TSN rivoluziona il concetto di tempo

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TSN (Time Sensitive Networking) sta diventando rapidamente una parola cruciale nel mondo dell’automazione industriale. Si tratta di una tecnologia chiave per trasformare in realtà l’IIoT (Industrial Internet of Things), poiché aiuta la rete Ethernet industriale a garantire comunicazioni affidabili con tempi predefiniti. Il primo passo in questa direzione è la creazione di un sistema sincronizzato.

John Browett, AD di CLPA Europe, spiega come il protocollo TSN ottenga la sincronizzazione in una rete e come questo sia un vantaggio per le applicazioni di automazione industriale.
TSN è stato inizialmente sviluppato da IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) come una serie di standard tecnici aperti per il bridging audio/video (AVB) nei sistemi audiovisivi professionali. È nata così una tecnologia Data Link Layer 2 conforme al modello ISO/OSI (International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection) e normata dagli standard IEEE 802.1.

Grazie alla messaggistica deterministica in tempo reale, l’ambito di IEEE 802.1 si è rapidamente esteso in altri campi, particolarmente in quello delle reti di controllo nel settore automobilistico e manifatturiero, dove è fondamentale garantire che i dati ciclici ‘time-critical’ siano ricevuti a intervalli temporali determinati.

La sincronizzazione dei dispositivi è l’aspetto primario del protocollo TSN
Per implementare una bassa latenza deterministica su reti Ethernet industriale, non si può prescindere dalla sincronizzazione temporale che ne è un aspetto fondamentale. Questa caratteristica è infatti essenziale per mantenere un’elevata precisione nei sistemi distribuiti, poiché consente ai dispositivi di rete di eseguire le operazioni richieste all’unisono, al momento giusto e indipendentemente da dove l’azione debba essere eseguita.
Inoltre, quando tutti i componenti condividono la stessa base di tempo, ovvero un clock universale, è possibile eseguire misure accurate per determinare quando si sia verificato un evento su una macchina specifica, l’intervallo di tempo intercorso tra due eventi verificatisi su componenti diversi della stessa rete, oppure la sequenza relativa di eventi verificatisi su dispositivi diversi.

Per implementare la sincronizzazione di rete, TSN stabilisce un unico sistema di clock tramite un protocollo master-slave PTP (Precision Time Protocol), come specificato dagli standard approvati IEEE 802.1AS – “Timing and Synchronisation for Time-Sensitive Applications” e IEEE 1588 – “Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems”. Secondo questi protocolli, un master clock di rete, detto “Grandmaster”, invia a ciascun nodo della rete – o “Time-Aware System” – informazioni temporali sotto forma di pacchetti Ethernet.

Alcuni tipi di messaggi temporali vengono utilizzati per comunicare informazioni relative al tempo, che favoriscono la sincronizzazione dei clock su tutta la rete oppure la misurazione dei ritardi sul mezzo di comunicazione, per ridurne l’impatto. Inoltre, vengono stabilite funzioni aggiuntive mirate sia alla creazione di una gerarchia dei clock per selezionare il grandmaster, sia a configurare, monitorare e mantenere un sistema basato su PTP.
Questo consente di sincronizzare tutti i realtime clock dei nodi con una precisione pari a 1 μs, se non superiore, adatta quindi anche alle applicazioni di motion control più esigenti, i cui tempi di ciclo possono essere di pochi μs. In caso di errori, è possibile anche controllare i log operativi e individuare cronologicamente e senza ambiguità gli eventi che li hanno causati. Gli operatori possono di conseguenza procedere all’identificazione degli errori e alle attività di recupero con maggiore rapidità e facilità, tagliando i tempi di fermo imprevisti e i relativi costi.

Per contro, le reti Ethernet tradizionali non prevedono alcun clock globale, né una concezione condivisa di tempo. Anzi, ciascun dispositivo ha il proprio clock interno. Di conseguenza, gli errori possono accumularsi nel tempo, causando sfasamenti temporali che portano i processori fuori sincrono.

Non solo sincronizzazione
La sincronizzazione temporale affidabile tra tutti i dispositivi di rete Time-Aware è alla base delle altre funzioni chiave di TSN. In particolare, IEEE 802.1AS garantisce un solido meccanismo a supporto dello standard IEEE 802.1Qbv – “Enhancements for Scheduled Traffic”. Esso definisce come pianificare con efficienza le code di traffico dati e prioritizzare la consegna puntuale dei frame “time-critical”.
Questo processo è basato sui TAS (Time Aware Shaper), che controllano il campo di priorità del tag VLAN di ciascun frame e assegnano il messaggio ad una coda di priorità idonea, definita all’interno di una pianificazione. La trasmissione dei dati in ogni coda viene eseguita durante le finestre temporali pianificate, mentre la trasmissione delle altre code è bloccata.

I TAS possono così garantire che i messaggi ciclici siano protetti da interferenze da parte del traffico non ciclico, evitando quindi eventuali ritardi o mancate consegne per i messaggi time-critical, che potrebbero interrompere un’applicazione o addirittura l’intero processo di produzione. È inoltre possibile ottimizzare i tempi dei cicli di comunicazione, poiché è possibile trasmettere simultaneamente i diversi frame con priorità assegnate.
In tal modo, i TAS e la pianificazione prefissata del traffico superano il tradizionale metodo CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection) utilizzato dall’Ethernet convenzionale, che impediva un approccio deterministico.

Un’implementazione TSN di successo
Una delle principali tecnologie aperte per reti Ethernet industriale all’avanguardia, che ha recentemente implementato TSN, è CC-Link IE TSN. Questa tecnologia è basata su Layer ISO/OSI da 3 a 7, che adottano gli standard Layer 2 IEEE 802.1AS e IEEE 802.1Qbv descritti sopra.
CC-Link IE TSN ottimizza i vantaggi già offerti da CC-Link IE, la prima rete Ethernet industriale aperta di classe gigabit al mondo, migliorandone le funzioni di comunicazione e l’accuratezza di sincronizzazione. Ad esempio, questa innovativa soluzione consente di ottenere tempi di ciclo quanto più bassi possibile, fino a 31,25 μs, gestendo senza problemi il traffico aciclico grazia alla larghezza di banda gigabit. Costituisce quindi un canale di comunicazione comune ottimale sia per il traffico aciclico che per il traffico di controllo in tempo reale, che continueranno ad aumentare entrambi con la diffusione della quarta rivoluzione industriale: Industry 4.0.

Scegliere questa tecnologia consentirà ai produttori di potenziare la competitività con un sistema aperto sempre più diffuso che favorisce prestazioni, connettività e informazioni, e il tutto con reti Ethernet industriale aperte.
Chiunque voglia saperne di più sulla tecnologia TSN e CC-Link IE TSN può visitare lo stand CLPA (Padiglione 9, Stand G23) dal 1° al 5 aprile 2019 all’Hannover Messe di Hannover, in Germania. Allo stand saranno presenti esperti in comunicazione industriale per parlare di queste innovative soluzioni basate su rete Ethernet e della loro implementazione.

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