RETI PER L'AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
Anno accademico 2022/2023 - Docente: Lucia LO BELLORisultati di apprendimento attesi
Conoscenza e comprensione
Al completamento del corso, gli studenti avranno acquisito: Comprensione dei requisiti e delle caratteristiche peculiari delle reti di comunicazione impiegate nell'automazione industriale e nell'automotive; Comprensione delle problematiche relative alla progettazione e alla
valutazione di sistemi di comunicazione con vincoli real-time; Conoscenza dei principali standard di comunicazione utilizzati in ambito industriale ed automotive; Conoscenza dei protocolli di comunicazione wired e wireless a supporto dell'Industria 4.0; Conoscenza delle moderne architetture di rete a bordo veicolo e dei protocolli di comunicazione a supporto della guida autonoma.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Gli studenti saranno in grado di applicare le conoscenze da loro acquisite durante il corso alla scelta delle soluzioni di comunicazione più adatte alle esigenze delle applicazioni di automazione considerate. Saranno anche in grado di configurare correttamente i parametri relativi ai vari flussi di traffico da gestire (la priorità di trasmissione, la classe di traffico, la banda allocata, etc.). Inoltre, saranno in grado di realizzare modelli di simulazione per la valutazione delle prestazioni di reti usate nell'automazione industriale e nell'automotive.
Autonomia di giudizio
Gli studenti saranno in grado di valutare l'impatto delle varie tecnologie e dei vari protocolli sulle prestazioni delle reti per automazione industriale e per automotive. Tale capacità è affinata attraverso esercitazioni pratiche svolte durante il corso e lo svolgimento dell'elaborato da presentare all'esame.
Abilità comunicative
Gli studenti saranno in grado di esporre in modo chiaro e rigoroso le conoscenze acquisite e sapranno spiegare come applicarle alla valutazione delle diverse scelte progettuali nel design di reti per l’automazione industriale e per automotive. Gli studenti rafforzeranno il linguaggio tecnico tipico dell'ambiente delle reti real-time per l'automazione e l'automotive e saranno pertanto in grado di discutere efficacemente con i colleghi di lavoro le scelte progettuali relative a tali contesti.
Capacità di apprendimento
Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze sulle reti per l’automazione industriale e per l'automotive e sulle loro caratteristiche avanzate, attraverso l’approfondimento dei relativi standard tecnici e la lettura di articoli scientifici e tecnici su riviste specializzate.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Il corso è basato su lezioni frontali. Il corso include anche esercitazioni al calcolatore svolte dagli studenti sotto la guida e la supervisione della Docente ed alcune attività seminariali inerenti argomenti specifici.
La Docente mette a disposizione il materiale didattico delle lezioni in anticipo, caricandolo sul sito del corso su STUDIUM.
Nello svolgimento delle esercitazioni in aula e dell'elaborato da presentare all'esame gli studenti sono incoraggiati a organizzarsi in gruppi per affinare la capacità di lavorare in gruppo.
Le modalità di svolgimento dell'insegnamento appena descritte permettono il raggiungimento degli obiettivi formativi prefissati, che includono l’acquisizione di conoscenze e la capacità di applicare tali conoscenze.
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.
Prerequisiti richiesti
Conoscenza dei principi della comunicazione analogica e digitale. 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
Gli asterischi (*) indicano le competenze minime.
1. Caratteristiche real-time dei sistemi di automazione industriale. Vincoli temporali e scelte progettuali. Obiettivi prestazionali, metriche di valutazione. Modelli time-driven ed event-driven. Caratterizzazione dei flussi di traffico nei diversi tipi di sistemi di automazione.(*)
2. Schedulazione delle trasmissioni nelle reti real-time. Non adeguatezza delle soluzioni FIFO, Shortest Job First, Round Robin. Vincoli di precedenza e sulle risorse. Scheduling di flussi real-time periodici e aperiodici: Timeline scheduling, Rate Monotonic, Deadline monotonic, Earliest Deadline First. Test di schedulabilità.(*). Cenni su schedulazione non preemptive/con vincoli di precedenza/ibrida.
3. 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.(*)
4. Reti per applicazioni automotive. Domini funzionali e loro caratterizzazione. Tecnologie in uso: LIN, CAN/CAN FD/CAN XL, TTCAN, FlexRAY, MOST, Automotive Ethernet, IEEE Audio Video Bridging. (*)
5. Time-Sensitive Networking. (*)
6. Architettura di comunicazione nei sistemi di automazione. Fieldbus. PROFIBUS. (*)
7. Industrial Ethernet: lo Standard IEC 61784. Esempi di Communication Profile: MODBUS, POWERLINK, PROFINET, ETHERCAT. (*)
8. Sistemi wireless per applicazioni di automazione. Vantaggi e problemi aperti. Lo standard IEEE 802.11x e le sue varianti: caratteristiche e differenti aree applicative.
9. Industrial wireless sensor networks: lo standard WirelessHART.
10. Tecnologie abilitanti per l'Industrial IoT: Bluetooth Low Energy e LoRa nelle applicazioni di automazione industriale real-time.(*)
11. Il simulatore ad eventi discreti OMNeT++: installazione, configurazione, uso e sviluppo di modelli di reti di automazione. (*)
La parte applicativa del corso sarà dedicata alla valutazione di protocolli mediante l’ambiente di simulazione OMNeT++.
Testi di riferimento
Il materiale didattico fornito dalla Docente verrà inserito su Studium (www.studium.it).
Testi di riferimento per eventuali approfondimenti:
-Industrial Communication Technology Handbook, 2nd Edition, CRC Press LLC, USA, ISBN : 978-1-4822-0733-0, 2014.
-K. Matheus, T. Konigseder, "Automotive Ethernet", Cambridge University Press, 2015.
-G. Buttazzo, Sistemi in Tempo Reale, disponibile in Italiano (Pitagora Editrice, 2006) e in inglese (Hard Real-Time Computing Systems, Springer, 2011).
Autore | Titolo | Editore | Anno | ISBN |
---|---|---|---|---|
RZurawski | Industrial Communication Technology Handbook, 2nd Edition | CRC Press LLC, USA | 2014 | 978-1-4822-0733-0 |
K. Matheus, T. Konigseder | Automotive Ethernet | Cambridge University Press | 2015 | 9781107057289 |
G. Buttazzo | Sistemi in Tempo Reale | Pitagora Editrice | 2006 | 8837116403 |
Programmazione del corso
Argomenti | Riferimenti testi | |
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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. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
2 | Schedulazione 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. |
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.Cenni su schedulazione non preemptive/con vincoli di precedenza/ibrida. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
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. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
5 | Reti per applicazioni automotive. Domini funzionali e loro caratterizzazione in termini di vincoli sul traffico. Protocolli CAN/CAN-FD/CAN XL, TTCAN, FlexRAY. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
6 | LIN. MOST. Automotive Ethernet. Lo standard IEEE 802.1Q. IEEE Audio Video Bridging. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
7 | La famiglia di standard IEEE 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. |
8 | Controller Area Network (CAN) nelle reti di automazione. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
9 | 7. Architettura di comunicazione nei sistemi di automazione.I Fieldbus. PROFIBUS. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
10 | Industrial 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 scaricabili dal sito del corso. |
11 | Modbus. Powerlink. Profinet. EtherCAT. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
12 | Sistemi wireless per applicazioni di automazione. Vantaggi e problemi aperti. Cenni sullo standard IEEE802.11x e le sue varianti per applicazioni real-time. Industrial wireless sensor networks: lo standard WirelessHART. La tecnologia LoRa e Bluetooth Low Energy per le applicazioni industriali real-time | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
13 | Il simulatore ad eventi discreti OMNeT++. Installazione, configurazione, uso. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
14 | Sviluppo di modelli di reti di automazione con OMNeT++. | Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. |
15 | Sviluppo di semplici applicazioni embedded per sistemi automotive. | Materiale scaricabili dal sito del corso |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
L'esame consiste nella realizzazione di un elaborato di corso leggero e assistito dalla Docente e in una prova orale. L'elaborato è basato sulla valutazione delle prestazioni di un protocollo di comunicazione per applicazioni industriali in ambiente OMNeT++. La prova orale è una serie di domande sugli argomenti trattati durante il corso. E' prevista anche la possibilità di svolgere un ulteriore elaborato opzionale per approfondire argomenti specifici.
La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
- Tipi di traffico tipici delle reti industriali e loro requisiti.
- Descrizione del protocollo CAN e delle sue varie versioni, con riferimento ai relativi ambiti applicativi.
- Caratterizzazione dei domini funzionali in automotive e dei protocolli di rete in essi utilizzati.
- Descrizione e confronto dei vari communication profile di Industrial Ethernet.
- La famiglia di standard Time-Sensitive Networking e il loro uso a bordo auto per veicoli a guida autonoma.