TSN revoluciona el concepto de tiempo

Time Sensitive Networking (TSN) ya es un emblema en automatización industrial. Representa una tecnología clave para que IIoT (Industrial Internet of Things) pueda convertirse en una realidad palpable y ayudar a Ethernet industrial a garantizar comunicaciones confiables y predecibles en el tiempo. El primer paso para lograrlo es la implementación de un sistema sincronizado.

En sus comienzos, TSN fue desarrollado por IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) como una serie de estándares técnicos abiertos para AVB (Audio Video Bridging) en sistemas audio-visuales profesionales. El resultado fue una tecnología para Enlace de Datos – Capa 2 de ISO/OSI (International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection) regulada por los estándares IEEE 802.1.

Al ofrecer mensajería determinística en tiempo real, IEEE 802.1 extendió rápidamente su alcance a otros campos, en particular redes de control dentro de los sectores automotriz y de manufactura, donde es fundamental garantizar que se puedan recibir datos cíclicos de tiempo crítico dentro de determinados intervalos de tiempo.

 

 

Sincronización de dispositivos en TSN

A fin de lograr determinismo con una baja latencia adicionada en redes de Ethernet industrial, es necesario tener en cuenta un aspecto clave: la sincronización de tiempo. Esta característica es necesaria para mantener una elevada precisión en sistemas distribuidos, ya que, de esta forma, los dispositivos de la red podrán ejecutar las operaciones requeridas al unísono, en el punto correcto en tiempo e independientemente de donde ocurren las acciones.

Además, cuando todos los componentes comparten un mismo concepto de tiempo, por ejemplo un reloj universal, es posible realizar un análisis exacto para determinar cuándo ocurrió un evento en una máquina específica, el intervalo de tiempo entre dos eventos que ocurrieron en distintos componentes de la misma red, o el ordenamiento relativo de eventos que tuvieron lugar en distintos dispositivos.

Para lograr la sincronización de la red, TSN establece un sistema de reloj único mediante un protocolo PTP (Precision Time Protocol) maestro-esclavo, según lo especificado por el estándar aprobado IEEE 802.1AS - ‘Temporización y Sincronización para Aplicaciones Sensibles al Tiempo’ e IEEE 1588 – ‘Estándar para un Protocolo de Sincronización de Reloj de Precisión en Sistemas de Medición y Control Conectados en Red’. De acuerdo a estos protocolos, un maestro de reloj de red, conocido como ‘Gran maestro’, envía información de tiempo como paquetes Ethernet a cada nodo, o ‘Sistema Consciente del Tiempo’, dentro de la red.

Algunos tipos de mensajes de tiempo se usan para comunicar información relativa al tiempo que se necesita para sincronizar relojes a través de la red o para medir retardos a través del medio de comunicación a fin de reducir su efecto. Además, se pueden establecer funciones adicionales para elaborar una jerarquía de reloj y seleccionar grandes maestros, como así también para configurar, monitorear y mantener un sistema basado en PTP.

De esta manera, todos los relojes de tiempo real en los nodos pueden ser sincronizados con una exactitud de 1μs o menos, lo que también sirve para las más exigentes aplicaciones de control de movimiento, cuyos tiempos de ciclo pueden llegar muy cortos, de tan sólo unos pocos μs. Además, si ocurre un error, es posible chequear los registros de operación y seguir cronológicamente y con claridad cuáles eventos causaron el problema. Como resultado, los operadores pueden proceder a la identificación del error y tareas de recuperación de una manera más rápida y más fácil, recortando paradas no planificadas y sus costos asociados.

A la inversa, no hay reloj global alguno ni comprensión compartida de tiempo en las redes Ethernet tradicionales. De hecho, cada dispositivo tiene su propio reloj interno, o sea su propia noción de tiempo. En consecuencia, los errores se pueden acumular con el tiempo, originando derivas que pueden sacar los procesadores de sincronización.

Más que sincronización

Una sincronización de tiempo confiable entre todos los dispositivos de una red consciente del tiempo es la base para todas las demás funciones clave de TSN. En particular, IEEE 802.1AS propone un mecanismos robusto que soporta el estándar IEEE 802.1Qbv – ‘Mejoras para un Tráfico Programado’, que define de qué manera se pueden programar las colas de tráfico de datos y priorizar la entrega a tiempo de las tramas de tiempo crítico.

Este proceso se basa en el uso de TASs (Time-Aware Shapers) que chequean el campo de prioridad de tags de VLAN de cada trama y asignan el mensaje a la cola de prioridad adecuada, tal como estaba definido en un programa. La transmisión de datos en cada cola se ejecuta durante ventanas de tiempo programadas, mientras se bloquea la transmisión de las otras colas.

De esta manera, el TAS garantiza la protección de los mensajes críticos contra una posible interferencia del tráfico acíclico, evitando así retardos o fallas en la entrega de mensajes de tiempo crítico que pueden interrumpir una aplicación o incluso todo el proceso de producción. Aún más, es posible optimizar los tiempos de ciclo de comunicación, ya que se pueden transmitir simultáneamente distintas tramas con prioridades similares. Como resultado, los TASs y programas fijos de tráfico superan el método tradicional CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection), utilizado por Ethernet convencional, que entorpecía el determinismo.

 

Un ejemplo de implementación de TSN

Nos referimos a CC-Link IE TSN, una tecnología basada en las Capas 3 a 7 ISO/OSI que es adoptadas por los estándares IEEE 802.1AS e IEEE 802.1Qbv Capa 2 antes mencionados.

CC-Link IE TSN optimiza lo que ofrece CC-Link IE, el primer Ethernet industrial gigabit abierto en el mundo, mejorando las funciones de comunicación y la exactitud de la sincronización. Por ejemplo, se pueden alcanzar tiempos de ciclo de incluso 31,25 μs mientras ofrece un manejo sin problemas del tráfico acíclico gracias a su ancho de banda de gigabit. En consecuencia, se consigue un canal con una óptima comunicación común para el tráfico acíclico y el tráfico de control en tiempo real, todo dentro del marco de Industrie 4.0.

 

Preparado en base a una presentación de John Browett, gerente general de CLPA Europa.

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