RETI PER L'AUTOMAZIONE INDUSTRIALE

Anno accademico 2019/2020 - 1° anno
Docente: Lucia LO BELLO
Crediti: 9
SSD: ING-INF/05 - Sistemi di elaborazione delle informazioni
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 146 di studio individuale, 49 di lezione frontale, 30 di esercitazione
Semestre:
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Obiettivi formativi

Obiettivo del corso è fornire agli studenti la comprensione delle problematiche di comunicazione nei sistemi di automazione e la conoscenza delle tecnologie e degli strumenti per la realizzazione di soluzioni di comunicazione in vari ambiti applicativi. In particolare, verranno affrontate le problematiche relative alla progettazione e valutazione di sistemi di comunicazione con vincoli real-time e di sistemi basati su reti wired e wireless, in vari ambiti applicativi (es. industrial, automotive).

Gli studenti saranno in grado sia di realizzare modelli di simulazione per la valutazione delle prestazioni di reti wired e wireless usate in automazione sia di implementare nodi di reti di sensori wireless per automazione su dispositivi hardware.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali. Esercitazioni.


Prerequisiti richiesti

Conoscenza dei principi della comunicazione elettrica. Conoscenza dei concetti base delle computer network e del modello di riferimento ISO-OSI e TCP/IP.

Conoscenza delle problematiche di base dei sistemi di controllo automatico.


Frequenza lezioni

La frequenza non è obbligatoria, ma è fortemente consigliata.


Contenuti del corso

  1. Caratteristiche real-time dei sistemi di automazione industriale. Vincoli temporali dei vari processi e scelte progettuali. Obiettivi prestazionali, metriche di valutazione. Modelli time-driven ed event-driven. Caratterizzazione dei vincoli di comunicazione.Confronto delle principali tipologie.(*)
  2. Schedulazione delle trasmissioni nelle reti real-time. Non adeguatezza delle soluzioni FIFO, Shortest Job First, Round Robin. Vincoli di precedenza e sulle risorse.(*)
  3. Algoritmi di schedulazione del traffico per flussi real-time aperiodici e periodici: Timeline scheduling, Rate Monotonic, Deadline monotonic, Earliest Deadline First. Test di schedulabilità.(*)
  4. Il data link layer delle reti per automazione industriale. Indirizzamento. Panoramica sugli aspetti distintivi dei MAC protocol Master/Slave,Token passing,TDMA,CSMA,CSMA/CD, CSMA/BA.(*)
  5. Reti per applicazioni automotive. Domini funzionali e loro caratterizzazione. Tecnologie in uso: LIN, CAN/CAN FD, FlexRAY, MOST, IEEE Audio Video Bridging. (*)
  6. Time-Sensitive Networking. (*)
  7. Principali Fieldbus: PROFIBUS, HART.(*)
  8. Industrial Ethernet: lo Standard IEC 61784. (*) Esempi di Communication Profile: MODBUS, POWERLINK, PROFINET (*). ETHERCAT.
  9. Sistemi wireless per applicazioni di automazione. (*)
  10. Supporto al traffico real-time offerto dallo standard IEEE 802.15.4. Le estensioni TSCH, DSME.
  11. Tecnologie abilitanti per l'Industrial IoT: Bluetooth Low Energy nelle applicazione di automazione industriale, LoRa.
  12. Smart factory e Industria 4.0. Visione d'insieme e tecnologie di comunicazione abilitanti.

Gli asterischi indicano le competenze minime.

La parte applicativa del corso sarà dedicata alla valutazione di protocolli mediante l’ambiente di simulazione OMNeT++ ed alla realizzazione di nodi per reti di sensori wireless per automazione utilizzando componenti hardware messi a disposizione dalla Docente.


Testi di riferimento

Testo di riferimento per eventuali approfondimenti

Industrial Communication Technology Handbook, 2nd Edition, CRC Press LLC, USA, ISBN : 978-1-4822-0733-0, 2014.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Caratteristiche real-time dei sistemi di automazione industriale. Vincoli temporali dei vari processi e scelte progettuali. Obiettivi prestazionali, metriche di valutazione. Modelli time-driven ed event-driven. Caratterizzazione dei vincoli di comunicazione. Confronto delle principali tipologie.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
2Schedulazione delle trasmissioni nelle reti real-time. Non adeguatezza delle soluzioni FIFO, Shortest Job First, Round Robin. Vincoli di precedenza e sulle risorse.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
3Algoritmi di schedulazione del traffico per flussi real-time aperiodici e periodici: Timeline scheduling, Rate Monotonic, Deadline monotonic, Earliest Deadline First. Test di schedulabilità.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
4Il data link layer delle reti per automazione industriale. Indirizzamento. Panoramica sugli aspetti distintivi dei MAC protocol Master/Slave,Token passing,TDMA,CSMA,CSMA/CD, CSMA/BA. 
5Reti per applicazioni automotive. Domini funzionali e loro caratterizzazione in termini di vincoli sul traffico. CAN/CAN-FD. TTCAN. FLEXRAY.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
6LIN. MOST. Automotive Ethernet. IEEE Audio Video Bridging. Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
7IEEE Time-Sensitive Networking. Panoramica sugli standard IEEE per Real-time Ethernet in automation ed automotive.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
8Controller Area Network (CAN) nelle reti di automazione.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
9I Fieldbus. PROFIBUS, HART.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
10Industrial Ethernet e lo Standard IEC 61784. Communication Profile e relativi performance indicator. Implementazioni di Industrial Ethernet on top of TCP/UDP, on top of Ethernet e Modified Ethernet.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
11Modbus, Powerlink, Profinet, EtherCAT.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
12Sistemi wireless per applicazioni di automazione. Vantaggi e problemi aperti. Lo standard IEEE802.11x e le sue varianti: caratteristiche e differenti aree applicative. Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
13Industrial wireless sensor networks: Supporto al traffico real-time di automazione offerto dallo standard IEEE 802.15.4: TSCH, DSME.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
14Bluetooth Low Energy nelle applicazioni di automazione. Cenni sulla tecnologia LoRa.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
15Smart factory e Industria 4.0. Visione d'insieme e tecnologie di comunicazione abilitanti.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
16Il simulatore ad eventi discreti OMNeT++. Installazione, configurazione, uso.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
17Sviluppo di modelli di reti di automazione con OMNeT++.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
18Programmazione di moduli di comunicazione per la realizzazione di nodi di reti wireless per automazione industriale su microprocessori commerciali.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consiste nella realizzazione di due elaborati di corso leggeri e assistiti dalla Docente e in una prova orale. Il primo elaborato è basato sulla valutazione di prestazioni di un protocollo di comunicazione per applicazioni industriali in ambiente OMNeT++. Il secondo elaborato è l'implementazione di un nodo di una wireless sensor network con hardware fornito dal Docente. La prova orale è una serie di domande sugli argomenti trattati durante il corso.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

- Caratterizzazione del traffico nelle reti industriali.

- Caratteristiche di uno specifico protocollo di rete (es. Profibus, CAN, FlexRAY,…) ed ambiti applicativi.

- Vantaggi e svantaggi delle reti wireless nell'ambito dell'automazione industriale.

- Confronti tra le caratteristiche real-time dei vari protocolli trattati nei domini industriale ed automotive.