วิธีใช้เครือข่ายที่ไวต่อเวลาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสื่อสารที่กำหนดได้

การสื่อสารที่กำหนดได้ (Deterministic communication) มีความสำคัญในการใช้งานต่าง ๆ เช่น หุ่นยนต์อัตโนมัติและระบบ Industry 4.0 อื่น ๆ รวมถึงการสื่อสาร 5G ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ยานยนต์ขั้นสูง (ADAS) และบริการสตรีมมิ่งแบบเรียลไทม์ มาตรฐาน IEEE 802 Ethernet ที่เรียกว่าเครือข่ายที่ไวต่อเวลา (Time Sensitive Networking, TSN) ได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับการสื่อสารที่กำหนดได้ เมื่อมีใช้งานอย่างเหมาะสม TSN สามารถทำงานร่วมกันได้กับอุปกรณ์ที่ไม่ใช่ TSN ได้ แต่การสื่อสารที่กำหนดได้จะใช้ได้กับอุปกรณ์ที่เปิดใช้งาน TSN เท่านั้น มีมาตรฐาน IEEE 802 มากมายที่ต้องนำมาพิจารณาเมื่อนำ TSN มาใช้งาน และเป็นการตรวจสอบให้แน่ใจว่า TNS ได้มอบทั้งการสื่อสารที่กำหนดได้และความสามารถในการทำงานร่วมกัน ทำให้การออกแบบ TSN ให้เป็นอุปกรณ์เครือข่ายตั้งแต่เริ่มต้นมีความซับซ้อนและใช้เวลานาน

ผู้ออกแบบอุปกรณ์เครือข่ายสามารถหันไปใช้หน่วยไมโครโปรเซสเซอร์ (MPU) ที่มีฟังก์ชัน TSN ในตัวเพื่อให้ระยะเวลาการผลิตเพื่อออกสู่ตลาดที่สั้นลงและลดความเสี่ยงในการพัฒนา บทความนี้จะทบทวนพื้นฐานของการดำเนินการและการปรับใช้งาน TSN แนะนำมาตรฐาน IEEE 802.1 บางส่วนสำหรับการนำ TSN ไปใช้งาน และพิจารณาว่า IEC/IEEE 60802 เกี่ยวข้องกับ TSN อย่างไร รวมถึงการเปรียบเทียบ TSN กับโปรโตคอลอื่น ๆ เช่น EtherCAT, ProfiNet และ EtherNet/IP จากนั้นนำเสนอ MPU จาก Texas Instruments, NXP และ Renesas ซึ่งรวมถึงความสามารถ TSN พร้อมกับแพลตฟอร์มการพัฒนาที่สนับสนุนการรวมเครือข่ายที่กำหนดได้เข้ากับอุปกรณ์ Industry 4.0

ก่อนการพัฒนา TSN ระบบเครือข่ายแบบเรียลไทม์มีให้บริการเฉพาะบนฟิลด์บัสระดับอุตสาหกรรมเท่านั้น ฟิลด์บัสมักถูกเรียกว่า "อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม" โดยมาตรฐาน 802.1 TSN กำหนดฟังก์ชันเลเยอร์ 2 และการสวิชชิ่งระดับเครือข่ายท้องถิ่น (LAN) และเพิ่มแนวคิดของเวลาและการซิงโครไนซ์ TSN ไม่ได้แทนที่โปรโตคอลที่ระดับสูงกว่าเลเยอร์ 2 และไม่ได้กำหนดส่วนต่อประสานซอฟต์แวร์หรือการกำหนดค่าและคุณสมบัติฮาร์ดแวร์ ทำให้เข้ากันได้กับส่วนต่อประสานโปรแกรมประยุกต์ (API) ต่าง ๆ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: มาตรฐาน TSN กำหนดฟังก์ชันเลเยอร์ 2 และสามารถใช้งานร่วมกับ API ต่าง ๆ ได้ (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

อัลกอริธึมการกำหนดทราฟฟิก TSN ที่มีอยู่ช่วยให้ทราฟฟิกแบบเรียลไทม์กับทราฟฟิกแบบเบสต์เอ็ฟฟอร์ตสามารถอยู่ร่วมกันภายในเครือข่ายอีเทอร์เน็ตมาตรฐาน สามารถรับประกันความสามารถในการกำหนดได้และเวลาแฝงต่ำสำหรับการสื่อสารในเวลาที่สำคัญ ซึ่งสามารถรองรับการปรับใช้ระบบที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมและยานยนต์ มาตรฐานย่อยที่สำคัญบางมาตรฐานของ IEEE 802.1 TSN ได้แก่ (ตารางที่ 1):

• IEEE 802.1 AS – เวลาและการซิงโครไนซ์
• IEEE 802.1Qbv – เครื่องมือกำหนดรูปแบบตามเวลา
• IEEE 802.3Qbr – ทราฟฟิกแบบกระจายด่วน
• IEEE 802.1Qbu – การจองเฟรม
• IEEE 802.1Qca – การควบคุมเส้นทางและการจอง
• IEEE 802.1CB – ความซ้ำซ้อน
• IEEE 802.1 Qcc – การปรับปรุงและการพัฒนาสำหรับการจองสตรีม
• IEEE 802.1 Qch – การเข้าคิวและการส่งต่อแบบวนรอบ
• IEEE 802.1Qci – การกรองและการตรวจสอบต่อสตรีม
• IEEE 802.1CM – เครือข่ายที่ไวต่อเวลาสำหรับ Fronthaul

ตารางที่ 1: TSN ขึ้นอยู่มาตรฐานย่อยจำนวนมากเพื่อมอบประสิทธิภาพที่สามารถกำหนดได้ ความซ้ำซ้อน และคุณสมบัติอื่น ๆ ในรูปแบบโมดูลาร์ (แหล่งที่มา: Texas Instruments)

IEEE TSN สามารถแบ่งออกได้เป็นมาตรฐานที่จำเป็นสี่ประเภท เพื่อให้แน่ใจในการทำงานของ TSN การซิงโครไนซ์เวลาเป็นพื้นฐานเพื่อให้แน่ใจว่าการซิงโครไนซ์นาฬิกาในเครือข่าย 802.1AS หรือที่เรียกว่า 802.1ASrev เป็นมาตรฐานย่อยหลักที่เกี่ยวข้องกับการซิงโครไนซ์

มาตรฐานย่อยอีกกลุ่มหนึ่งเกี่ยวข้องกับเวลาแฝงต่ำที่มีขอบเขต การสนับสนุนสำหรับเวลาแฝงต่ำที่มีขอบเขตเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับความสามารถในการกำหนดได้ในการรับส่งข้อมูล และถูกกำหนดด้วยมาตรฐานย่อยห้ามาตรฐาน: 802.1Qat (ตัวควบคุมการส่งข้อมูลในเครือข่ายตามเครดิต), 802.3Qbr (ทราฟฟิกด่วนแบบกระจาย), 802.1Qbu (การครอบครองเฟรม), 802.1Qbv (ตัวควบคุมการส่งข้อมูลแบบรับรู้เวลา (TAS)), 802.1Qav (การจัดคิวและการส่งต่อแบบวนรอบ) และ 802.1Qcr (การสร้างทราฟฟิกแบบอะซิงโครนัส)

ความน่าเชื่อถือสูงนั้นเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อจัดการกับข้อบกพร่อง ข้อผิดพลาด และให้ความซ้ำซ้อนและฟังก์ชันที่เกี่ยวข้อง มาตรฐานย่อยที่เกี่ยวข้อง ได้แก่: 802.1CB (การจำลองและกำจัดเฟรม), 802.1Qca (การควบคุมเส้นทางและการจอง), 802.1qci (การกรองและการรักษาต่อสตรีม) และส่วนของ 802.1AS และ 802.1AVB (ความน่าเชื่อถือสำหรับการซิงโครไนซ์เวลาจาก ส่วนการจับเวลาและการซิงโครไนซ์ของ TSN และมาตรฐานการเชื่อมต่อเสียงของ IEEE)

มีกลุ่มมาตรฐานย่อยทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับทรัพยากรเฉพาะ API และคุณสมบัติ "โอเวอร์เฮด" ที่จำเป็นอื่น ๆ รวมถึงการวางแผนและการกำหนดค่าระดับที่สูงขึ้น และการทำงานร่วมกันในเครือข่ายที่แตกต่างกัน ตัวอย่างของมาตรฐานย่อยทั่วไปเหล่านี้ ได้แก่: 802.1Qat (โปรโตคอลการจองสตรีม), P802.1Acc (การกำหนดค่า TSN), ความเข้ากันได้กับภาษาการสร้างแบบจำลองข้อมูล YANG (Yet Another Next Generation) และ 802.1Qdd (โปรโตคอลการจัดสรรทรัพยากร)

การออกแบบโมดูลาร์ของ TSN ช่วยให้สามารถปรับให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะและการใช้งานแบบต่าง ๆ ไม่จำเป็นต้องมีคุณสมบัติทุกอย่างตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น 802.1AS การจับเวลา และการซิงโครไนซ์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานระบบอัตโนมัติในโรงงานทั้งหมดของ TSN ในขณะที่ระบบสำรองอาจจำเป็นต้องใช้ในการใช้งานระบบอัตโนมัติบางส่วนเท่านั้น

IEC/IEEE 60802 เกี่ยวข้องกับ TSN อย่างไร

ในขณะที่เขียนบทความนี้ IEC/IEEE 60802, ฉบับร่าง 1.4, โปรไฟล์ TSN สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมเปิดให้แสดงความคิดเห็นแล้ว และคาดว่าจะได้รับการอนุมัติในช่วงปี 2023 โดยที่ IEC SC65C/WG18 และ IEEE 802 นี้จะกำหนดโปรไฟล์ TSN สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ความพยายามร่วมกันนี้จะรวมถึงคุณสมบัติการเลือกโปรไฟล์ ตัวเลือก การกำหนดค่า ค่าเริ่มต้น โปรโตคอล และขั้นตอนของบริดจ์ สถานีปลายทาง และ LAN เพื่อสร้างเครือข่ายระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เช่นเดียวกับมาตรฐาน IEEE 802 TSN ที่มีอยู่ 60802 จะมีความยืดหยุ่นและเป็นโมดูลาร์และจัดการกับสถานการณ์เครือข่ายที่หลากหลาย

IEC/IEEE 60802 จะก้าวหน้ากว่ามาตรฐาน IEEE 802 และกำลังได้รับการพัฒนาโดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าผู้ใช้และเวนเดอร์ของเครือข่ายที่ไวต่อเวลาแบบบริดจ์ที่ทำงานร่วมกันได้สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมต้องการแนวทางสำหรับการเลือกและการใช้มาตรฐานและคุณลักษณะที่เกี่ยวข้องกับ TSN ตามลำดับ เพื่อปรับใช้เครือข่ายที่หลอมรวมเข้าด้วยกันอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเครือข่ายดังกล่าวรองรับการรับส่งข้อมูลเทคโนโลยีการดำเนินงานและการรับส่งข้อมูลอื่น ๆ พร้อมกัน การเผยแพร่ IEC/IEEE 60802 โปรไฟล์ TSN สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมอาจก่อให้เกิดความสับสน อย่างน้อยก็ในขั้นต้น เนื่องจากฟิลด์บัสต่างๆ มักจะเรียกว่า "อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม"

TSN และฟิลด์บัส

การใช้ TSN และฟิลด์บัสไม่ใช่ข้อเสนออย่างใดอย่างหนึ่ง ทั้งสองเข้ากันได้ มักใช้ร่วมกัน และใช้แนวคิดทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการซิงโครไนซ์เวลา แต่ฟิลด์บัสเช่น PROFINET, EtherNet/IP และ EtherCAT ใช้งานการซิงโครไนซ์ในรูปแบบที่แตกต่างกัน PROFINET ใช้โปรโตคอลการควบคุมเวลาที่แม่นยำ (PTCP) EtherCAT ใช้นาฬิกาแบบแจกแจงที่ใช้การลงทะเบียนเฉพาะและที่เกี่ยวข้องสำหรับการซิงโครไนซ์

PROFINET และ EtherNet/IP รวมบริดจ์เชื่อมต่อกับแต่ละส่วนเครือข่าย IEEE Ethernet เป็นเทคโนโลยีสวิตชิ่งพื้นฐาน ด้วยเหตุนี้ โปรโตคอลเหล่านี้จึงสามารถปรับเปลี่ยนส่วนขยายของ TAS และการจองเฟรมเพื่อใช้ฮาร์ดแวร์ TSN มาตรฐานได้ EtherNet/IP ใช้แพ็กเก็ต UDP สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลและเข้ากันได้กับเลเยอร์สวิชชิ่ง TSN โดย PROFINET รองรับโมเดลบัฟเฟอร์เลเยอร์ 2 โดยตรงสำหรับข้อมูลที่สนับสนุนโดยโซลูชัน TSN ระบบย่อยการสื่อสารอุตสาหกรรมหน่วยเรียลไทม์ที่ตั้งโปรแกรมได้ (PRU-ICSS)

TSN ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับรอบเวลาขั้นต่ำให้ได้เท่ากับ EtherCAT และ PROFINET และโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมอื่น ๆ เมื่ออัปเกรดเป็น Gigabit Ethernet คาดว่า TSN จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าโปรโตคอลอื่น ๆ การสนับสนุนการรับส่งข้อมูลที่กำหนดได้ใน EtherCAT นั้นจำกัดเฉพาะข้อมูลชนิดพิเศษ การใช้ EtherCAT และ TSN ร่วมกันสามารถเพิ่มความยืดหยุ่นได้ ตัวอย่างเช่น ในการซิงโครไนซ์ TSN เพิ่มความสามารถหลักที่หลากหลาย โดยทั้งสามโปรโตคอลให้ความซ้ำซ้อนในรูปแบบที่แตกต่างกัน TSN ใช้เทคนิคเช่นโปรโตคอลความซ้ำซ้อนแบบคู่ขนาน (PRP) และโปรโตคอลความซ้ำซ้อนแบบไม่มีรอยต่อความพร้อมใช้งานสูง (HSR) ตามที่กำหนดไว้ใน IEC 62439-3 ใช้ความซ้ำซ้อนที่ไม่มีการสูญเสีย (ตารางที่ 2)

ตารางที่ 2: EtherCAT, PROFINET และ TSN มีคุณสมบัติที่คล้ายกัน แต่ใช้งานในลักษณะที่ต่างกัน (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

TSN ไม่มีเลเยอร์แอปพลิเคชันและไม่สามารถเปรียบเทียบฟิลด์บัสในระดับแอปพลิเคชัน ตัวอย่างเช่น การเชื่อมต่อระหว่างเครื่องกับสวิตช์ขณะที่ยังคงใช้ EtherCAT ที่ระดับเครื่องสามารถสร้างเครือข่ายอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่มีฟังก์ชัน TSN เครือข่ายแบบรวม TSN-EtherCAT ไม่ได้ผสมเทคโนโลยี แต่เป็นการผสานรวมที่ราบรื่นเพื่อใช้ทั้งสองเทคโนโลยีและตระหนักถึงประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของแต่ละอย่าง

MCU ที่มีพอร์ต TSN มากถึง 6 พอร์ต

ผู้ออกแบบอุปกรณ์ฝังตัว Industry 4.0 ที่ต้องการการเชื่อมต่อ TSN สามารถหันไปใช้โปรเซสเซอร์ AM652x Sitara จาก Texas Instruments เช่น AM6528BACDXEA โดย MCU เหล่านี้รวมคอร์ Arm Cortex-A53 สองคอร์กับ Cortex-R5F แบบดูอัล และยูนิตเรียลไทม์ที่ตั้งโปรแกรมได้สามยูนิตและระบบย่อยการสื่อสารอุตสาหกรรม Gigabit (PRU_ICSSG) ที่สามารถใช้เพื่อจัดหาอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมได้สูงสุดหกพอร์ต รวมถึง TSN, PROFINET, EtherCAT และโปรโตคอลอื่น ๆ หรือสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อ Gigabit Ethernet มาตรฐาน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: โปรเซสเซอร์ AM652x Sitara มีหกพอร์ตที่สามารถใช้สำหรับ TSN และโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมอื่น ๆ (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

MCU ตระกูล AM652x มีการบูตที่ปลอดภัยและการเร่งความเร็วการเข้ารหัส นอกเหนือจากไฟร์วอลล์แบบละเอียดที่จัดการโดยระบบย่อยที่ใช้ในการจัดการอุปกรณ์และการควบคุมความปลอดภัย (DMSC) นอกจากนี้ ระบบย่อยของ Cortex-R5F MCU แบบดูอัลยังพร้อมใช้งานสำหรับวัตถุประสงค์ทั่วไป โดยเป็นสองคอร์แยกจากกัน หรือสามารถใช้คอร์ในขั้นล็อกสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยในการทำงาน

MCU พร้อมสแต็ค CC-Link IE TSN

MCU ครอสโอเวอร์ i.MX RT1170 ของ NXP เช่น MIMXRT1176DVMAA มีสถาปัตยกรรมดูอัลคอร์ที่มีคอร์ Cortex-M7 ประสิทธิภาพสูง (ทำงานสูงสุด 1 GHz) และคอร์ Cortex-M4 ที่ประหยัดพลังงาน (ทำงานสูงสุด 400 MHz) สถาปัตยกรรมแบบดูอัลคอร์นี้ช่วยให้สามารถทำงานแบบขนานและสนับสนุนการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยการปิดแต่ละคอร์ตามความจำเป็น MCU เหล่านี้นำเสนอสแตกการสื่อสาร CC-Link IE TSN เต็มรูปแบบ และได้รับการปรับแต่งเพื่อรองรับการทำงานแบบเรียลไทม์ และให้เวลาตอบสนองการอินเตอร์รัปท์ 12 นาโนวินาที

รูปที่ 3: i.MX RT1170 MCU จาก NXP มีบล็อกการทำงาน TSN เฉพาะ (ภายในวงรีสีดำ) (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

เพื่อเพิ่มความเร็วในการพัฒนาการใช้งานด้านแมชชีนเลิร์นนิง (ML), การควบคุมมอเตอร์แบบเรียลไทม์, ส่วนติดต่อเครื่องจักรกับมนุษย์ (HMI) ขั้นสูง เช่น การจดจำใบหน้า และการใช้งานอื่น ๆ ใน Industry 4.0 โดย NXP นำเสนอชุดประเมิน MIMXRT1170-EVK (รูปที่ 4) ชุดประเมินนี้สร้างขึ้นบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) 6 ชั้นพร้อมการออกแบบแบบรูทะลุเพื่อประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ที่ดีขึ้น และมีพอร์ตอีเทอร์เน็ตสองพอร์ตสำหรับการพัฒนาการเชื่อมต่อ TSN

รูปที่ 4: ชุดประเมิน MIMXRT1170-EVK ของ NXP (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

MCU และชุดเริ่มต้นสำหรับ TSN

MCU ตระกูล RZ/N2L เช่น R9A07G084M04GBG#AC0 จาก Renesas ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดความซับซ้อนของการใช้งานอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมและ TSN ในการใช้งาน Industry 4.0 MCU ดังกล่าวเปิดใช้งานการสื่อสารเชิงกำหนดผ่านสวิตช์ Gigabit Ethernet 3 พอร์ตที่รองรับ TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP และ OPC UA นอกจากนี้ Renesas ยังนำเสนอ RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ สำหรับ MCU RZ/N2L ชุดเริ่มต้นนี้ประกอบด้วยฟังก์ชันต่อพ่วงมากมายที่เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม และสนับสนุนการประเมินอีเทอร์เน็ตและ TSN ระดับอุตสาหกรรม (รูปที่ 7) ชุดประกอบด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่จำเป็นทั้งหมด:

• ฮาร์ดแวร์
  • บอร์ดซีพียูพร้อม MCU RZ/N2L และอีมูเลเตอร์ออนบอร์ด
  • สายไฟ USB (Type C กับ Type C)
  • ออนบอร์ดอีมูเลเตอร์เชื่อมต่อสาย USB (Type A กับ Type Micro B)
  • การดีบักเทอร์มินัล PC สาย USB (Type A กับ Type Mini B)
• ซอฟต์แวร์
  • สภาพแวดล้อมการพัฒนา โค้ดตัวอย่าง และโน้ตแอปพลิเคชันมีอยู่บนเว็บไซต์ ซึ่งรวมถึงแพ็คเกจสนับสนุนซอฟต์แวร์พร้อมไดรเวอร์อุปกรณ์ต่อพ่วงและตัวอย่างแอปพลิเคชันมากมายสำหรับการประเมินและการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

รูปที่ 5: RTK9RZN2L0S00000BE Starter Kit+ ประกอบด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่จำเป็น รวมถึงตัวอย่างแอปพลิเคชัน เพื่อสนับสนุนการพัฒนาเครือข่ายที่กำหนดได้ (แหล่งที่มาภาพ: Renesas)

สรุป

TSN ถูกเพิ่มเข้ามาในมาตรฐานอีเธอร์เน็ต IEEE 802.1 เพื่อรองรับการพัฒนาการสื่อสารที่กำหนดได้ โดย TSN กำหนดฟังก์ชันการสื่อสารเลเยอร์ 2 และเข้ากันได้กับโปรโตคอลระดับสูง เช่น EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP และอื่น ๆ ซึ่งเร็วๆ นี้ TSN จะอยู่ในมาตรฐานสากล IEC/IEEE 60802, โปรไฟล์ TSN สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม โดยซัพพลายเออร์ได้เริ่มรวม TSN เข้ากับ MCU และแพลตฟอร์มการพัฒนาที่เกี่ยวข้อง เพื่อช่วยให้นักออกแบบรวมการสื่อสารเชิงกำหนดเข้ากับอุปกรณ์ Industry 4.0 รุ่นต่อไปได้อย่างรวดเร็ว