Real-time wireless networks for industrial control systems

The next generation of industrial systems (Industry 4.0) will dramatically transform manyproductive sectors, integrating emerging concepts such as Internet of Things, artificialintelligence, big data, cloud robotics and virtual reality, to name a few. Most of thesetechnologies heavily rely on the availability of communication networks able to offernearly–istantaneous, secure and reliable data transfer. In the industrial sector, these tasks are nowadays mainly accomplished by wired networks, that combine the speed ofoptical fiber media with collision–free switching technology. However, driven by the pervasive deployment of mobile devices for personal com-munications in the last years, more and more industrial applications require wireless connectivity, which can bring enormous advantages in terms of cost reduction and flex-ibility. Designing timely, reliable and deterministic industrial wireless networks is a complicated task, due to the nature of the wireless channel, intrinsically error–prone andshared among all the devices transmitting on the same frequency band. In this thesis, several solutions to enhance the performance of wireless networks employed in industrial control applications are proposed. The presented approaches differ in terms of achieved performance and target applications, but they are all characterized by an improvement over existing industrial wireless solutions in terms of timeliness, reliability and determinism. When possible, an experimental validation of the designed solutions is provided. The obtained results prove that significant performance improvements are already possible, often using commercially available devices and preserving compliance to existing standards. Future research efforts, combined with the availability of new chipsets and standards, could lead to a world where wireless links effectively replace most of the existing cables in industrial environments, as it is already the case in the consumer market.

La prossima generazione di sistemi industriali (Industria 4.0) rivoluzionera' molti settori produttivi, grazie all'integrazione di concetti emergenti quali Internet delle Cose, intelligenza artificiale, big data, robotica nel cloud e realta' virtuale, tra gli altri. La maggior parte di queste tecnologie necessita di reti di comunicazione in grado di offrire un trasferimento di informazione quasi istantaneo, sicuro e affidabile. Nel settore industriale, ad oggi, cio' reso possibile principalmente da reti cablate, in grado di combinare la velocita' della fibra ottica con l'assenza di collisioni data dalla tecnologia Switched Ethernet. Tuttavia, spinte dall'intensa diffusione, negli ultimi anni, di dispositivi mobili per le comunicazioni interpersonali, sempre piu' applicazioni industriali richiedono connettivita' wireless, che porterebbe enormi vantaggi in termini di riduzione dei costi e flessibilita' . Progettare reti industriali wireless puntuali, affidabili e deterministiche e' molto complicato, a causa della natura del canale radio, incline agli errori e intrinsecamente condiviso tra tutti i dispositivi che trasmettono nella stessa banda di frequenza. In questa tesi sono proposte diverse soluzioni per migliorare le prestazioni di reti wireless impiegate in applicazioni di controllo industriale. Gli approcci presentati si differenziano per prestazioni raggiunte e scenari di utilizzo, ma sono accomunati da un miglioramento rispetto alle soluzioni wireless industriali esistenti in termini di puntualita' , affidabilita' e determinismo. Una verifica sperimentale delle soluzioni progettate e' stata effettuata, quando possibile. I risultati ottenuti dimostrano che si possono gia' ottenere importanti miglioramenti nelle prestazioni, spesso utilizzando dispositivi commerciali e mantenendo la conformita' agli standard esistenti. Le ricerche future, assieme alla disponibilita' di nuovi dispositivi e standard, potranno rendere possibile un mondo in cui i link radio rimpiazzeranno con successo la maggior parte dei cavi esistenti negli ambienti industriali, come gia' avvenuto in ambito consumer.