Implémenter un réseau sensible au temps pour garantir des communications déterministes

La communication déterministe est essentielle dans de nombreuses applications telles que la robotique autonome et d'autres systèmes de l'Industrie 4.0, les communications 5G, les systèmes d'aide à la conduite (ADAS) et les services de streaming en temps réel. Les normes IEEE 802 Ethernet, appelées TSN (Time Sensitive Networking), ont été étendues pour prendre en charge la communication déterministe. Correctement mises en œuvre, les normes TSN peuvent être interopérables avec des dispositifs non-TSN, mais la communication déterministe n'est disponible qu'entre dispositifs compatibles TSN. Il existe de nombreuses normes IEEE 802 à coordonner lors de la mise en œuvre TSN pour garantir à la fois la communication déterministe et l'interopérabilité, ce qui rend l'intégration TSN complexe et fastidieuse dans les équipements de réseau à partir de zéro.

Au lieu de cela, les concepteurs d'équipements de mise en réseau peuvent se tourner vers des microprocesseurs (MPU) avec une fonctionnalité TSN intégrée pour accélérer la mise sur le marché et réduire les risques de développement. Cet article passe en revue les bases du fonctionnement et de l'implémentation TSN, présente quelques-unes des nombreuses normes IEEE 802.1 pour l'implémentation TSN, étudie la relation entre CEI/IEEE 60802 et TSN, et compare les normes TSN à d'autres protocoles tels qu'EtherCAT, ProfiNet et EtherNet/IP. Il présente ensuite des microprocesseurs de Texas Instruments, NXP et Renesas qui incluent la capacité TSN, ainsi que des plateformes de développement qui prennent en charge l'intégration de la mise en réseau déterministe dans les dispositifs Industrie 4.0.

Avant le développement TSN, la mise en réseau en temps réel n'était disponible que sur des bus de terrain industriels spécialisés. Les bus de terrain sont souvent appelés « Industrial Ethernet ». Les normes 802.1 TSN définissent les fonctions de la couche 2 et la commutation au niveau du réseau local (LAN) et ajoutent les concepts de temps et de synchronisation. TSN ne remplace pas les protocoles aux niveaux supérieurs à la couche 2 et ne définit pas l'interface logicielle ni les configurations et fonctionnalités matérielles, ce qui le rend compatible avec diverses interfaces de programmation (API) (Figure 1).

Figure 1 : Les normes TSN définissent les fonctions de la couche 2 et peuvent coexister avec diverses API. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les algorithmes existants de mise en forme du trafic TSN permettent la coexistence du trafic en temps réel et du trafic régulier au mieux dans les réseaux Ethernet standard. Le déterminisme et la faible latence peuvent être garantis pour les communications à délai critique. Cela peut favoriser le déploiement de systèmes liés à la sécurité dans les environnements industriels et automobiles. Les principales sous-normes IEEE 802.1 TSN incluent (Tableau 1) :

• IEEE 802.1 AS – Temporisation et synchronisation
• IEEE 802.1Qbv – Shaper sensible au temps
• IEEE 802.3Qbr – Trafic express intercalé
• IEEE 802.1Qbu – Préemption de trame
• IEEE 802.1Qca – Contrôle de chemin et réservation
• IEEE 802.1CB – Redondance
• IEEE 802.1 Qcc – Améliorations pour la réservation de flux
• IEEE 802.1 Qch – Mise en file d'attente et transfert cycliques
• IEEE 802.1Qci – Filtrage et surveillance par flux
• IEEE 802.1CM – Réseau sensible au temps pour fronthaul

Tableau 1 : Les normes TSN reposent sur de nombreuses sous-normes pour fournir des performances déterministes, des fonctions de redondance et d'autres fonctionnalités de manière modulaire. (Image : Texas Instruments)

Les normes IEEE TSN peuvent être divisées en quatre catégories de sous-normes qui sont requises pour garantir le fonctionnement TSN. La synchronisation temporelle est la base pour assurer la synchronisation des horloges sur un réseau. La norme 802.1AS, également appelée 802.1ASrev, est la principale sous-norme liée à la synchronisation.

Un autre groupe de sous-normes concerne la faible latence limitée. La prise en charge d'une faible latence limitée est une condition nécessaire à l'obtention du déterminisme dans les transmissions de données et est définie par cinq sous-normes : 802.1Qat (Shaper basé sur le crédit), 802.3Qbr (trafic express intercalé), 802.1Qbu (préemption de trame), 802.1Qbv (Shaper sensible au temps (TAS)), 802.1Qav (mise en file d'attente et transfert cycliques) et 802.1Qcr (mise en forme du trafic asynchrone).

L'ultra-fiabilité est requise pour traiter les défauts, les erreurs et fournir les fonctions de redondance et connexes. Les sous-normes connexes incluent : 802.1CB (réplication et élimination de trame), 802.1Qca (contrôle de chemin et réservation), 802.1qci (filtrage et surveillance par flux), et des parties de 802.1AS et 802.1AVB (fiabilité pour la synchronisation temporelle à partir des parties de temporisation et de synchronisation de TSN et de la norme de pontage audio IEEE).

Il existe un groupe de sous-normes générales liées aux ressources dédiées, aux API et à d'autres fonctionnalités générales nécessaires, notamment la planification et la configuration de plus haut niveau et l'interopérabilité dans les réseaux hétérogènes. Voici quelques exemples de ces sous-normes générales : 802.1Qat (protocole de réservation de flux), P802.1Acc (configuration TSN), compatibilité avec le langage de modélisation de données YANG (Yet Another Next Generation) et 802.1Qdd (protocole d'allocation de ressources).

La conception modulaire de TSN lui permet d'être optimisé pour des applications et des cas d'utilisation spécifiques. Toutes les fonctionnalités ne sont pas nécessaires à chaque fois. Par exemple, dans le cas de la norme 802.1AS, la temporisation et la synchronisation sont particulièrement importantes dans toutes les utilisations d'automatisation industrielle de TSN, tandis que la redondance peut n'être requise que par un sous-ensemble de cas d'utilisation de l'automatisation.

Relation entre CEI/IEEE 60802 et TSN

Au moment de la rédaction de ce document, la norme CEI/IEEE 60802 version préliminaire 1.4, profil TSN pour l'automatisation industrielle, est soumise à commentaires et devrait être approuvée en 2023. Ce projet CEI SC65C/WG18 et IEEE 802 définira des profils TSN pour l'automatisation industrielle. Cet effort conjoint inclura des fonctionnalités de profil, des options, des configurations, des valeurs par défaut, des protocoles et des procédures de ponts, de stations terminales et de réseaux locaux pour construire des réseaux d'automatisation industrielle. À l'instar des normes IEEE 802 TSN existantes, la norme 60802 sera flexible et modulaire et couvrira un éventail de scénarios de mise en réseau.

La norme CEI/IEEE 60802 ira au-delà des normes IEEE 802 et elle est développée en reconnaissance du fait que les utilisateurs et les fournisseurs de réseaux pontés interopérables sensibles au temps pour l'automatisation industrielle ont besoin de directives pour la sélection et l'utilisation des normes et des fonctionnalités liées à TSN afin de déployer efficacement des réseaux convergents qui supportent simultanément le trafic des technologies d'exploitation et d'autres trafics. La publication du profil TSN CEI/IEEE 60802 pour l'automatisation industrielle pourrait s'avérer être une source de confusion, du moins dans un premier temps, puisque divers bus de terrain sont souvent désignés sous le nom « Industrial Ethernet ».

TSN et bus de terrain

L'utilisation de TSN et de bus de terrain n'est pas une situation « soit l'un soit l'autre ». Ils sont compatibles, souvent utilisés ensemble et utilisent tous des concepts liés à la synchronisation temporelle. Cependant, les bus de terrain tels que PROFINET, EtherNet/IP et EtherCAT, mettent en œuvre la synchronisation de différentes manières. PROFINET utilise le protocole PTCP (Precision Time Control Protocol). EtherCAT utilise des horloges distribuées qui emploient des registres dédiés et associés pour la synchronisation.

PROFINET et EtherNet/IP utilisent le pont intelligent IEEE Ethernet comme technologie de commutation sous-jacente. En conséquence, ces protocoles peuvent désormais adapter l'extension de TAS et la préemption de trame pour utiliser le matériel TSN standard. EtherNet/IP utilise des paquets UDP pour l'échange de données et est compatible avec la couche de commutation TSN. PROFINET prend en charge un modèle de tampon de couche 2 direct pour les données prises en charge par la solution TSN PRU-ICSS.

TSN est conçu pour supporter des temps de cycle au moins aussi faibles que ceux d'EtherCAT et de PROFINET et d'autres protocoles Industrial Ethernet. Lorsqu'il est mis à niveau vers Gigabit Ethernet, TSN devrait dépasser les performances des autres protocoles. La prise en charge du trafic déterministe dans EtherCAT est limitée à certains types de paquets de données. L'utilisation combinée d'EtherCAT et de TSN peut améliorer la flexibilité. Par exemple, autour de la synchronisation, TSN ajoute des capacités multi-maîtres. Ces trois protocoles assurent la redondance de différentes manières. TSN utilise une technique comme le protocole PRP (Parallel Redundancy Protocol) ou le protocole HSR (High-availability Seamless Redundancy), tel que défini dans la norme CEI 62439-3, pour mettre en œuvre une redondance sans perte (Tableau 2).

Tableau 2 : EtherCAT, PROFINET et TSN ont des fonctionnalités similaires, mais les mettent en œuvre de manière différente. (Source de l'image : Texas Instruments)

TSN n'inclut pas de couche application et ne remet pas en question les bus de terrain au niveau application. Par exemple, en interconnectant des machines avec des commutateurs tout en utilisant EtherCAT au niveau de la machine, on peut créer un réseau Industrial Ethernet qui inclut des fonctions TSN. Un réseau intégré TSN-EtherCAT ne mélange pas les technologies mais définit une intégration transparente pour utiliser les deux technologies et réaliser les meilleures performances de chacune d'entre elles.

Microcontrôleurs avec jusqu'à 6 ports TSN

Les concepteurs de dispositifs Industrie 4.0 embarqués qui ont besoin de la connectivité TSN peuvent se tourner vers les processeurs AM652x Sitara de Texas Instruments, comme l'AM6528BACDXEA. Ces microcontrôleurs combinent deux cœurs Arm Cortex-A53 avec un double cœur Cortex-R5F et trois sous-systèmes PRU_ICSSG qui peuvent être utilisés pour fournir jusqu'à six ports Industrial Ethernet, y compris TSN, PROFINET, EtherCAT et d'autres protocoles, ou qui peuvent être utilisés pour une connectivité Gigabit Ethernet standard (Figure 2).

Figure 2 : Les processeurs AM652x Sitara incluent six ports qui peuvent être utilisés pour TSN et d'autres protocoles Industrial Ethernet. (Source de l'image : Texas Instruments)

La famille de microcontrôleurs AM652x inclut un démarrage sécurisé et une accélération cryptographique en plus des pare-feu granulaires gérés par le sous-système de gestion des dispositifs et de contrôle de la sécurité (DMSC). De plus, le sous-système de microcontrôleur à double cœur Cortex-R5F est disponible pour une utilisation générale en tant que deux cœurs individuels, ou les cœurs peuvent être utilisés conjointement pour les applications de sécurité fonctionnelle.

Microcontrôleur avec pile CC-Link IE TSN

Les microcontrôleurs crossover i.MX RT1170 de NXP, comme le MIMXRT1176DVMAA, présentent une architecture à double cœur avec un cœur Cortex-M7 hautes performances (s'exécutant jusqu'à 1 GHz) et un cœur Cortex-M4 écoénergétique (s'exécutant jusqu'à 400 MHz). Cette architecture à double cœur permet d'exécuter des applications en parallèle et d'optimiser la consommation d'énergie en désactivant les cœurs individuels si nécessaire. Ces microcontrôleurs offrent une pile de communication CC-Link IE TSN complète et sont optimisés pour prendre en charge les opérations en temps réel et offrir un temps de réponse aux interruptions de 12 ns.

Figure 3 : Les microcontrôleurs i.MX RT1170 de NXP incluent un bloc fonctionnel TSN dédié (entouré en noir). (Source de l'image : NXP)

Pour accélérer le développement des applications d'apprentissage automatique (ML), de la commande moteur en temps réel, des interfaces homme-machine (IHM) avancées comme la reconnaissance faciale, et d'autres applications Industrie 4.0, NXP propose le kit d'évaluation MIMXRT1170-EVK (Figure 4). Ce kit d'évaluation est construit sur une carte à circuit imprimé à 6 couches avec une conception à trous traversants pour une meilleure compatibilité électromagnétique (CEM) et il inclut deux ports Ethernet pour le développement de la connectivité TSN.

Figure 4 : Kit d'évaluation MIMXRT1170-EVK de NXP. (Source de l'image : NXP)

Microcontrôleur et kit de démarrage pour TSN

La gamme de microcontrôleurs RZ/N2L de Renesas, comme le R9A07G084M04GBG#AC0, est conçue pour simplifier l'implémentation d'Industrial Ethernet et de TSN dans les applications Industrie 4.0. Ces microcontrôleurs permettent des communications déterministes via un commutateur Gigabit Ethernet à 3 ports qui prend en charge TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP et OPC UA. Renesas propose également le kit de démarrage RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ pour microcontrôleurs RZ/N2L. Ce kit de démarrage inclut des fonctions périphériques étendues adaptées aux applications industrielles et il prend en charge l'évaluation d'Industrial Ethernet et de TSN (Figure 7). Le kit inclut tout le matériel et les logiciels nécessaires :

• Matériel
  • Carte de processeur avec microcontrôleur RZ/N2L et émulateur embarqué
  • Câble d'alimentation USB (Type-C à Type-C)
  • Câble USB de connexion de l'émulateur embarqué (Type-A vers Type Micro-B)
  • Câble USB de débogage de terminal PC (Type-A vers Type Mini-B)
• Logiciels
  • L'environnement de développement, le code d'exemple et les notes d'application sont disponibles sur Internet. Un pack de support logiciel avec des pilotes de périphériques et de nombreux exemples d'application pour une évaluation et un prototypage rapides est également disponible.

Figure 5 : Le kit de démarrage RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ inclut le matériel et les logiciels nécessaires, ainsi que des exemples d'application, pour soutenir le développement de réseaux déterministes. (Source de l'image : Renesas)

Résumé

TSN a été ajouté aux normes IEEE 802.1 Ethernet afin de prendre en charge le développement de communications déterministes. TSN définit les fonctions de communication de couche 2 et est compatible avec les protocoles de niveau supérieur tels qu'EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP, et plus. Il sera bientôt englobé dans une norme internationale, CEI/IEEE 60802, Profil TSN pour l'automatisation industrielle. Les fournisseurs ont déjà commencé à intégrer TSN dans les microcontrôleurs et les plateformes de développement connexes pour aider les concepteurs à intégrer rapidement les communications déterministes dans la prochaine génération de dispositifs Industrie 4.0.