TSN: Konvergentes Netzwerk für industrielles IoT

Eine der größten Herausforderungen bei der Implementierung des Industrial Internet of Things (IIoT) ist die Konvergenz der Netzwerke für Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT). Derzeit existieren diese Netzwerke in getrennten Domänen. So ist eine eingeschränkte Kommunikation in jede Richtung über dedizierte Gateways möglich. Die Konvergenz dieser Netzwerke ist eine Grundvoraussetzung für cyber-physische Systeme, in denen Knoten mithilfe des Industrial IoT miteinander interagieren.

Die aktuelle Architektur zur Steuerung der Fertigungsautomation ist hierarchisch aufgebaut. Anwendungen zu Enterprise Resource Planning (ERP) auf höchstem Niveau ermöglichen eine integrierte Verwaltung und Automatisierung von Unternehmenskernprozessen bis hin zu Manufacturing Execution Systems (MES), die den Fertigungsprozess steuern. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) führen die Automatisierungsaufgaben auf angeschlossenen industriellen Geräten wie elektrischen Antrieben, Sensoren oder E/As aus, die sich auf der untersten Ebene der Hierarchie befinden. Dies wird oft als „Automatisierungspyramide“ bezeichnet (Abbildung 1), in der eine große Anzahl von Geräten am unteren Ende und Hochleistungscomputer am oberen steht. Ebenen der Pyramide veranschaulichen die Hierarchien.

Abb. 1: Automatisierungspyramide mit typischer Zuordnung von Netzwerken zu Hierarchien – Bild aus Xilinx

Verschiedene Ebenen in der Pyramide haben unterschiedliche Netzwerkanforderungen. Während höhere Ebenen eine hohe Bandbreite und flexible Netzwerktopologien erfordern, benötigen niedrigere Ebenen ein deterministisches Verhalten und die Fähigkeit, Abtastwerte in konstanten Intervallen mit geringer Verzögerung der Paketlieferung zu transportieren. Dies führt zu mehreren Netzwerken, die nebeneinander arbeiten.

Ein konvergentes Netzwerk kann mehrere Herausforderungen meistern, die in der ungleichen Netzwerkarchitektur von heute bestehen:

• Mehr Transparenz: Alle Daten aus allen Hierarchien können für jedes Element im Werk ohne Übertragung dazwischen zugänglich gemacht werden.
• Weniger Netzwerkplanung: Flexiblere Topologien ermöglichen einfachere Änderungen.
• Weniger Investitionsaufwand: Reduzierung der Verkabelung, Reduzierung der Gateways zwischen Netzwerken mit unterschiedlichen Protokollen.
• Weniger Betriebsaufwand: Reduzierung des Netzwerk-Administrationsaufwandes.
• Mehr Bandbreite: Vermeidung der Beschränkung auf eine Netzwerkgeschwindigkeit.
• Optimiert für M2M: Bereit für Zusammenarbeit zwischen Maschinen mit einem gemeinsamen Datenmodell wie OPC UA im gesamten Werk.

Diese Konvergenz wird durch das Prinzip des Time Sensitive Networking (TSN) bereitgestellt. TSN bezeichnet eine Reihe von IEEE 802-Substandards, die bei Implementierung eine deterministische Kommunikation über Ethernet-Netzwerke ermöglichen, während die Vorteile der Kommunikation im gleichen Netzwerk bestmöglich erhalten bleiben.

TSN führt verschiedene Datenverkehrsklassen ein, die dieselbe Verbindung nutzen. Die TSN-Netzwerkkonfiguration reserviert Ressourcen für Streams mit deterministischen Zeitmerkmalen. TSN ermöglicht daher, ein gemeinsames Netzwerk zu implementieren, das mehrere Kommunikationsstandards unterstützt.

Dies führt mehrere Verbesserungen gegenüber dem Standard-Ethernet ein. Die Standard-Ethernet-Kommunikation ist nicht zeitbewusst; sie verteilt die Daten über die gesamte Bandbreite der Verbindung, dabei werden Pakete zur Übertragung in Warteschlangen eingereiht. TSN implementiert ein Zeitbewusstsein mit geplantem Datenverkehr bei konfigurierten Offsets in zyklischen Intervallen. Dabei wird ein Zeitplan befolgt, der von einer Netzwerk-Konfigurationsregelung eingeteilt wird. Weitere TSN-Funktionen ermöglichen die Filterung und Überwachung von TSN-Streams, nahtlose Redundanz und Unterstützung zyklischer Datenübertragung, während sie gleichzeitig Vorrang für Pakete höherer Priorität bieten.

TSN wird durch eine Reihe von IEEE 802.1-Standards definiert, welche die Implementierung spezifizieren (Abb. 2). Ab September 2017 werden vier dieser Standards verabschiedet, während sich der Rest noch in der Aufgaben- und Arbeitsgruppenphase befindet.

Abb. 2: TSN IEEE-Standards – Bild aus Xilinx

Diese Standards werden über Ethernet (IEEE 802.3 physische Schicht) implementiert und unterstützen Stern-, Ketten-, Ring- und Mischtopologien und sind nicht auf eine bestimmte Datenrate beschränkt. Industrielle Anwendungen verwenden hauptsächlich Datenraten von 100 MBit und 1 GBit. Daher bietet TSN die Konvergenz zwischen IT- und OT-Netzwerken. Diese Konvergenz reduziert die Kosten für die Implementierung des Netzwerks, sodass die Betriebskosten erheblich reduziert werden.

TSN-Implementierung

Die korrekte Implementierung von TSN erfordert eine Lösung, die an TSN-Endpunkten und TSN-Brücken eine geringe Latenzzeit und deterministische Antwort liefert. Viele Anwendungen lösen diese Herausforderung durch die Kombination eines Prozessors mit FPGA, die über eine Hochgeschwindigkeitsverbindung wie PCIe miteinander verbunden sind. Diese Zwei-Chip-Lösung vergrößert nicht nur die belegte Platinenfläche, erhöht den Stromverbrauch, die Entwicklungszeit und die Kosten, sondern verhindert auch, dass eine ganzheitliche integrierte Lösung entwickelt wird. Da das Design zwischen zwei Geräten aufgeteilt ist, erhöht dies auch die Komplexität der Überprüfung.

Zunehmend setzen Anbieter von IIoT-Lösungen All Programmable Zynq®-7000 und Zynq® UltraScale™ + MPSoC-Geräte ein, um ihre Lösungen zu implementieren. Diese Geräte bieten eine Kombination aus Processing System (PS) und Programmable Logic (PL), die die Implementierung von Erfassungs-, Steuerungs- und Verarbeitungsanwendungen durch die optimale Verwendung von PS und PL ermöglichen, dank:

1. Fähigkeit zur Anbindung und Steuerung einer Vielzahl von Sensoren, Aktoren, Motoren und anderen anwendungsspezifischen Schnittstellen
2. Fähigkeit, komplexe Prozesse am Rand zu implementieren, zum Beispiel maschinelles Lernen, Sensorfusion, Bildverarbeitung und Echtzeitanalytik
3. Skalierbarkeit bezüglich der Anzahl der Netzwerkschnittstellen
4. Sicherheit und Fähigkeit für das Gerät und System im Hinblick auf Informationssicherheit, Anti-Manipulation und Vertrauen

Die Unterstützung von Any-to-Any-Schnittstellen und die Kopplung von gekoppeltem Verarbeitungssystem und programmierbarer Logik machen die Zynq-7000 und Zynq UltraScale + MPSoC-Geräte ideal, um TSN neben einer Benutzeranwendung zu implementieren.

Das 1G/100M TSN-Subsystem LogiCORE IP von Xilinx besteht aus FPGA-Logik für MAC, TSN-Brücke und TSN-Endpunkt. Das TSN-Design mit dedizierten Logikressourcen garantiert, dass das Timing-Verhalten streng deterministisch ist. Software, die im SoC-Verarbeitungssystem ausgeführt wird, dient der Netzwerksynchronisation und -initialisierung sowie zur Anbindung von Netzwerk-Konfigurationsregelungen für die Stream-Reservierung. Die Software ist für den Betrieb auf Petalinux ausgelegt und wird für Yocto Builds veröffentlicht.

Die LogiCORE IP verfügt außerdem über einen optionalen integrierten zeitgesteuerten L2-Switch, der die in vielen industriellen Anwendungen benötigte Ketten- oder Baumtopologie erstellt, ohne einen weiteren Port an einem externen TSN-Switch zu vergeben. Nahtlose Redundanz (P802.1CB) erfordert auch den zusätzlichen Port. Die vollständige IP ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Benutzer kann vor der Synthese frei konfigurieren, ob der Switch integriert werden soll oder nicht.

Abb. 3: TSN IP in Xilinx Zynq-7000 oder Zynq UltraScale + MPSoC – Bild aus Xilinx

Sobald der TSN-IP-Kern instanziiert ist, werden einzelne AXI Streaming-Ports für jede Datenverkehrsklasse über diesen bereitgestellt. Geplanter Datenverkehr, reservierter Datenverkehr und Best-Effort-Datenverkehr werden unterstützt. Die AXI Streaming-Ports sind mit der Infrastruktur verbunden, die von der Vivado® Design Suite von Xilinx eingeführt wird. AXI Lite wird für die Konfiguration der TSN-Bausteine verwendet.

Xilinx stellt eine gebrauchsfertige Implementierung für Auswertungszwecke bereit, die für jede der Datenverkehrsklassen einen direkten Speicherzugriff enthält. Dieses Bewertungssystem kann ebenso verwendet werden, um das Verhalten zwischen Xilinx-Bauelementen sowie in Kombination mit Geräten von Drittanbietern oder mit Protokollanalysatoren zu testen. Abbildung 4 zeigt ein Blockdiagramm des Auswertesystems.

Abb. 4: TSN-Implementierung zu Evaluierungszwecken (für Zynq UltraSale+ MPSoC) – Bild aus Xilinx

Da programmierbare Logik flexibel ist, bietet dies auch die Möglichkeit, den IP-Kern als TSN-Standards und marktsegmentspezifischen Konformitätstestfortschritt zu aktualisieren, während bei Geräten mit festen Hardwareimplementierungen (wie benutzerdefinierte ASICS- und anwendungsspezifische Standardprodukte – ASSPs) die Option fehlt, Funktionsänderungen entlang der TSN-Evolution einzuführen.

Zur Demonstration des TSN IP-Kerns in Aktion, entwickelte Xilinx eine Demonstrationsanwendung für die ZCU102- und ZC702-Entwicklungsplatinen, mit Geräten der Zynq UltraScale + MPSoC bzw. Zynq-7000 Familie. Wenn zwei dieser Platinen miteinander verbunden sind (Abbildung 5), kann der Netzwerkverkehr übertragen und empfangen werden, wodurch die Validierung der TSN-Netzwerkfunktionen ermöglicht wird.

Abb. 5: TSN-Bewertungssystem (für Zynq UltraScale+ MPSoC) – Bild aus Xilinx

Für die weitere Unterstützung von TSN-Bereitstellung und -Anwendungen ist Xilinx Mitglied der Testumgebung von Time Sensitive Networking im Industrial Internet Consortium (IIC). Die Teilnahme an dieser Testumgebung ermöglicht die Durchführung von Interoperabilitätstests für Anbieter sowie von Tests von leistungsstarken und wartezeitkritischen Anwendungen. Diese Tests können sowohl formal in einer der beiden permanenten Testumgebungen in den USA oder in Europa stattfinden.

Umfang

Für den Einsatz der cyber-physischen Systeme für Industrie 4.0 und IIoT muss eine Konvergenz zwischen IT- und OT-Netzwerken hergestellt werden. TSN bietet die Möglichkeit, diese Netzwerke zu konvergieren, sodass sich erhebliche Vorteile hinsichtlich Netzwerkkonnektivität, Skalierbarkeit und Kosten für Bereitstellung und Besitz ergeben. Die Implementierung von TSN in einem All-Programmable Zynq-7000 SoC- oder Zynq UltraScale + MPSoC-Gerät bietet dem Benutzer eine Einchip-Lösung, die auch die Verarbeitungsfunktionen in PS und PL bereitstellen kann, um die IIoT-Anwendung am Rand auszuführen.

Xilinx TSN wurde im Mai 2017 mit dem Namen 1G/100M TSN-Subsystem LogiCORE IP für Kunden mit früherem Zugang freigegeben; die Markteinführung wird im vierten Quartal 2017 fortgesetzt.

TSN: Konvergentes Netzwerk für industrielles IoT Datum der Veröffentlichung: 1. November 2017 von Farnell