Sfide nello scenario Industrial Internet of Things: sistemi wireless per la sicurezza funzionale, sistemi di misura distribuiti e comunicazione in tempo reale

The changes introduced by Industry 4.0 are profoundly revolutionizing the way production systems are conceived in many sectors. In the past, production units in industrial plants were conceived as monolithic entities in which elements communicated and cooperated only within the unit itself. The insertion of new elements sometimes required a complete redesign and configuration of the communication network. Today, in a very similar way to what is happening in the consumer world with the Internet of Things, the Industrial Internet of Things (IIoT) is progressively taking hold in the industrial scenario. This paradigm enables all the components of a production unit to be part of a global and distributed network of smart devices that interact in order to improve the production process. The effectiveness of this smart environment is based on pervasive and ubiquitous connectivity, often achieved via wireless systems, able to ensure a fast, safe, reliable, and contextualized transfer of information. All these characteristics play a fundamental role in IIoT domains where coordination between sensors, actuators, and control systems is required, for example, on those implements human–machine interaction. In this thesis, we address such a topic, focusing on the challenges in integrating real-time distributed measurement systems and safety critical systems in IIoT scenarios. Innovative solutions in this context will be proposed and verified through extensive testing and simulations. Wireless–based Functional safety networks – The first part of this thesis focuses on the use of safety networks and protocols in an IIoT ecosystem. In particular, we will discuss the issues and challenges of adopting safety protocols in wireless communication networks by analyzing the results obtained from a test campaign conducted on a prototype of such a network. Moreover, the actual applicability in an industrial context will be verified and discussed through a simulated environment. Industrial IoT-Based Distributed Measurement Applications – The second part addresses distributed measurement systems in the IIoT domain. First, the possible use of protocols designed for Machine–to–Machine (M2M) communications to exchange information from the field level up to the cloud between distributed sensors is analyzed. Next, test results conducted in some implementations of this protocol will be reported and discussed focusing on power consumption, computational complexity, and communication time. In order to provide a meaningful evaluation, the tests were performed in hardware platforms oriented to embedded devices using both wired and wireless communication systems.

I cambiamenti introdotti da Industria 4.0 stanno rivoluzionando profondamente il modo di concepire i sistemi produttivi in molti settori. In passato, le unità produttive negli stabilimenti industriali erano concepite come entità monolitiche in cui gli elementi comunicavano e cooperavano solo all’interno dell’unità stessa. L’inserimento di nuovi elementi talvolta richiede una completa riprogettazione e configurazione della rete di comunicazione. Oggi, in modo molto simile a quanto sta accadendo nel mondo consumer con l’Internet of Things, l’Industrial Internet of Things (IIoT) sta progressivamente prendendo piede nello scenario industriale. Questo paradigma consente a tutti i componenti di un’unità produttiva di essere parte di una rete globale e distribuita di dispositivi intelligenti che interagiscono per migliorare il processo produttivo. L’efficacia di questo ambiente intelligente si basa su una connettività pervasiva e ubiqua, spesso ottenuta tramite sistemi wireless, in grado di garantire un trasferimento di informazioni veloce, sicuro, affidabile e contestualizzato. Tutte queste caratteristiche giocano un ruolo fondamentale nei domini IIoT dove è richiesto il coordinamento tra sensori, attuatori e sistemi di controllo, ad esempio su quelli che implementano l’interazione uomo–macchina. In questa tesi, affrontiamo tale argomento, concentrandoci sulle sfide nell’integrazione di sistemi di misura distribuiti in tempo reale e sistemi critici per la sicurezza negli scenari IIoT. Soluzioni innovative in questo contesto verranno proposte e verificate attraverso approfonditi test e simulazioni. Functional safety tramite reti wireless – La prima parte della tesi è incentrata sull’uso di reti e protocolli safety in un ecosistema IIoT. In particolare, verranno discusse le problematiche e le sfide dell’adozione di protocolli safety in reti di comunicazione wireless analizzando i risultati ottenuti da una campagna di test condotta su un prototipo di tale rete. Verrà inoltre verificata e discussa l’effettiva applicabilità in un contesto industriale attraverso un ambiente simulato. Industrial IoT-Based Distributed Measurement Applications – La seconda parte della tesi affronta il problema dei sistemi di misura distribuiti in ambito IIoT. In primo luogo verrà analizzato il possibile utilizzo di protocolli ideati per le comunicazioni Machine–to–Machine (M2M) per l’interscambio di informazioni dal livello di campo fino al cloud tra sensoristica distribuita. In seguito, verranno riportati e discussi risultati di test condotti in alcune implementazioni di questo protocollo con particolare attenzione al consumo energetico, complessità computazionale e tempi di comunicazione. Al fine di fornire una valutazione significativa, i test sono stati effettuati in piattaforme hardware orientate ai dispositivi embedded utilizzando sistemi di comunicazione sia cablati che wireless.