Intrinsic safety in distributed real-time systems: modeling, design and test of applications for the remote handling of mobile industrial equipment.

Safety is defined as the absence of unacceptable risk. In this sense, safety systems are those that integrate methods to reduce the probability of risks to an acceptable level. Industrial transmission safety systems were developed starting from their ad-hoc networks, which were conceived to satisfy three essential requirements of this environment: real-time, deterministic performances; high reliability; and the ability to withstand extreme conditions. In this context, starting from a simple redundant algorithm, many safety protocols were created. For example, the most famous ones such as Profisafe, which was created for starting from Profibus and Profinet; FailSafeOverEthercat developed for Ethercat; CANOpen Safety developed for CAN, etc. With Industry 4.0, with technology development and growth of available data, with the resulting born of Internet Of Thing (IoT) and in particular of Industrial Internet of Thing (IIoT), the industrial environment has seen the rise of new necessity, such as the enlargement of the production site, the decrease of wiring costs or, if possible, its complete elimination, the introduction of remote control and the ability to acquire and save a big amount of data. In this context the development of wireless technologies, in continuous evolution and optimization, allows the industrial networks to satisfy their new requirements. However, concerning safety, no safety protocols were developed and certified for a wireless network, since the necessity of determinism often collides with the lack of a sure, well-defined, transmission medium and with the use of complex algorithms. Despite that, the continuous growth and use of wireless systems, lead to favor for those protocols which were designed with a “black channel” approach. Indeed, these protocols were theoretically designed to be implemented without knowing the underlying layer, but in practice they require some minimal characteristics of the channel, consequently requiring the design of new stack and the identification of general characteristics useful to satisfy both safety that functionality requirements. In this complex coexistence of different technologies and of necessity of safety, with this thesis many technologies were studied, analyzed and implemented, highlighting features, uses and proposing possible improvements. Starting from the most famous Fieldbuses, many wireless technologies were then analyzed, to finally reach those newest technologies developed for IIoT. Then the issue of safety over wireless was studied, implementing different possible stacks, acquiring and analyzing the obtained results and finally proposing some improvement and considerations

La sicurezza (safety) è definita come assenza di rischi inaccettabili. I sistemi di sicurezza sono quindi quelle strutture che integrano metodi per la diminuzione della probabilità di un rischio per renderlo accettabile. I sistemi di sicurezza riguardanti la trasmissione di dati nell’ambito industriale sono stati sviluppati a partire dalle rete progettate per tale ambiente, le quali sono caratterizzate da 3 caratteristiche fondamentali, ovvero le performance real-time, deterministiche ; l’alta affidabilità; e la capacità di resistere a condizioni estreme di lavoro. Partendo perciò da semplici algoritmi di ridondanza, sono stati creati dei protocolli di sicurezza dedicati. E’ questo l’esempio dei più famosi protocolli di sicurezza industriali: Profisafe, sviluppato a partire da Profibus e Profinet; Fail Safe Over EtherCAT sviluppato, come dice il nome stesso, proprio per essere integrato in reti EtherCAT, CANopen Safety sviluppato per reti CAN etc. . . Con l’avvento, però, dell’ Industria 4.0, lo sviluppo delle tecnologie e il crescere dei dati a disposizione con la conseguente nascita dell’ Internet Of Thing (IoT), il mondo industriale ha visto sorgere nuove esigenze come l’ingrandimento dei siti produttivo, la diminuzione dei costi dei cablaggi o la rimozione stessa, se possibile, il controllo da remoto e la necessità di acquisire e salvare un esponenzialmente crescente numero di dati. In questo contesto lo sviluppo di tecnologie wireless, sempre più evolute ed ottimizzate, ha permesso alle reti industriali di soddisfare queste necessità. Per quanto riguarda la sicurezza (safety), però, non sono stati sviluppati protocolli di sicurezza progettati e certificati per reti wireless, in quanto la necessità di determinismo spesso va a confliggere con la mancanza di un mezzo fisico ben determinato e l’uso di metodi di ottimizzazione complessi. Nonostante ciò, la continua crescita dei sistemi wireless, ha portato a privilegiare lo sviluppo di quei protocolli di sicurezza progettati con un approccio definito a “canale nero”, ovvero designati, in linea teorica, per poter cambiare i livelli sottostanti. In realtà a livello pratico e implementativo tali protocolli necessitano comunque alcuni requisiti fondamentali, andando a dipingere un approccio più a “canale grigio” piuttosto che a “canale nero”. Inoltre il lungo iter di certificazione di qualsiasi stack differente dallo standard, va a impedire, o perlomeno rallentare, lo sviluppo di questi nuovi protocolli. Tuttavia la strada tracciata da questa nuova filosofia ha portato allo sviluppo del un nuovo protocollo di sicurezza OPC UA safety, pensato anche per tecnologie wireless e che ha avviato il procedimento per la certificazione dello standard stesso; Inoltre numerose prove vengono continuamente fatte per la creazione di nuovi stack che comprendano protocolli wireless, che riescano a soddisfare sia requisiti di sicurezza che di funzionalità. In questo complesso connubio di diverse tecnologie e di sicurezza, con questa tesi si sono volute approfondire le diverse tecnologie studiate, analizzate e implementate nel corso di questi anni di dottorato, andando ad evidenziarne le caratteristiche, l’uso e i possibili miglioramenti che sono stati proposti. Partendo dai primi più famosi Fieldbuses, si sono poi analizzate numerose tecnologie wireless, per cercare di raggiungere infine quelle nuove tecnologie adatte all’IIoT. Si è poi quindi cercato di andare ad approfondire il tema della sicurezza su sistemi wireless, andando a fare un’effettiva implementazione di diversi possibili stack, acquisendo ed analizzando i risultati trovati e andando infine a proporre delle migliorie e delle considerazioni.