Reti Wireless per Applicazioni Industriali S. Vitturi: cpv 14_06_06 Sommario Generalità sulle reti...

IEIIT-CNR S. Vitturi: cpv 14_06_06

Reti Wireless per Applicazioni Industriali

S. VitturiConsiglio Nazionale delle Ricerche

IEIIT-CNR, Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Padova

Via Gradenigo 6/B, 35131 Padova, Italye-mail: [email protected]


SommarioGeneralità sulle reti di comunicazione industrialiProtocolli deterministici e real-timeUso di reti wireless in ambienti industrialiRadio FieldbusWLAN: IEEE 802.11WPAN:

IEEE 802.15.3IEEE 802.15.4Bluetooth

Attività di ricerca


IInndduussttrryy DDaayy

Giornata di studio sulle

Comunicazioni per l’Automazione

27 giugno 2006 Centro Congressi Torino Incontra

Torino, Via Nino Costa 8

8:15 Registrazione dei partecipanti 9:30 Apertura dei lavori

A. Valenzano – IEIIT-CNR 10.00 Design of modern industrial networks:

the Current Trends T. Schramm – Hirschmann (Germany)

10.30 Real-time Ethernet protocol for connection of distributed IO R. Ragnoli – Gefran (Italy)

11:00 Coffee break 11:30 Drive contol via Ethernet IP using CIP

motion and CIP sync profile extensions R. Hirschinger – Rockwell Automation (USA)

12.00 A Profinet IO application implemented on Wireless LAN G. Santandrea – Siemens (Italy)

12:30 Pranzo 14:00 Using Ethernet for real-time

communication in a nuclear fusion experiment G. Manduchi – Consorzio RFX (Italy)

14:30 Integrating Automation – information technology vs. automation needs U. Topp – ABB corporate research (Germany)

15:00 Coffee break 15:30 Device Networking: Introduction,

Overview, Realization and Outlook H. Kreidl – Freescale (Germany)

16:00 The Four “R”s of Reliability: Market and application importance of reliability and standards N. Backer – Sensicast (England)

16.30 Public Discussion: Future trends in factory communication systems

17.30 Fine dei lavori 19:00 Welcome Reception

Tutte le informazioni sul sito:

http://wfcs2006.ieiit.cnr.it/


Gerarchia dei Sistemi di Comunicazione Industriali

Sensor

Device Controller # 1

SensorActuator

Actuator

Device Controller # 2

Device Controller # n

Cell Controller # 1

DeviceLevel

CellLevel

PlantLevel

Sensor

Management OfficesStorehouse

LAN or FieldbusLAN or Fieldbus

Cell Controller # m

Internet/Intranet

GatewayGateway

Fieldbus Fieldbus Fieldbus

Gateway Gateway Gateway


Collegamento a Livello DispositivoTrasferimento di limitate quantità di dati Tempi di trasferimento potenzialmente criticiTraffico periodico

Acquisizione/Aggiornamento ciclico di variabili anche con periodi diversi (Determinismo)

Traffico aperiodicoAcquisizione di allarmi in tempi non superiori a limiti prefissati (Real-Time)

Implementato con protocolli del livello applicazioneAccesso ai servizi di comunicazione di tipo:

master-slaveproduttore-consumatore


Tipico Profilo di Comunicazione

Physical Layer

Data Link Layer

Livelli 3-6 Vuoti

Application Layer

Presentation

Session

Transport

Network

Application

Data Link

Physical

Modello ISO/OSI

1

2

3

4

5

6

7


Protocollo Master-Slave

Slave #1 Slave #2 Slave #n

Master

message

carry

ing outp

ut dat

a

respon

se mess

age c

arrying

input

data

Fieldbus


Protocollo Produttore-Consumatore

var. A Producer var. B Consumer

Var. B Producer

Scheduler var. A Consumer var. B Consumer Request of

producing variable A

The scheduler issues the request of producing variable A and the request is received by all the stations

The variable A producer sends its value on the fieldbus and the consumer acquires it


Var. B Producer

Scheduler var. A Consumer var. B Consumer

Production of variable A


Var. B Producer

Scheduler var. A Consumer var. B Consumer Request of

producing variable B

The scheduler issues the request of producing variable B and the request is received by all the stations

The variable B producer sends its value on the fieldbus and the consumers acquire it


Var. B Producer

Scheduler var. A Consumer var. B Consumer

Production of variable B

Production of variable A

Production of variable B


Tipi di collegamento cablato

Sensore/AttuatoreSensore/Attuatore

Rete di Campo

Interfaccia

Controllore didispositivo


Rete di Campo

MorsettieraElettronica

Segnalidi I/O

Interfaccia



Perché passare a collegamenti wireless

NecessitàComponenti mobili da collegare alla rete

CarrelliGruDispositivi di configurazione portatili

Componenti senza contattiScelta

Possibilità di eliminare tutti i cablaggi


Collegamenti wireless


MorsettieraElettronica

Segnalidi I/O

Interfaccia


Sensore/AttuatoreSensore/AttuatoreInterfaccia



Fonti di Disturbi

Ambienti industriali possono essere caratterizzati da notevoli disturbi di tipo elettromagneticoPossibile presenza di ostacoli fisici alla propagazione dei segnaliInterferenze tra sistemi diversi


Bit Error RateSistemi di comunicazione cablati operanti in ambienti industriali possono avere BER elevatiIl problema è ancora più evidente per sistemi wirelessRitrasmissioni dei messaggi Ripercussioni su:

Periodo di acquisizione/aggiornamento delle variabili cicliche (jitter)Tempi di acquisizione delle variabili acicliche (latenza degli allarmi)


Profibus DP: Probabilità di re_polling vs BER

1 E-05

1 E-04

1 E-03

1 E-02

1 E-01

1 E+00

0 20 40 60 80 100 120

Number of slaves

PRC

BER 1E-04BER 1E-05BER 1E-06BER 1E-07


Applicazioni Industriali di Reti Wireless

Wireless local Area Networks (WLAN)IEEE 802.11 a/b/g

Wireless Personal Area Networks (WPAN)BluetoothIEEE 802.15.4IEEE 802.15.3

Wireless Sensor Networks (WSN)


RFieldbus

High Performance Wireless Fieldbus In Industrial Related Multi-Media EnvironmentProgetto sviluppato nell’ambito del V FP della Comunità EuropeaDurata 3 anni: 2000-2002


RFieldbus: Partners


RFieldbus: ObiettiviDefinizione e validazione di tecnologie radio per applicazioni industrialiSostituzione di collegamenti cablati con collegamenti wireless di affidabilità simileProgetto di un sistema di comunicazione wireless completoIntroduzione di funzionalità di tipo multi-media industriali


RFieldbus: Profilo di comunicazione

Physical Layer

(High Speed Radio)

Data Link Layer(Fieldbus, Multi-media Support, Mobility)

Transport/Network Layer(Multi-media, Mobility, QoS, Interconnection)

Application Layer(Fieldbus)

Application Layer(Multi-media)

Network ManagementNetwork

Management

Multi-mediaApplications

Multi-mediaApplications

Real TimeApplications


RFieldbus: Physical Layer

Sono stati prese in considerazione alcuni tra i piùimportanti standard di trasmissione radio: UMTS, DECT, IEEE 802.11, Hyperlan, BluetoothE’ stata valutata la reperibilità commerciale dei dispositivi ed è stato considerato il loro costoSono stati eseguiti test sul campoIl livello fisico Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS) previsto da IEEE 802.11b e dotato di anti-multipath Rake receiver si è dimostrato il più adatto


RFieldbus: Comunicazione Real Time

Per la comunicazione real time è stato scelto il protocollo ProfibusUso del Data Link Layer di Profibus, anziché di quello previsto da IEEE 802.11bNecessità di adattare il Data Link Layer di Profibus al livello fisico


E’ stato adottato lo stack TCP/IPNecessità di interfacciare IP verso il Data Link Layer (modulo IP Mapper, IPM)Necessità di distinguere i due tipi di traffico e assegnare le adeguate priorità (modulo DP/IP Dispatcher, DID)

RFieldbus: Comunicazione Multi Media


RFieldbus: Esempio di Configurazione

S3 M2 LS2LS1S2

M1S1

S6

BS1

S4

S5 M4 LS3

S7

M3


IEEE 802.11: Physical LayerPhysical layer adatto per applicazioni industriali

Esperienza RFieldbus Numerosi altri studi studi:

A. Willig: “Measurements of a Wireless Link in an Industrial Environment Using an IEEE 802.11 Compliant Physical Layer” IEEE Transactions on Industrial Electronics vol. 49, No. 6, December 2002

Caratterizzazione teorica del canale trasmissivo


Composto da Medium Access Control e LogicalLink ControlLo standard specifica:

DCF come MAC standard basato su una tecnica CSMA/CAPCF come opzionale basato su una tecnica di polling

Protocollo del livello applicazione implementato direttamente sopra al data link layer

IEEE 802.11: Data Link Layer


Prestazioni di protocolli del livelloapplicazione implementati sul data link

layer di IEEE802.11Due prototipi di protocollo del livello applicazioneimplementati:

Produttore-Consumatore (simulazioni)Master-Slave (simulazioni e misure sperimentali)

Produttore-Consumatore:Rete con 7 nodi, ognuno produce 1 variabile con periodo 10msAllarmi gestiti con tecnica “immediate”Velocità di generazione media 10 allarmi/s

Master-SlaveRete con 1 master e 7 slave; Tempo di polling teorico 10 msAllarmi gestiti con 3 tecniche diverseVelocità di generazione media 10 allarmi/s

Simulazioni con canale trasmissivo a due stati (Good e Bad) di tipo Gilbert-Elliot validato per ambienti industriali


IEEE 802.11: Simulazione Produttore-ConsumatoreTempo di Aggiornamento Medio

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.110.071

0.072

0.073

0.074

0.075

0.076

0.077

0.078

0.079

0.08

0.081

Mean Packet Error Rate

Mea

n U

pdat

e T

ime

(s)


IEEE 802.11: Simulazione Produttore-ConsumatoreTempo di Latenza Medio Allarmi

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.116

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5x 10

−4


Mea

n A

larm

Lat

ency

(s)


IEEE 802.11: Simulazione Master-Slave Tempo di Ciclo Medio

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10.011

0.012

0.013

0.014

0.015

0.016

0.017


Mea

n U

pdat

e P

erio

d (s

)

ImmediateCurrentLate


IEEE 802.11: Simulazione Master-Slave Tempo di Latenza Medio Allarmi

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

2

4

6

8

10

12

14

16

18

x 10−3


Mea

n A

larm

Lat

ency

(s)

ImmediateCurrentLate


IEEE 802.11: Prove Sperimentali Master-Slave Configurazione di Misura

PC#2

ACCESSPOINT

PC#3

PC#4

PC#1100 Mbits/s

Ethernet segment PC#1: Linux ServerPC#2, PC#3, PC#4:Dell Laptop con schede IEEE802.11gMisure realizzate presso:CREATE-NET, TrentoTempo di ciclo teorico: 15 msVelocità media generazione allarmi: 5 alm/s


IEEE 802.11: Prove Sperimentali Master-Slave Tempo di Ciclo Medio

10 20 30 40 50 60 700

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Cycle time (ms)

Sam

ple

prob

abili

ty d

ensi

ty fu

nctio

n


IEEE 802.11: Prove Sperimentali Master-Slave Tempo di Latenza Medio Allarmi

0 5 10 15 20 25 300

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Alarm latency (ms)

Sam

ple

prob

abili

ty d

ensi

ty fu

nctio

n


Wireless Personal Area NetworksProgettate per collegamenti a corto raggio, bassi consumi, lunga durata delle batterieConfigurazione minima: piconetInterconnessioni di piconet portano a reti di estensionegeografiche rilevanti (scatternet, mesh network)Applicazioni industriali tipiche:

Wireless Sensor NetworksEstensioni cablate di reti wireless (reti ibride)

Standard di riferimento: IEEE802.15802.15.1: Bluetooth802.15.3: Wi-media802.15.4: (ZigBee)


IEEE 802.15.3 e 802.15.4Caratteristiche Generali

802.15.3High-rate WPANVelocità di trasmissione11/22/33/44/55 Mbit/sAccesso al mezzo trasmissivo (MAC) di tipo TDMA

802.15.4Low-rate WPANVelocità 20/40/250 kbit/sAccesso al mezzo trasmissivo (MAC) di tipo TDMA


IEEE 802.15.3 e 802.15.4Medium Access Control

AccessContention

Period

Channel time allocation period

Beacon MCTA1

MCTA1 CTA 1 CTA 2 CTA nCTA n−1

Ogni piconet ha un coordinatoreSulla rete viene ripetuto indefinitamente lo stesso cicloPresenza di slot ad accesso con contesaPresenza di slot ad accesso esclusivoParticolarmente adatto per applicazioni deterministiche e real-time


Bluetooth

Uso di una tecnica di frequency hopping per limitare l’effetto dei disturbiArchitettura basata su Piconet e ScatternetProtocollo Master-Slave Schema di polling round robinVelocità di trasmissione 1 Mbit/sTempo minimo di polling di uno slave 1.25ms


Bluetooth: Profilo di Comunicazione


Bluetooth: Simulazione Master-Slave Tempo di Ciclo Medio

10−12

10−10

10−8

10−6

10−4

10−2

100

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

Mea

n U

pdat

e T

ime

(s)


Analysis [51]Simulation

Rete con 1 master e 5 slave; Allarmi gestiti con tecnica “current”Velocità di generazione media:10 allarmi/s


Bluetooth: Simulazione Master-Slave Tempo di Latenza Allarmi Medio

10−12

10−10

10−8

10−6

10−4

10−2

100

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025M

ean

Ala

rm L

aten

cy (

s)


Analysis [51]Simulation


Stato dell’arte e Attività di RicercaDisponibilità di sistemi wireless adatti per applicazioni industriali

Probabile diminuzione dei costi dei componentiUtilizzo sempre maggiore

Misure di prestazioni in ambienti industrialiDefinizione e implementazione di protocolli per applicazioni industrialiRealizzazione di reti ibrideWireless sensor networksProblemi di co-esistenza tra diversi standard


250kbps 2.4GHz IEEE 802.15.4 Chipcon Wireless Transceiver Interoperability with other IEEE 802.15.4 devices 8MHz Texas Instruments MSP430 microcontroller (10k RAM, 48k Flash) Integrated ADC, DAC, Supply Voltage Supervisor, and DMA Controller Integrated onboard antenna with 50m range indoors / 125m range outdoors Optional Integrated Humidity, Temperature, and Light sensors Ultra low current consumption Fast wakeup from sleep (<6us) Hardware link-layer encryption and authentication Programming and data collection via USB 16-pin expansion support and optional SMA antenna connector TinyOS support : mesh networking and communication implementation

www.moteiv.com

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