9797712 - INDUSTRIAL AND AUTOMOTIVE REAL-TIME NETWORKS A - Z

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.

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.

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.

La frequenza non è obbligatoria, ma è fortemente consigliata.

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, 10BASE-T1S, 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. Industrial wireless sensor networks.

9. Tecnologie abilitanti per l'Industrial IoT: Bluetooth Low Energy e LoRa nelle applicazioni di automazione industriale real-time.(*)

10. 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++.

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, Third Edition, Cambridge University Press, 2021

-Correa, Simon, Gubow, Bhagwat, Automotive Ethernet, The Definitive Guide, 2° Edition, IntrepidCS, 2022.

-G. Buttazzo, Sistemi in Tempo Reale, disponibile in Italiano (Pitagora Editrice, 2006) e in inglese (Hard Real-Time Computing Systems, Springer, 2011).

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.

- 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.

- I Communications Profiles dello standard IEC 61784 Industrial Ethernet (es. Powerlink, PROFINET, ETHERCAT...)

- Fieldbus e loro caratteristiche. Profibus DP e PA.

-Tecniche di scheduling e protocolli di accesso al mezzo per reti real-time.