Četrto industrijsko revolucijo zaznamuje zagotavljanje informacij za proizvodne procese in pridobivanje informacij iz njih. Za to je odločilna zmožnost delovanja v realnem času. Tehnologija za časovno občutljiva omrežja (angl. Time Sensitive Networking – TSN) ponuja standardizirane metode, s katerimi jo zagotavljamo.
Rutronik GmbH
Avtorja: Walter Hagner, vodja prodaje za digitalne tehnologije, in David Werthwein, vodja izdelkov za digitalne tehnologije, oba Rutronik
2021-301-30
V industrijski proizvodnji morajo biti orodja, naprave in stroji medsebojno natančno usklajeni, da ne pride do poškodb obdelovanca ali stroja. Pogoj za to je izmenjava podatkov v realnem času. To pomeni, da morajo imeti vse udeležene naprave vedno enako časovno osnovo in da je treba zagotoviti prispetje odgovorov do prejemnika v predpisanem času. Skladnost s predpisanimi časi odziva zagotavljajo industrijske tehnologije Ethernet, kot je ETHERCAT ali PROFINET itd. Posamezni sistemi procesnih vodil so optimizirani za določene načine uporabe, zato se jih je uveljavilo več.
V napravah za široko potrošnjo in na zgornjih ravneh piramide avtomatizacije se je zaradi svoje robustnosti ter zanesljivosti uveljavila predvsem tehnologija Ethernet. Vendar pa ne zagotavlja zmogljivosti v realnem času, ki je potrebna za industrijske procese.
Za uvedbo industrije 4.0 je treba združiti ta dva svetova omrežij, da bomo lahko gradili brezšivno povezane sisteme, ki se lahko odzivajo avtonomno. Prav tukaj pride do izraza ideja časovno občutljivih omrežij (angl. Time Sensitive Networking – TSN). Deluje vzporedno klasični komunikaciji in omogoča komunikacijo v realnem času tudi v heterogenih okoljih, torej pri hkratni uporabi različnih procesnih vodil ter omrežij Ethernet.
Pogoji za delovanje v realnem času
Osnovna zahteva za sisteme, ki delujejo v realnem času, so zelo natančne ure v vsaki končni napravi, ki morajo biti sinhronizirane. Tako je mogoče vsakemu podatkovnemu paketu dodati časovno oznako. To je naloga protokola Precision Time Protocol PTP-1588. Paketi starejših tehnologij, kot je TCP/IP ali UDP, sicer nimajo časovnih oznak, vendar pa so s standardoma (g)PTP in 802.1Qbv-2015 še vedno uporabni za komunikacijo v realnem času.
Na podlagi časovne oznake dobi vsak podatkovni paket še časovno okno (razporejanje (angl. Scheduling) in oblikovanje prometa (angl. Traffic Shaping)) ter stopnjo prednosti (izbira komunikacijskih poti, rezervacije in odpravljanje napak). Za slednje je v okviru TSN na voljo osem stopenj prednosti, ki določajo najdaljši dovoljeni odzivni čas za podatkovni paket. Časovno kritična komunikacija je mogoča le s temi tremi dejavniki.
Okvir Ethernet, torej niz podatkov z informacijami, kot so naslova cilja in vira, podatki za upravljanje ipd., ima neto velikost (brez glave, noge in zaščitnega časa (čas med dvema podatkovnima paketoma)) 1500 bajtov. Bruto velikost celotnega podatkovnega paketa (s temi informacijami) znaša pri zaščitnem času 12 bajtov (9,59 ns) 1538 bajtov. Pri hitrosti 100 Mb/s traja prenos takšnega paketa torej 1,23 µs. To pomeni: S tehnologijo TSN je mogoče realizirati točnosti na ravni mikrosekund. Pri povsem strojnih rešitvah so izvedljive časovne točnosti paketov na ravni nanosekund.
Mehanizme TSN, ki zagotavljajo delovanje v realnem času, najdemo v 2. sloju 7-slojnega modela OSI, ki mu pravimo sloj podatkovne povezave (angl. DATA LINK LAYER). Ker so funkcije tega sloja standardizirane v TSN, lahko različni protokoli uporabljajo isto omrežno infrastrukturo. 2. sloj je razdeljen na dva podsloja, kjer so izvedeni protokoli za delovanje v realnem času in se prenašajo podatki TSN: podsloj za upravljanje dostopa do medija (angl. Media Access Control – MAC) in podsloj za upravljanje logične povezave (angl. Logic Link Control – LLC).
TSN odpira povsem nove možnosti na številnih področjih, največ pa predvsem v industrijski avtomatizaciji in avtomobilih.
TSN v avtomobilih
Naraščanje števila sistemov za pomoč vozniku na poti do avtonomne vožnje ne zahteva le višjih hitrosti prenosa podatkov v vozilu, ampak tudi deterministično komunikacijo – podatki morajo priti do prejemnika v točno določenem času – z majhnimi zakasnitvami in veliko zanesljivostjo.
To je mogoče doseči s tehnologijo TSN ne glede na do zdaj uporabljeno komunikacijsko tehnologijo. Ker so kabli v vozilu po svoji naravi precej kratki, je tukaj mogoče delovanje v realnem času doseči precej preprosto. Z gigabitnimi omrežji Ethernet omogoča tehnologija TSN še manjše zakasnitve in še manj tresenja ure.
TSN v industrijski avtomatizaciji
V industrijski avtomatizaciji se trenutno uporablja množica procesnih vodil, ki bi jih bilo treba vse preseliti v TSN. Zato bo tukaj uveljavitev standardov trajala dlje. Vseeno pa imamo za uveljavitev tehnologije TSN zelo močan argument – z njo potrebujemo bistveno manj komunikacijske strojne opreme in se izognemo množici uporabljenih protokolov.
Z današnje perspektive še vedno dolgoročni cilj je uporaba TSN do ravni tipal in pogonov, saj so trenutno stroški za komunikacijsko strojno opremo, kot so MAC/PHY-vmesniki in mikrokrmilniki, še vedno previsoki.
Rešitve za TSN
Za zanemarljiv dodaten trud pri realiziranju tehnologije TSN priporočamo družino Neutrino podjetja Toshiba. Rešitev Ethernet AVB (angl. Audio/Video Bridging – premoščanje zvoka in slike)/TSN Bridge temelji na krmilniku za omrežne vmesnike (Network Interface Controller) TC9562. Podpira standarde IEEE802.1as za časovno sinhronizacijo, IEEE802.1Qav (Ethernet AVB) in IEEE802.1Qbv za oblikovanje prometa, torej določitev pravil za obdelavo ter posredovanje omrežnih paketov, in IEEE802.1Qbu ter IEEE802.3br za prednostno obravnavo paketov, ki omogoča učinkovitejši prenos podatkov, ki niso časovno kritični.
Če je krmilnik TC9562 povezan z aplikacijskim procesorjem ali drugim gostiteljskim sistemom SoC, lahko gostiteljska naprava podatke (npr. zvok, sliko in podatke za krmiljenje) pošilja po omrežju Ethernet s hitrostjo 10/100/1000 Mb/s. Na strani gostitelja ima vmesnik PCIe s hitrostjo 5 GT/s. Gradnik sestavljajo procesor Arm Cortex-M3, ki deluje s frekvenco 187 MHz, hitri pomnilnik RAM in kot osrednji del enota MAC z zmožnostjo AVB in TSN, ki omogoča prenos v realnem času in upravljanje kakovosti storitev (QoS). Ker to v veliki meri opravi krmilnik v integriranem vezju, je potrebna minimalna dodatna obdelava v gostiteljskem sistemu. Dodatno je potreben le še primeren PHY-vmesnik. Za razvoj je na voljo referenčna plošča in veliko programske opreme, na primer gonilniki za Linux.
Zanimiva alternativa je Intel I225, saj ima kombinacijo MAC- in PHY-vmesnikov ter ima v strojno opremo vgrajeno funkcijo IEEE1588 (ustvarjanje časovnih oznak). Razen ure v realnem času (1588), ki je implementirana v I225, morajo vse protokole za delovanje v realnem času, ki so potrebni za TSN, izvesti izkušeni razvijalci v drugem sloju in jih mora izvajati procesor gostiteljskega sistema.
