AO_415

GIUGNO-LUGLIO 2019 AUTOMAZIONE OGGI 415 93 latenza end-to-end anche in condizione di forte traffico e mette a disposizione meccanismi atti ad accelerare il trasporto dei mes- saggi per garantire una comunicazione ad alta velocità. È inoltre possibile aggiungere nuovi flussi di dati alla rete senza correre il rischio di penalizzare il traffico esistente o dover procedere a ope- razioni di riconfigurazione. TSN supporterà i protocolli dei livelli più elevati, poiché è implementato interamente al livello Data Link (livello 2 del modello OSI). In questo modo è possibile far girare protocolli come OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) su TSN. Si tratta di un aspetto decisamente impor- tante poiché OPC UA è una metodologia standard per consentire alle varie apparecchiature di comunicare le une con le altre. Un insieme di caratteristiche in costante evoluzione TSN definisce alcuni parametri relativi alle prestazioni della rete come temporizzazione, sincronizzazione, inoltro (forwarding), accodamento (queuing), ridondanza e stream reservation (che serve per stabilire stream, ovvero flussi, riservati). Ciò permette di ampliare le funzionalità e migliorare la QoS (Quality of Service) di Ethernet, garantendo in tal modo che i messaggi possano essere trasferiti nel rispetto dei vincoli di robustezza, affidabilità e deter- minismo richiesti dalle applicazioni industriali. Lo standard 802.1AS, per esempio, si occupa della sincronizzazione temporale mentre lo standard 802.1Qvb prende in considerazione la schedulazione del traffico. Ogni dispositivo su una rete TSN è sincronizzato con un clock globale ed è a conoscenza della pianificazione che definisce il momento in cui messaggi prioritari saranno inoltrati da ogni switch. TSN utilizza code multiple per ciascuna porta all’uscita di ciascun switch (figura 1). I messaggi vengono conservati fino all’apertura programmata di una porta (gate) e quindi rilasciati per la trasmis- sione. Il rilascio temporizzato di messaggi assicura la possibilità di prevedere e gestire in maniera deterministica i ritardi nella rete. Lo standard 802.1CB supporta la ridondanza consentendo la dupli- cazione dei pacchetti di dati e l’invio lungo differenti percorsi nella rete. Una funzionalità di pre-emption (prelazione, ovvero l’interru- zione temporanea di un processo per consentire l’esecuzione di un altro processo), definita nello standard 802.1Qbu, permette di incrementare l’utilizzo dell’ampiezza di banda della rete per i messaggi di natura non cri- tica. I frame di grandi dimensioni a bassa priorità inviati sulla rete alcune volte vengono persi (dropped, ov- vero non sono consegnati a destina- zione) per consentire la trasmissione di traffico con priorità più elevata. La funzionalità di pre-emption permette di mitigare questo problema suddivi- dendo frame di grandi dimensioni in frammenti che vengono riassemblati nel collegamento successivo. Ciò consente di sfruttare al massimo l’am- piezza di banda disponibile anche per il traffico a bassa priorità, nonché di ridurre la latenza di trasmissione per il traffico prioritario. Per poter suppor- tare TSN è necessario configurare le reti in maniera molto accurata. Questo è il motivo per cui Ieee ha incluso in TSN un certo numero di modelli standard relativi al bridging, alla schedulazione del traf- fico, alla pre-emption del frame, alla ridondanza e al monitoraggio del traffico (traffic policing). Questi modelli possono essere appli- cati e configurati utilizzando il protocollo Netconf, dando così vita a un approccio standard alla configurazione di TSN che contribui- sce a migliorare l’interoperabilità. Implementazione di OPC UA su TSN Il protocollo di comunicazione tra macchine (m2m) OPC UA è stato adottato su larga scala dai produttori che operano nel set- tore dell’automazione industriale. Sebbene inizialmente OPC UA era limitato a un’architettura di tipo client/server, è stato successi- vamente definito un meccanismo PubSub (Publish/Subscribe) per consentire la comunicazione in modalità multicast. La combina- zione tra le funzionalità di TSN e il meccanismo PubSub di OPC UA permette ora l’invio di dati su infrastrutture Ethernet convergenti con una precisione in termini di temporizzazione tale da garantire il supporto delle applicazioni industriali realtime. Implementazioni di TSN: i vantaggi della flessibilità dell’hardware Poiché gli standard TSN sono in continua evoluzione, risulta senza dubbio vantaggioso implementare questo protocollo utilizzando Fpga che possono essere riconfigurati sia in fase di sviluppo e revi- sione di un prodotto, sia direttamente sul campo per supportare gli aggiornamenti degli standard e le variazioni dei carichi di lavoro. La riconfigurabilità degli Fpga permette anche un impiego flessi- bile delle loro interfacce, consentendo a un singolo dispositivo di implementare sia TSN sia altri protocolli Industrial Ethernet. Senza dimenticare che, poiché TSN permette di collegare sistemi critici che in precedenza non erano connessi, i progettisti devono iniziare a prendere in considerazione gli aspetti legati alla protezione e alla sicurezza funzionale. Gli Fpga di Intel, i tool e le proprietà intel- lettuali sono conformi agli standard di sicurezza IEC61508. Sono Fig. 1 - L’inoltro schedulato dei messaggio previsto dallo standard TSN garantisce una gestione deterministica dei flussi di messaggi