaluación MIMXRT1170-EVK (Figura 4). Este kit de evaluación está construido sobre una placa de circuito impreso (PCB) de 6 capas con diseño de orificios pasantes para mejorar el rendimiento de la compatibilidad electromagnética (EMC) e incluye dos puertos Ethernet para el desarrollo de la conectividad TSN.

Figura 4: Kit de evaluación MIMXRT1170-EVK de NXP. (Fuente de la imagen: NXP)

MCU y kit de inicio para TSN

La familia de MCUs RZ/N2L, como el R9A07G084M04GBG#AC0, de Renesas está diseñada para simplificar la implementación de Ethernet industrial y TSN en aplicaciones de la Industria 4.0. Permiten comunicaciones deterministas a través de un interruptor Gigabit Ethernet de 3 puertos compatible con TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP y OPC UA. Renesas también ofrece el RTK9RZN2L0S00000BE Arrancador Kit+ para MCU RZ/N2L. Este kit de inicio incluye amplias funciones periféricas adecuadas para aplicaciones industriales y admite la evaluación de Ethernet industrial y TSN (Figura 7). El kit incluye todo el hardware y el software necesarios:

• Hardware
  • Placa central de procesamiento con MCU RZ/N2L y emulador a bordo
  • Cable de alimentación USB (Tipo C a Tipo C)
  • Conexión emulador a bordo Cable USB (Tipo A a Tipo Micro B)
  • Cable USB de depuración de terminales de PC (Tipo A a Tipo Mini B)
• Software
  • El entorno de desarrollo, el código de muestra y las notas de aplicación están disponibles en la web, que también incluye un paquete de soporte de software con controladores de periféricos y numerosos ejemplos de aplicación para una rápida evaluación y creación de prototipos.

Figura 5: El Kit+ de inicio RTK9RZN2L0S00000BE incluye el hardware y el software necesarios, además de ejemplos de aplicaciones, para apoyar el desarrollo de redes deterministas. (Fuente de la imagen: Renesas)

Resumen

TSN se ha añadido a los estándares Ethernet IEEE 802.1 para apoyar el desarrollo de comunicaciones deterministas. TSN define funciones de comunicaciones de capa 2 y es compatible con protocolos de nivel superior como EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP y otros. Pronto se plasmará en una norma internacional, IEC/IEEE 60802, Perfil TSN para automatización industrial. Los proveedores ya han comenzado a integrar TSN en MCUs y plataformas de desarrollo relacionadas para ayudar a los diseñadores a integrar rápidamente las comunicaciones deterministas en la próxima generación de dispositivos de la Industria 4.0.