TECNOLOGIE WIRELESS PER L AUTOMAZIONE

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1 Istituto di Elettronica e di Ingegneria dell'informazione e delle Telecomunicazioni - CNR Claudio Zunino (claudio.zunino@polito.it) TECNOLOGIE WIRELESS PER L AUTOMAZIONE

2 Sommario Il gruppo di ricerca I case study Le competenze Le tecnologie Claudio Zunino 2/54

3 Il Gruppo CE&NG Claudio Zunino 3/54

4 Il gruppo di ricerca Il gruppo inizia la sua attività a partire dagli anni 80 Agli inizi le competenze erano focalizzate sulle reti locali e sui protocolli di comunicazione Oggi le principali aree di ricerca riguardano l ingegneria informatica e le reti di comunicazione Claudio Zunino 4/54

5 Il gruppo di ricerca Sistemi di comunicazione industriali Fieldbus, Industrial Ethernet e reti wireless Tecniche e strumenti per la sicurezza delle reti di comunicazione Tecniche di analisi formali e s/w tool automatici Sistemi operativi real-time e sistemi embedded Soluzioni software e sistemi di controllo distribuiti Claudio Zunino 5/54

6 Il gruppo di ricerca 2 dirigenti di ricerca 2 ricercatori senior 2 ricercatori 5 assegnisti di ricerca 4 universitari associati Laboratorio I 2 LAB Reti industriali real-time e per la safety Reti wireless per applicazioni industriali Sistemi embedded Tool per l analisi e il progetto di reti industriali sicure Claudio Zunino 6/54

7 Alcuni partner industriali Claudio Zunino 7/54

8 Alcuni partner accademici Claudio Zunino 8/54

9 Per ulteriori informazioni Web: Info: Claudio Zunino 9/54

10 Reti Wireless Le reti wireless sono ormai una tecnologia presente ovunque nel settore civile: Abitazioni Uffici Aree pubbliche (aeroporti,centri commerciali, ) L obiettivo è diffonderne l introduzione anche in applicazioni industriali Per il controllo di processo Per la manutenzione Per il monitoraggio e/o la diagnostica remoti Per le comunicazioni con dispositivi in movimento Ovunque sia conveniente (e possibile) eliminare comunicazioni cablate Claudio Zunino 10/54

11 Vantaggi Assenza di guasti del mezzo trasmissivo Esclusione di onerose installazioni di cavi Installazione e manutenzione semplificata Maggiore flessibilità nel posizionamento di eventuali nodi fissi Mobilità e scalabilità Claudio Zunino 11/54

12 Svantaggi Alimentazione dei nodi (non sostituibile, per esempio, dal cavo dati come nel PoE) Problemi con possibili interferenze Problemi di sicurezza Claudio Zunino 12/54

13 Peculiarità degli ambienti industriali Presenza di sorgenti di disturbo e/o ambienti ostili Comunicazioni Real-time Jitter contenuti Latenze limitate e predicibili Comunicazioni che devono garantire Safety Fault tolerance Problemi di security Claudio Zunino 13/54

14 Tipologie di traffico in ambito industriale Traffico ciclico Dati di processo con requisiti real-time Traffico aciclico (event-driven) Notifiche spontanee e allarmi (errori/guasti) Traffico di parametrizzazione Internet/intranet-like (senza requisiti real-time) Focus su latenze/jitter Claudio Zunino 14/54

15 Case study Valutazione di prestazioni di reti wireless per applicazioni industriali Estensioni wireless di reti Ethernet POWERLINK Sviluppo di un sistema di visione industriale wireless Claudio Zunino 15/54

16 Sistemi di misura di prestazioni a basso costo AP Background traffic generator Param. STA_T STA_G Param. log STA_R STA_A log Measurement tool g WLAN Network analyzer (WireShark) Claudio Zunino 16/54

17 Utilizzo dello standard e (QoS) Standard che introduce diverse categorie di traffico con priorità per comunicazioni multimediali In ordine di priorità Voice Video Best Effort Background Claudio Zunino 17/54

18 Utilizzo dello standard e (QoS) Fare il mapping tra le tipologie di traffico industriale (di processo, allarmi, parametrizzazione) sul meccanismo QoS delle reti e Nello specifico Traffico aciclico urgente sulla categoria Voice (VO) Traffico ciclico categoria Best Effort (BE) Traffico di parametrizzazione sulla categoria Background Claudio Zunino 18/54

19 Analisi dei fattori che influenzano le latenze Ritardi nei dispositivi Schede di rete Access point Interferenze da traffico sullo stesso canale da traffico su canali adiacenti Uso di tool di simulazione per valutare diverse componenti delle latenze Claudio Zunino 19/54

20 Componenti delle latenze Sorgente Access point Destinazione Coda Coda Accesso al mezzo Tempo di volo Accesso al mezzo Tempo di volo Eventuali ritrasmissioni Eventuali ritrasmissioni Claudio Zunino 20/54

21 Response time (µs) Alcuni risultati T volo R AP MA AP Q AP T volo R sorgente MA sorgente Q sorgente Inter. 20% Inter. 30% Inter. 40% 500 Inter. 10% 0 10% 20% 30% 10% 20% 30% 10% 20% 30% 10% 20% 30% Aciclico urgente (VO) Claudio Zunino 21/54

22 Response time (µs) Alcuni risultati T volo R AP MA AP Q AP T volo R sorgente MA sorgente Q sorgente E C E 500 E C C 0 10% 10% 20% 20% 30% 40% Ciclico alta priorità Inter. Claudio Zunino 22/54

23 Case study Valutazione di prestazioni di reti wireless per applicazioni industriali Estensioni wireless di reti Ethernet POWERLINK Sviluppo di un sistema di visione industriale wireless Claudio Zunino 23/54

24 Ethernet POWERLINK Protocollo di tipo Real-Time Ethernet sviluppato da B&R Basato su un meccanismo TDMA Il managing node (MN) interroga in polling tutti i controlled node (CN) Alla fine del ciclo di polling è disponibile anche un periodo di tempo per gli scambi aciclici Claudio Zunino 24/54

25 Estensioni wireless Sono state realizzate due diverse estensioni wireless del protocollo Livello Data link, tramite l uso di un bridge Realizzazione di Wireless Controlled Nodes (WCNs) Lo scambio dati avviene in modo trasparente Livello Applicazione Tramite un gateway che si occupa del polling dei nodi wireless (ciclo indipendente da quello POWERLINK) Claudio Zunino 25/54

26 Estensione a livello Data Link Managing Node WCN #1 Ethernet SWITCH Ethernet/WLAN BRIDGE IEEE WLAN WCN #L CN #1 CN #M Claudio Zunino 26/54

27 EPL Interface Software Application WLAN Interface Estensione a livello applicazione EPL Cycle GATEWAY Wireless Cycle EPL Network IEEE WLAN Claudio Zunino 27/54

28 Alcuni scenari analizzati Rete con 8 CN cablati e 3 WCN (con priorità) Oltre ad un analisi teorica ipotizzando condizioni ideali, è stato studiato anche il caso in cui ci sia interferenza da parte di altre stazioni Canale di comunicazione con errori Claudio Zunino 28/54

29 Alcuni risultati (Data Link) Il parametro considerato è il tempo medio di ciclo della fase di polling (ciclo isocrono) Tempo ciclo per 11 nodi cablati ~240 µs (100 Mb/s) Canale wireless (54 Mb/s) ideale: 1189 µs µs (no priorità) con interferenza (20%): 1316 µs con errori (PER 10%): 1369 µs con interferenza-errori: 1516 µs Claudio Zunino 29/54

30 Alcuni risultati (livello applicazione) Il parametro considerato è il delivery time tempo necessario per la consegna di un dato da un nodo sorgente ad un nodo destinazione (da livello applicazione a livello applicazione) Tempo di polling wireless 6 ms Canale ideale: 3,94 ms Canale con interferenza: 3,97 ms Tempo di polling minimo 750 µs Canale ideale: 1,48 ms Canale con interferenza: 1,94 ms Claudio Zunino 30/54

31 Rete prototipale Managing Node (B&R CP 1484) Hub Access Point B&R I/O module Claudio Zunino Access Point Wireless Controlled Node 31/54

32 Case study Valutazione di prestazioni di reti wireless per applicazioni industriali Estensioni wireless di reti Ethernet POWERLINK Sviluppo di un sistema di visione industriale wireless Claudio Zunino 32/54

33 Traffico generato da camere Caratterizzazione del traffico in rete generato da sistemi di visione industriali Camera non intelligente 1034x779 pixel per 30 frame/sec Smart camera 640x480 pixel Claudio Zunino 33/54

34 Simulazione con reti g Valutazione delle possibilità di uso di reti g con priorità per la trasmissione dei frame della camera non intelligente Risultati (54Mb/s): Rete g senza priorità: 4 frame al secondo Rete e con priorità: 5 frame al secondo (con vantaggi anche in caso di trasmissioni interferenti) Claudio Zunino 34/54

35 Work in Progress Bridge WiFi Bridge WiFi Fieldbus A B PC PLC Claudio Zunino 35/54

36 Competenze e strumenti Sperimentazione e sviluppo Tool di simulazione Modelli analitici Claudio Zunino 36/54

37 Sperimentazione e sviluppo Prototipazione Claudio Zunino 37/54

38 Sperimentazione e sviluppo Misurazione Claudio Zunino 38/54

39 Sperimentazione e sviluppo Caratterizzazione Valutazione Claudio Zunino 39/54

40 Competenze e strumenti Sperimentazione e sviluppo Tool di simulazione Modelli analitici Claudio Zunino 40/54

41 Simulazione Identificazione di requisiti Test di sistemi prima di investire sulle strutture Progetto: analisi di sistemi in fase di studio Confronto tra due o più sistemi Prestazioni: predire il comportamento del sistema nel futuro Criticità: determinare i punti critici (bottleneck) Diagnosi di problemi Claudio Zunino 41/54

42 Tool di simulazione NS2 è un tool di simulazione ad eventi discreti per le reti a pacchetto ampiamente utilizzato in ambito scientifico e universitario Il software è open source e multipiattaforma, E possibile simulare molte tipologie di reti IP LAN e WAN grazie all implementazione di: Protocolli di rete (MAC, routing, trasporto) Modelli di sorgenti di traffico (es. CBR, FTP) Meccanismi di gestione delle code (es. FIFO, RED) Claudio Zunino 42/54

43 Tool di simulazione NS3 è un nuovo tool di simulazione, scritto quasi da zero Alcuni moduli (es wifi.) sono stati portati da NS2 a NS3, ma non è un evoluzione di NS2. Progetto iniziato a metà del Prima release ottobre 2008 In fase di sviluppo, ma disponibili moduli s Una nuova release ogni 3-4 mesi Claudio Zunino 43/54

44 Tool di simulazione OPNET è un tool di simulazione ad eventi discreti commerciale Ampia libreria di modelli, completamente modificabili dall utente Controllo fine su parametri della simulazione e dei singoli componenti di una rete L interfaccia è grafica Claudio Zunino 44/54

45 Tool chain di OPNET Claudio Zunino 45/54

46 OPNET Claudio Zunino 46/54

47 Competenze e strumenti Sperimentazione su sistemi reali Tool di simulazione Modelli analitici Claudio Zunino 47/54

48 Modelli analitici Necessari per validare le simulazioni In sostituzione di simulazioni troppo onerose In termini di tempo e/o di risorse di calcolo Si devono identificare le caratteristiche principali da descrivere successivamente in termini matematici Si introducono comunque semplificazioni di cui bisogna tenere conto (come per le approssimazioni di tipo statistico introdotte dalle simulazioni) Claudio Zunino 48/54

49 Alcune tecnologie wireless di recente interesse Bluetooth WIFI Zigbee Wireless HART ISA Claudio Zunino 49/54

50 Bluetooth Protocollo point-to-point basato sullo standard IEEE Esempi di uso in ambito industriale Comunicazione con un dispositivo su un braccio robotico Comunicazione tra dispositivi handheld e PLC ProfiBUS ne suggerisce l uso per alcune comunicazioni wireless di processo Claudio Zunino 50/54

51 IEEE (WiFi) Tipicamente usata in ambito office/home Buona velocità di trasferimento dati ( 54Mb/s) Minimo investimento: molti prodotti disponibili Consumo di potenza non trascurabile e: traffico con priorità n: notevole incremento di banda disponibile s: evoluzione mesh Claudio Zunino 51/54

52 Wireless Sensor Networks Reti con nodi interconnessi con topologia mesh Basse potenze e data rate non elevati Zigbee Protocollo ad alto livello basato su IEEE Più semplice ed economica di Bluetooth WirelessHART Estensione wireless del protocollo HART Meccanismo TDMA e channel hopping su ISA Standard della International Society of Automation per le comunicazioni wireless Claudio Zunino 52/54

53 Conclusioni Il wireless può essere usato con profitto anche in applicazioni industriali Servono know-how e expertize per Valutazione Simulazione Misurazione nelle fasi di progetto, sviluppo, deployment e gestione della rete Il gruppo CE&NG è in grado di fornire supporto tecnico/scientifico per progetti, casi di studio e realizzazioni Claudio Zunino 53/54

54 Grazie per l attenzione! Claudio Zunino 54/54