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]
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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
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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/
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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
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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
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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
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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
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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. A Producer var. B Consumer
Var. B Producer
Scheduler var. A Consumer var. B Consumer
Production of variable A
var. A Producer var. B Consumer
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. A Producer var. B Consumer
Var. B Producer
Scheduler var. A Consumer var. B Consumer
Production of variable B
Production of variable A
Production of variable B
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Tipi di collegamento cablato
Sensore/AttuatoreSensore/Attuatore
Rete di Campo
Interfaccia
Controllore didispositivo
Sensore/AttuatoreSensore/Attuatore
Rete di Campo
MorsettieraElettronica
Segnalidi I/O
Interfaccia
Controllore didispositivo
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Perché passare a collegamenti wireless
NecessitàComponenti mobili da collegare alla rete
CarrelliGruDispositivi di configurazione portatili
Componenti senza contattiScelta
Possibilità di eliminare tutti i cablaggi
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Collegamenti wireless
Sensore/AttuatoreSensore/Attuatore
MorsettieraElettronica
Segnalidi I/O
Interfaccia
Controllore didispositivo
Sensore/AttuatoreSensore/AttuatoreInterfaccia
Controllore didispositivo
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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
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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)
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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
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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)
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RFieldbus
High Performance Wireless Fieldbus In Industrial Related Multi-Media EnvironmentProgetto sviluppato nell’ambito del V FP della Comunità EuropeaDurata 3 anni: 2000-2002
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RFieldbus: Partners
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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
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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
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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
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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
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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
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RFieldbus: Esempio di Configurazione
S3 M2 LS2LS1S2
M1S1
S6
BS1
S4
S5 M4 LS3
S7
M3
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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
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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
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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
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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)
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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
Mean Packet Error Rate
Mea
n A
larm
Lat
ency
(s)
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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
Mean Packet Error Rate
Mea
n U
pdat
e P
erio
d (s
)
ImmediateCurrentLate
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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
Mean Packet Error Rate
Mea
n A
larm
Lat
ency
(s)
ImmediateCurrentLate
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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Bluetooth: Profilo di Comunicazione
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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)
Mean Packet Error Rate
Analysis [51]Simulation
Rete con 1 master e 5 slave; Allarmi gestiti con tecnica “current”Velocità di generazione media:10 allarmi/s
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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)
Mean Packet Error Rate
Analysis [51]Simulation
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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
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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