Permettre la conception de réseaux industriels avec une mise en réseau sensible au temps

OT (technologie opérationnelle) et IT (technologie de l'information) peuvent avoir des besoins différents en temps réel, mais ils sont fusionnés dans le TSN (time-sensible réseau) normes basées sur Ethernet. Découvrez la théorie et le matériel impliqués dans la mise en œuvre de TSN dans la conception de réseaux industriels.

Les appareils d'une usine peuvent avoir des besoins très différents et des objectifs potentiellement contradictoires lors de la communication sur un réseau. Le trafic de la technologie opérationnelle (OT), comme les données de contrôle de la machine et les lectures des valeurs des capteurs, nécessite généralement des délais fixes, une faible latence et une gigue prévisible. Le trafic des technologies de l'information (TI), en revanche, correspond à des données telles que le trafic de courrier électronique.

Dans le domaine informatique, la communication se fait généralement au mieux et des temps de réponse précis ne sont pas de la plus haute importance. Au lieu de cela, le débit global est généralement ce qui compte. Pour OT, des données manquantes à un certain moment peuvent entraîner des échecs, et donc les paquets doivent atteindre leur destination dans certaines contraintes de temps réel.

Aujourd'hui, de nombreux protocoles industriels différents sont utilisés pour résoudre ce problème. Cependant, la mise en réseau sensible au temps (TSN) a été construite sur la norme Ethernet et vise à créer une norme unifiée pour la communication en temps réel sur Ethernet. Il y parvient en fusionnant le trafic OT et IT sur un seul câble réseau et en ajoutant le déterminisme à Ethernet. L'objectif est de réduire les retards du réseau et la latence entre les points de terminaison pour garantir que certains paquets atteignent leur destination à temps.

Cet article traite de TSN, des trois normes TSN essentielles et de leurs cas d'utilisation typiques. Il examine également trois dispositifs NXP (le Layerscape LS1028A, le MCU croisé i.MX RT1170 et le nouveau i.MX 8M Plus) qui permettent aux ingénieurs embarqués de concevoir des systèmes en temps réel connectés modernes pour les applications industrielles.

Qu'est-ce que TSN ?

TSN n'est pas une norme unique mais plutôt une famille de normes définies par l'IEEE. Les normes TSN constituent le fondement de l'architecture TSN :

Figure 1. L'architecture TSN comprend trois couches. Les normes IEEE constituent la base. Les profils TSN reposent sur la fondation et les protocoles utilisent les profils

Les profils TSN se superposent aux normes TSN, formant la couche suivante de l'architecture. Ces profils précisent concrètement comment paramétrer certaines fonctionnalités TSN définies dans les normes. Par exemple, un tel profil peut contenir des paramètres qui décrivent le degré de précision des tops d'horloge requis dans une application.

Un profil TSN relativement mature est IEC60802, qui définit les paramètres pour les applications industrielles. Cependant, de nombreux autres profils TSN, tels que des applications automobiles et médicales, sont actuellement en cours de développement. Par conséquent, le deuxième niveau de l'architecture configure et spécifie les fonctionnalités définies dans les normes TSN avec une industrie ou une application spécifique à l'esprit. Enfin, la couche supérieure contient les protocoles eux-mêmes.

Normes TSN essentielles

La norme 802.1AS pour la temporisation et la synchronisation constitue la base de TSN. IEEE 802.1AS s'appuie sur le protocole de précision de l'heure (PTP), permettant à plusieurs périphériques d'un réseau de synchroniser leurs horloges internes, permettant ainsi des fonctionnalités plus avancées telles que la planification temporelle.

La norme 802.1Qbv permet aux appareils compatibles TSN de combiner le trafic OT et IT et de transmettre les deux sur un seul câble Ethernet. De plus, cette sous-norme comprend un shaper temporel, permettant de créer un planning qui indique quand certains paquets peuvent sortir sur un fil. Les appareils du réseau acceptent de respecter cet horaire et réservent des créneaux horaires pour des forfaits spécifiques. Ces mesures entraînent une gigue et une latence minimales et prévisibles lors de l'envoi de messages prioritaires entre deux nœuds d'extrémité :

Notez que 802.1AS garantit que tous les périphériques du réseau partagent une base de temps synchronisée. Par conséquent, ils savent tous quand envoyer quel type de trafic sur les câbles réseau.

802.1CB est une autre norme importante de TSN. Cette sous-norme permet aux concepteurs de systèmes de créer des flux de communication redondants sur un réseau pour augmenter la tolérance aux pannes. Lorsque cette fonctionnalité est activée, les commutateurs réseau compatibles 802.1CB dupliquent automatiquement les packages spécifiés lorsque cela est nécessaire. De plus, lorsqu'un commutateur compatible TSN reçoit un message unique pour la première fois, il supprime automatiquement toutes les copies redondantes ultérieurement. L'externalisation de ces tâches vers du matériel compatible TSN élimine le besoin de logiciels compliqués et allège la charge sur le processeur principal.

Enfin 802.Qbu pour la préemption de trame est l'une des normes les plus importantes pour l'automatisation industrielle. Par nature, les réseaux industriels sont très attentifs à une certaine approche temps réel qui impose le respect de temps de cycle très stricts. La préemption aide à conserver ce timing en permettant de diviser une trame en plusieurs fragments qui seront envoyés successivement, à moins qu'une trame express ne s'affiche.

Toutes les trames standard peuvent être interrompues et fragmentées en plusieurs messages tant que la transmission de chacun des messages peut se terminer dans une période de temps configurable appelée bande de garde (802.Qbr). De tels systèmes, utilisés en conjonction avec la préemption, évitent que des messages trop longs ou acycliques allongent le temps de cycle.

Les Principes de base des réseaux sensibles au temps fournit un aperçu plus détaillé de TSN et de certaines des normes discutées ici.

Activation de la mise en réseau sensible au temps avec les appareils NXP

Le Layerscape LS1028A, le i.MX RT1170 et le i.MX 8M Plus prennent en charge les fonctionnalités TSN à des degrés divers. Le tableau suivant résume les normes TSN et les appareils NXP les implémentant :

Le matériel compatible TSN est la première étape de la création d'un réseau Ethernet fiable compatible TSN. NXP propose une assistance logicielle complète pour ses produits et une bibliothèque de SDK et d'exemples de logiciels démontrant diverses fonctionnalités.

Le Layerscape LS1028A exécute généralement un système d'exploitation en temps réel, tel que Open Industrial Linux (OpenIL), ou un autre système d'exploitation de haut niveau. L'i.MX 8M Plus bénéficiera également d'un support pour OpenIL sous peu. NXP fournit également un support open source pour TSN ainsi que des outils pour le configurer. Pour OpenIL, NXP offre une prise en charge des pilotes open source pour PTP. Ces pilotes permettent aux utilisateurs de contrôler l'horloge matérielle PTP et l'horodatage. En plus des offres logicielles de NXP, les ingénieurs peuvent également choisir parmi une gamme de piles de logiciels commerciaux facilement disponibles.

Appareils compatibles TSN d'aujourd'hui

Le portefeuille de produits NXP propose quelques appareils qui fournissent une prise en charge matérielle pour la mise en réseau urgente dans les environnements industriels. Quelques exemples sont le Layerscape LS1028A, le MCU croisé i.MX RT1170 et le i.MX 8M Plus. Ces dispositifs permettent aux ingénieurs de systèmes embarqués de concevoir l'équipement industriel du futur en combinant une puissance de traitement élevée avec un ensemble complet de périphériques, de fonctions de sécurité et de coprocesseurs capables de s'attaquer à des tâches exigeantes.

Le LS1028A est un processeur d'applications bien établi basé sur deux cœurs de traitement Cortex A72. Il est principalement destiné aux marchés de l'automobile et de l'industrie, et il est livré avec un commutateur réseau intégré qui prend en charge diverses fonctionnalités TSN sur quatre ports Ethernet. Le LS1028A offre également un riche ensemble de périphériques (comme une interface CAN-FD), divers coprocesseurs sur puce, un contrôleur GPU et LCD dédié, ainsi que de nombreuses fonctionnalités de sécurité. Les applications cibles incluent l'équipement réseau, le HID industriel et la robotique.

Figure 2. Le schéma fonctionnel LS1028A. Source de l'image :site Web du produit NXP

La famille de microcontrôleurs i.MX RT1170 utilise deux cœurs de traitement. Un cœur ARM® Cortex®-M7 fonctionnant jusqu'à 1 GHz et un deuxième processeur Cortex®-M4 dédié cadencé jusqu'à 400 MHz font de ces dispositifs l'un des microcontrôleurs les plus rapides disponibles sur le marché aujourd'hui. Ses performances et son riche portefeuille de périphériques et de fonctionnalités font de la famille de microcontrôleurs i.MX RT1170 un choix idéal pour une large gamme d'applications. Les appareils prennent en charge jusqu'à deux mégaoctets de SRAM et jusqu'à trois interfaces Ethernet.

Le MCU croisé i.MX RT1170 offre également un ensemble de fonctionnalités de sécurité et de cryptographie modernes. Pour les applications IHM, les appareils incluent un GPU 2D dédié et un accélérateur 2D et des interfaces d'affichage. L'i.MX RT1170 est optimisé pour les applications à faible consommation et à faible fuite, permettant des conceptions efficaces, rapides, petites et rentables.

Figure 3. Le schéma fonctionnel i.MX RT1170. Source de l'image :site Web du produit NXP

La famille i.MX 8M contient divers processeurs d'application qui ciblent des marchés spécifiques pour répondre aux besoins d'une application particulière. L'i.MX 8M Plus est le dernier modèle de la famille et comprend du matériel dédié aux applications de vision industrielle, une unité NPU avec 2,3 TOPS pour une inférence AI plus rapide, un LVDS amélioré, une mise en réseau en temps réel CAN avec prise en charge TSN et un 2D/3D accélérateur graphique.

De plus, l'i.MX 8M Plus est actuellement le seul appareil de la famille i.MX 8M à proposer plusieurs interfaces CAN-FD. Il est également livré avec des fonctionnalités de fiabilité telles que l'ECC en ligne pour les applications industrielles de haute fiabilité.

Figure 4. Le schéma fonctionnel de l'i.MX 8M Plus. Source de l'image :site Web du produit NXP

Le Layerscape LS1028A, le i.MX RT1170 et le i.MX 8M Plus font partie du programme de longévité NXP de 15 ans, qui garantit que les composants seront disponibles à la vente pendant au moins 15 ans à compter du lancement du produit, ce qui est particulièrement utile pour les concepteurs qui doivent passer par de longues phases d'activation ou de certification.

Exemple de solution de base TSN

Dans cet exemple, chaque composant communique avec l'autre en s'appuyant sur les différentes normes TSN décrites ci-dessus afin de conserver un haut niveau de synchronisation et une latence garantie indépendamment du trafic circulant sur le réseau.

L'i.MX 8M Plus est utilisé pour la reconnaissance d'images et tire parti de son FAI et de son unité de traitement neuronal (NPU) intégrée pour un fonctionnement optimisé et prend en charge les opérations en temps réel de la ligne de fabrication.

L'i.MX RT1170 est utilisé pour guider le bras du robot pour prélever les produits sur un tapis roulant virtuel selon l'analyse conduite par l'i.MX8M Plus.

Entre les deux, le Layerscape LS1028 gère un réseau TSN et relaie les trames entre les 2 autres appareils ainsi qu'à d'autres nœuds potentiels. TSN est utilisé pour garantir que les données sont transmises de manière fiable depuis l'i.MX 8M Plus vers l'i.MX RT1170.

Dans cet exemple, un ordinateur portable est également connecté afin de simuler le trafic au mieux qui existerait dans n'importe quelle mise en œuvre sur le terrain

Consultez le lien ci-dessous pour plus de détails sur cette démo :

Machine Learning et TSN avec l'i.MX 8M Plus de NXP

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