RETI PER L'AUTOMAZIONE INDUSTRIALE

ING-INF/05 - 9 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

LUCIA LO BELLO
Email: lobello@unict.it
Edificio / Indirizzo: Edificio 13- V.le A. Doria, 6 Catania
Telefono: 095 7382386
Orario ricevimento: mercoledì 10-11, venerdì 11-12


Obiettivi formativi

Conoscenza e comprensione

Comprensione delle caratteristiche peculiari delle reti di comunicazione impiegate nei sistemi di automazione.

Conoscenza delle problematiche relative alla progettazione e valutazione di sistemi di comunicazione con vincoli real-time.

Conoscenza delle tecnologie e degli strumenti per la realizzazione di soluzioni di comunicazione in vari ambiti applicativi (es. industriale, automotive).

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Gli studenti acquisiranno la capacità di scegliere la soluzione di comunicazione più adatta alle esigenze delle applicazioni di automazione considerate e 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.).

Gli studenti saranno in grado di realizzare modelli di simulazione per la valutazione delle prestazioni di reti wired e wireless usate in automazione.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali. Esercitazioni.

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 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

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, TTCAN, FlexRAY, MOST, Ethernet, IEEE Audio Video Bridging. (*)
5. Time-Sensitive Networking. (*)
6. Architettura di comunicazione nei sistemi di automazione. Principali Fieldbus: PROFIBUS, HART. (*)

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 nelle applicazione di automazione industriale, LoRa.

11. Il simulatore ad eventi discreti OMNeT++: installazione, configurazione, uso, e sviluppo di modelli di reti di automazione. Il framework INET, sviluppo di moduli. (*)

La parte applicativa del corso sarà dedicata alla valutazione di protocolli mediante l’ambiente di simulazione OMNeT++.



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.


Altro materiale didattico

Le dispense della Docente e tutto il materiale didattico sono disponibili in formato elettronico sul sito www.studium.it nell'area dedicata al corso.



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 schedulabilit√†.Cenni su schedulazione non preemptive/con vincoli di precedenza/ibrida.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.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
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.  
97. Architettura di comunicazione nei sistemi di automazione.I 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: lo standard WirelessHART.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso.  
14Bluetooth Low Energy nelle applicazioni di automazione. Cenni sulla tecnologia LoRa e su LoRaWAN.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
15Il simulatore ad eventi discreti OMNeT++. Installazione, configurazione, uso.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
16Sviluppo di modelli di reti di automazione con OMNeT++.Dispense elaborate dalla Docente e scaricabili dal sito del corso. 
17Il framework INET. Sviluppo di moduli. 


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.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


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.




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