Una rete convergente per l’IoT Industriale

Una delle principali sfide legate all’implementazione dell’Internet delle Cose Industriale è la convergenza delle reti per l’Information Technology e per l’Operational Technology. Attualmente tali reti esistono in dominii separati. È possibile una comunicazione limitata in ciascuna direzione attraverso gateway dedicati. La convergenza di queste reti costituisce un elemento chiave abilitante dei sistemi cyberfisici, in cui i nodi interagiscono l’uno con l’altro attraverso l’IoT industriale. L’attuale architettura di controllo dell’automazione di fabbrica è gerarchica. Le applicazioni di programmazione delle risorse aziendali offrono al livello più alto una gestione integrata e l’automazione dei processi centrali dell’azienda, procedendo verso i sistemi di produzione che controllano il processo di fabbricazione. I sistemi di controllori logici programmabili eseguono le funzioni di automazione usando i dispositivi industriali connessi, come azionamenti elettrici, sensori o I/O che risiedono al livello più basso. La “piramide di automazione” mostra la grande quantità di dispositivi alla base e i computer ad alte prestazioni in cima. I diversi strati hanno requisiti di rete diversi; quelli superiori necessitano di una larghezza di banda elevata e di topologie di rete flessibili, quelli inferiori richiedono un comportamento deterministico e la capacità di trasportare i campioni in intervalli costanti, con piccole variazioni dei ritardi dei pacchetti. Questo porta alla presenza di più reti che operano fianco a fianco. Una rete convergente fornirà una risposta a diverse sfide.

Le Time sensitive networking 

Questo tipo di convergenza è fornito dalle reti Tsn (Time sensitive networking). Il Tsn è un insieme di sub-standard Ieee 802 i quali, quando vengono applicati, rendono possibile la comunicazione deterministica fra reti Ethernet, pur mantenendo i vantaggi della comunicazione in modalità best effort sulla stessa rete. Lo standard Tsn introduce diverse classi di traffico che condividono la stessa connessione. La configurazione di una rete Tsn riserva risorse per flussi con caratteristiche deterministiche nel tempo. Il protocollo Tsn consente di realizzare una rete comune che supporta più standard di comunicazione. Ciò introduce diversi miglioramenti rispetto alla tecnologia Ethernet standard. La comunicazione Ethernet standard non tiene conto del tempo: distribuisce i dati sull’intera banda della connessione con pacchetti organizzati in code secondo l’ordine di trasmissione. Lo standard Tsn consente di tenere conto delle temporizzazioni con un traffico pianificato e con offset configurati in intervalli ciclici. Ciò fa seguito a un programma che è distribuito da un controllore di configurazione di rete. Ulteriori funzionalità Tsn includono il filtraggio e la sorveglianza dei flussi Tsn, la ridondanza continua e il supporto alla trasmissione ciclica dei dati, fornendo anche al contempo i privilegi per i pacchetti ad alta priorità. La tecnologia Tsn è definita da un insieme di standard Ieee 802.1 che ne specificano l’implementazione.
Lo scorso settembre sono stati adottati quattro di questi standard, mentre gli altri sono ancora a livello di progetto. Questi standard sono implementati su Ethernet (Ieee 802.3 Strato Fisico) e supportano le topologie a stella, a catena, ad anello e mista e non sono limitati a una velocità specifica di trasmissione dati. Le applicazioni industriali ricorreranno principalmente a velocità di trasmissione dati di 100 Mbit e di 1 Gbit. Di conseguenza, lo standard Tsn assicura la convergenza fra le reti It e Ot. Questa convergenza riduce il costo di implementazione della rete, diminuendo il costo di gestione e di esercizio.

Implementazione di una rete Tsn

La corretta realizzazione di una rete Tsn richiede una soluzione in grado di assicurare una latenza ridotta e una risposta deterministica ai nodi terminali e ai nodi di collegamento della rete Tsn. Molte applicazioni risolvono questa sfida combinando un processore e un Fpga collegati attraverso una connessione ad alta velocità come PCIe. Questa soluzione a due chip aumenta lo spazio occupato su scheda, il consumo di potenza, il tempo e i costi di sviluppo, e impedisce lo sviluppo di una soluzione olistica integrata. Essendo il progetto segmentato su due dispositivi, ciò aumenta anche la complessità della verifica. Sempre più spesso, i fornitori di soluzioni IoT usano dispositivi Zynq-7000 interamente programmabili e MPSoC Zynq UltraScale+ di Xilinx per realizzare le proprie soluzioni. Questi dispositivi forniscono una combinazione di sistemi di elaborazione e di logica programmabile che consentono l’implementazione di applicazioni di acquisizione, controllo ed elaborazione attraverso l’uso ottimale dei PS e della PL grazie alla:

  • possibilità di interfacciare e controllare un’ampia varietà di sensori, attuatori, motori e altre interfacce;
  • capacità di effettuare elaborazioni complesse ai margini della rete, ad esempio per l’apprendimento automatico, la fusione dei sensori, l’elaborazione delle immagini e l’analisi in tempo reale;
  • scalabilità in merito al numero di interfacce di rete;
  • sicurezza e la possibilità di ottenere un dispositivo e un sistema che siano sicuri in termini di sicurezza dell’informazione, anti-manomissione e affidabilità.

Il supporto dell’interfacciamento any-to-any e la possibilità di combinare e accoppiare il sistema di elaborazione e la logica programmabile rende i dispositivi Zynq-7000 e gli MPSoC Zynq UltraScale+ ideali per implementare una rete Tsn accanto ad un’applicazione dell’utente. Il sottosistema LogiCore IP Tsn 1G/100M di Xilinx consiste in logica Fpga per unità Mac, Bridge Tsn e Endpoint Tsn. La progettazione di una rete Tsn con risorse di logica dedicate garantisce che il comportamento dei segnali di temporizzazione sia deterministico. Il software che gira nel sistema di elaborazione del SoC ha funzioni di sincronizzazione, inizializzazione e interfacciamento della rete con controllori per la configurazione di rete e per l’allocazione dei flussi. L’IP LogiCore è anche disponibile con uno switch L2 opzionale integrato sincronizzabile, che genera la topologia a catena o ad albero, richiesta in molte applicazioni industriali senza allocare un’altra porta a uno switch Tsn esterno. La ridondanza perfetta (P802.1CB) richiede anche la porta aggiuntiva. Il blocco IP completo può essere configurato dall’utente prima della sintesi per integrare o meno lo switch. Una volta istanziato, il core IP Tsn fornisce singole porte Axi Streaming per ciascuna classe di traffico. Sono supportati il traffico pianificato, il traffico riservato e il traffico best effort. Le porte Axi Streaming si connettono all’infrastruttura che è introdotta da Vivado Design Suite di Xilinx. Axi Lite è usato per la configurazione dei blocchi della rete Tsn. Xilinx fornisce un’implementazione pronta all’uso per scopi valutativi che include la possibilità di effettuare un accesso diretto alla memoria separatamente per ciascuna delle classi di traffico. Il sistema di valutazione può essere usato così com’è per valutare le interazioni fra i componenti di Xilinx e il loro comportamento in combinazione con apparecchi di fornitori terzi o con analizzatori di protocollo. La Fig. 3 mostra un diagramma a blocchi del sistema di valutazione. La logica programmabile è flessibile, e fornisce anche la possibilità di aggiornare il blocco di proprietà intellettuale in base all’evoluzione degli standard Tsn e dei test di conformità specifici per un segmento di mercato, mentre i dispositivi con implementazioni hardware fisse non sono provvisti dell’opzione che introduce modifiche funzionali nel corso dell’evoluzione della rete Tsn. Per dare dimostrazione del core IP Tsn in azione, Xilinx ha sviluppato un’applicazione dimostrativa per le scheda di sviluppo ZCU102 e ZC702, che include i dispositivi delle famiglie di MPSoC Zynq UltraScale+ e di SoC Zynq-7000. Quando due di queste schede sono connesse (Fig. 4), l’applicazione consente di trasmettere e di ricevere il traffico di rete, consentendo la validazione delle funzionalità di rete Tsn. Xilinx è membro del gruppo di lavoro Time Sensitive Networking presso l’Industrial Internet Consortium; la partecipazione a questo gruppo permette di effettuare prove di interoperabilità fra produttori diversi, oltre al test di applicazioni ad alte prestazioni e con latenza critica. Queste verifiche possono avvenire su uno dei due banchi di prova permanenti situati negli Usa e in Europa.

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