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SoC-e——为关键系统提供经验证的TSN技术(附TSN产品开发指南 )

作者:www.cechina.cn2020.07.20阅读 7282


图:《SoC-e TSN产品开发指南》

  时间敏感网络(TSN,Time-Sensitive  Networking)是当前最为领先的通讯技术之一,也是业界最为看重的未来工业通讯标准。那如果现在要开发一个TSN的产品,该怎么做呢?最高效和低成本的方法当然是采用SoC(片上系统)的方法。今天,我们就来深入了解一家TSN的SoC供应商SoC-e,它可以为关键设备提供一种经现场验证的TSN技术。
  当今,以太网的应用是多领域的,全球数字化带来了挑战,工业、能源、汽车、电信和航空航天等领域都在他们的OT和IT层级中采用了大量的基于以太网的可协作方案。原始的以太网概念仅是作为一个简单的局域网网络,如今已演变为支持实时通讯、冗余、高吞吐量和复杂网络安全机制的网络。
  片上系统工程公司(SoC-e)是一家世界领先的基于FPGA技术的以太网通讯解决方案供应商,是一系列IP核开发领域的先锋,为关键任务实施网络化、同步和提供安全技术。
  始于2017年的SoC-e TSN解决方案 
  不可阻挡的OT和IT融合要求将以太网用作单一的实时和高流量通信解决方案,这需要采取更多步骤。SoC-e致力于为其客户支持最新的创新解决方案,例如,自2017年以来,SoC-e就为可互操作的时敏网络(TSN)提供了全面的解决方案,并提供了超低延迟技术来确保Smart-Grid基础设施内严格实时的流量。
  在“新”的以太网的背景下,SoC-e的专业知识和技术使得应用范围广泛的硅IP技术和SoM解决方案能够为数百个项目缩短上市时间并降低设计风险。举些例子,大多数电力系统自动化相关的供应商都采用IP core方案实施高可靠性的以太网网络,SoC-e自2017年开始提供一个全面的解决方案用于可互操作的时间敏感网络 (TSN)和一种超低延迟的技术保护智能电网基础设施中的严格实时数据流;工业PLC和工业网络设备采用了大量的SoC-e 时间感知技术;自动驾驶汽车雷达采用独一无二的CPU-less方案以实现纳秒级的响应。SoC-e的TSN综合解决方案已经在铁路、工业4.0智慧工厂,航空航天等产品和项目中得到了应用。

  ▎SoC-e参与的美国工业互联网联盟TSN测试床

  全球数字化正不断带来新的挑战,在本地和云服务器上运行FPGA加速算法使SoC-e能够重新思考如何在工厂和智能电网中实现自动化,为客户提供高数据带宽、确定性、安全和深度分析的以太网解决方案,这是SoC-e的下一个目标。
  目前,SoC-e在中国和广州虹科电子科技有限公司合作提供这种前沿的技术。
  为用户提供经验证的TSN技术 
  在工业、汽车、铁路和航空航天系统中CONTROL ENGINEERING China版权所有,高可靠性和可用性是必须的。然而,当前的OT/IT融合趋势使得这些系统变得更加复杂和脆弱。这些基于超连接的智能基础设施具有传感、处理和联网功能,将生成大量的数据。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,这些系统需要标准化、可互操作和经过现场验证的网络解决方案。这时涉及的技术一方面需要确保实时和关键任务信息在严格的延迟和可靠性范围内传输,另一方面要简化网络基础设施及其操作步骤。
  在这种情况下,一个可适应多部门且世界范围内一致认同的解决方案就是新一代的以太网技术,称为时间敏感网络TSN。TSN为流量提供了带宽保证和确定性的延迟,最后的目标是为实时的OT层和高带宽的IT层提供同一个网络。
  SoC-e为客户的关键系统提供一种经过现场验证的TSN技术,目标设备从小型智能设备、基于CPU或PLC的少端口网络设备,再到新一代工厂的多端口工业交换机。此外,由于SoC-e工具包及其互操作性控制工程网版权所有,使其在促进该技术的成熟和传播方面正发挥着重要的作用。
  用于航空航天的TSN SoC 
  现代FPGA和可重配置平台的长期供应,灵活性和集成能力使这些设备成为航空航天和国防市场上新型嵌入式设备的首选技术。同样,以太网技术结合使用IEEE 1588标准进行亚微秒级定时同步,简化了这些系统之间的集成和互操作性。
  此外,该领域的最新创新,例如TSN或高可用性标准化协议(HSR/PRP),正在促进整个数据流的工程设计:精确的时间戳数据采集,实时交通通信与边缘计算和IT基础架构的无缝集成。
  此外,FPGA供应商提供的图形设计工具套件也促进了这些完整系统的设计,这些工具与可配置的IP核心产品组合相结合,可以从高级角度无缝设计自定义的时间感知网络和数据采集设备。
  用于同步和联网的SoC-e IP已被这些关键行业的公司广泛使用,以实现增值设备和嵌入式系统CONTROL ENGINEERING China版权所有,并且已经过现场验证。
  用于汽车行业的TSN SoC 
  汽车对更高带宽的需求正在迅速增长。一方面,所有娱乐和连接性元素,另一方面,所有与控制相关的电子设备。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,汽车制造商增加了许多需要互连的基于计算机的系统。从技术和经济角度来看,采用最新创新的以太网是应对这一挑战的最佳选项。
  汽车是一个非常异构的系统。从高级的角度来看,至少可以确定以下领域:动力总成、底盘、驾驶员辅助和安全、人机界面和身体/舒适度。连接要求与端到端延迟和带宽要求都大不相同。这种可变性要求意味着保证确定性,并同时确保高数据带宽。从这个意义上说,一些启用的技术是:AUTOSAR、时间同步/时间触发的以太网/时间敏感网络和AV桥接。

  ▎使用基于SoC-e TSN的确定性以太网主干网进行EMPHASE设置

  如上图所示,该项目旨在研究可靠、可重新配置和智能的E/ E架构,处理平台和传感器组件,并研究相关的容错数据处理部分,SoC-e提供了汽车演示器中使用的TSN骨干基础架构,该设置模拟了使用此新一代确定性以太网标准互连的汽车某些部分的行为。SoC-e提供了TSN交换基础结构,该基础结构由基于SoC-e开发板的系统组成,该开发板基于通过SoC-e TSN IP内核(MTSN或多端口TSN IP)编程的系统模块(SMARTmpsoc)。

  ▎SMARTmpsoc Module  

  ▎SMARTmpsoc

  SoC-e是在时间敏感以太网网络解决方案中处于领先地位的公司,可以安全地部署TSN以太网中的最新标准,并且是在汽车应用中测试TSN使用情况的快速方法。
  SoC-e也是开发用于以太网网络和同步的完整IP解决方案系列的先驱。在过去的几年中,为汽车客户提供了以以太网为重点的定制项目,同时转化了现成的技术解决方案。
  用于工业网络的TSN SoC 
  可互操作的网络基础设施是实现智能工厂完全数字化的关键驱动力。基于串行和以太网的现场总线是工业3.0的通用技术,其发展重点是为工厂自动化提供手段。如今,我们正在经历从分层的自动化金字塔(ERP、MES、SCADA/PLC、I/O现场组件)到利用所有解耦和分布式数据所需的整体式自动化支柱的过渡。
  如图,此工业4.0工厂骨干网将由高级以太网赋能,不断发展的专有现场总线与用于确定性以太网的标准且可互操作的解决方案(时间敏感网络)相结合,是应对这一挑战的持续技术。

  自2011年以来,SoC-e为工业领域的公司提供了具有时间敏感的以太网技术,这些公司在PLC、电机驱动器、传感器采集和工业网络设备上嵌入了SoC-e IP和模块。
  用于电力自动化的TSN SoC 
  IEC 61850是智能电源自动化和控制系统(PAC)的骨干。IEC 61850标准化了数据模型,多种通信服务,系统配置描述语言(SCL)甚至用于网络和同步的链路层。IEC 61850社区和行业已经投入大量精力为这些系统内传递的关键控制消息(如GOOSE或SMV消息)提供基于零延迟和无帧丢失的基于以太网的联网解决方案。
  IEC 61850是变电站自动化的标准,可实现变电站和许多智能电网房屋的互操作数字化。它定义了数据模型,服务和通信协议。自2004年发布标准的14个部分以来,该行业中大多数数字化过程都遵循此标准方法。精确时间协议(PTP,IEEE 1588)也包含在此标准中,用于同步。
  从安全角度来看,电力部门被确定为关键系统。发电厂和变电站被认为是关键基础设施。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,这些场所的数字化已将网络攻击列为潜在威胁。PTP和第2层控制消息GOOSE和SMV的保护需要特定的分析和解决方法。IEC 62351-6标准提出了GOOSE和SMV消息的安全扩展。但是,此以太网流量可识别IEEE 1588,因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,为保护此类消息而建议的任何解决方案都必须考虑到不影响同步平面的问题。
  IEC 61850采用IEC 61439-3的第4和第5条,以在PAC中提供无冲击的以太网冗余。IEC 61439-3的第5条被称为高可用性无缝冗余(HSR),第4条被称为并行冗余协议(PRP)。
  两种协议都提供了零切换延迟时间,在故障情况下不会丢失任何帧,以及在第2层进行网络监督提供了强大手段。
  HSR通过在环形网络上双向发送数据包并在支持HSR的接收节点上丢弃重复的数据包来提供冗余。如果环网中断,则将始终通过另一个端口接收帧。
  适应PRP的节点连接到两个独立的以太网,并通过两个网络发送帧。当任何网络出现故障时,这将允许通过该帧进行接收。

  ▎使用HSR和PRP的变电站网络通信

  上图显示了在变电站自动化中实现的这种新协议的示例。HSR在每个机架中互连智能电子设备(IED)(机架内通信),而PRP适合用于站点和机架间总线,并连接许多异构设备。
  如在该示例中描绘的,为了维持通信中的冗余,使用冗余网关来执行PRP和HSR网络之间的互连。每个HSR链接使用两个网关设备连接到每个PRP LAN。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,避免了潜在的“单点故障”。
  正如在这种情况下所显示的,工业协议的组合在复杂性和多样性上正在增加。这些新兴的基于以太网的协议对灵活性的需求使得FPGA和可重配置设备通常成为实现能够组合多种协议的网络设备的最佳选择。由适当的IP核支持的FPGA提供:
  ●硬件处理能力可缩短切换延迟时间
  ●足够的灵活性以使设计适应特定的客户要求
  ●硬件和复杂组合(例如HSR和IEEE 1588)支持的协议更新
  SoC-e还提供了一种颠覆性的解决方案,可以对智能电网中测量的电流和电压值执行大规模并行DSP处理。

  这种计算是在本地或云数据中心完成的,仅使用一张FPGA加速卡即可支持数百微秒范围的固定延迟DSP处理数百个测量值流。该性能比独立IED设备完成的常规处理高出一个数量级。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,启用了用于智能电网自动化,控制,安全性,质量分析和商业智能的大量新的高级应用程序。

  该演示基于基于PCIe Xilinx的设备加速卡(Zynq-7000,Zynq UltraScale + MPSoC)和SoC-e SMV IP内核。
  用于火车和轨道电子信号的TSN SoC 
  铁路行业需要火车通讯的新骨干。如今,火车制造商提供配备有最强大的通信网络的现代火车,以提供对火车运行的严格控制,并为乘客提供舒适的环境。对更高数据带宽的需求在增加控制工程网版权所有,而对安全、保护和可靠网络的需求则是必须的。
  在80年代的火车上引入新的先进电子设备时,必须使用通信系统来交换数据。制造商提供了几种现场总线,但是它们在大规模运输系统的关键要求中使用时遇到一些麻烦。

  ▎基于SoC-e的TCN

  IEC在1999年发布了火车车载通信标准,称为IEC 61375或TCN(火车通信网络),该标准已成为解决这些麻烦的国际方法。但是,对巨大带宽的需求迫使TCN进行集成并从以太网中受益。但是,这种集成可能会损害TCN的可靠性、安全性和实时性。在这种情况下,并行冗余协议(PRP)和高可用性无缝冗余(HSR)协议是满足所有这些要求的有效解决方案。此外,集成了PRP和HSR的以太网TCN网络能够以自然方式管理冗余和更改组成。
  在可用性方面,作为比较,显示了不同协议和类型的典型切换(在网络中查找和使用新路由所需的时间):
  ●标准IP协议:10秒
  ●快速生成树协议(RSTP):1秒
  ●媒体冗余协议(MRP):100毫秒
  ●耦合冗余协议(CRP):400毫秒
  ●并行冗余协议(PRP):恢复时间为零。
  ●高可用性无缝冗余(HSR):恢复时间为零。
  确定性以太网是该行业内OT/IT融合的另一种驱动技术。从制造商和集成商的角度来看,能够将时间敏感的数据与高带宽的网络尽力融合在一起是一项有价值的技术。从这个意义上讲,时间敏感网络(TSN)确保供应商之间的互操作性,并为安全意识系统提供可靠的基础。TSN由IEEE 802.1 TSN任务组标准化 。
  SoC-e为火车和信令制造商提供了完整的IP内核和模块产品组合,以集成这些技术。从可能包括硬件和软件设计的统包项目到即插即用的网络模块。


  总结
  TSN的核心思维是提出了一个可互操作的系统,并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享,同时数据使用相同的语言进行解析,不仅可得,而且可用。SoC-e为客户的关键系统提供一种经过现场验证的TSN技术。目标设备从小型智能设备、基于CPU或PLC的少端口网络设备,再到新一代工厂的多端口工业交换机。此外,由于SoC-e工具包及其互操作性控制工程网版权所有,使其在促进该技术的成熟和传播方面正发挥着重要的作用,SoC-e提供了所有用于实现任何PTP设备的软硬件方案。

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