Reliability and Availability Evaluation of Wireless Sensor Networks for Industrial Applications

Wireless Sensor Networks (WSN) currently represent the best candidate to be adopted as the communication solution for the last mile connection in process control and monitoring applications in industrial environments. Most of these applications have stringent dependability (reliability and availability) requirements, as a system failure may result in economic losses, put people in danger or lead to environmental damages. Among the different type of faults that can lead to a system failure, permanent faults on network devices have a major impact. They can hamper communications over long periods of time and consequently disturb, or even disable, control algorithms. The lack of a structured approach enabling the evaluation of permanent faults, prevents system designers to optimize decisions that minimize these occurrences. In this work we propose a methodology based on an automatic generation of a fault tree to evaluate the reliability and availability of Wireless Sensor Networks, when permanent faults occur on network devices. The proposal supports any topology, different levels of redundancy, network reconfigurations, criticality of devices and arbitrary failure conditions. The proposed methodology is particularly suitable for the design and validation of Wireless Sensor Networks when trying to optimize its reliability and availability requirements

Survey on wireless technology trade-offs for the industrial internet of things

Aside from vast deployment cost reduction, Industrial Wireless Sensor and Actuator Networks (IWSAN) introduce a new level of industrial connectivity. Wireless connection of sensors and actuators in industrial environments not only enables wireless monitoring and actuation, it also enables coordination of production stages, connecting mobile robots and autonomous transport vehicles, as well as localization and tracking of assets. All these opportunities already inspired the development of many wireless technologies in an effort to fully enable Industry 4.0. However, different technologies significantly differ in performance and capabilities, none being capable of supporting all industrial use cases. When designing a network solution, one must be aware of the capabilities and the trade-offs that prospective technologies have. This paper evaluates the technologies potentially suitable for IWSAN solutions covering an entire industrial site with limited infrastructure cost and discusses their trade-offs in an effort to provide information for choosing the most suitable technology for the use case of interest. The comparative discussion presented in this paper aims to enable engineers to choose the most suitable wireless technology for their specific IWSAN deployment

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

A critical analysis of research potential, challenges and future directives in industrial wireless sensor networks

In recent years, Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs) have emerged as an important research theme with applications spanning a wide range of industries including automation, monitoring, process control, feedback systems and automotive. Wide scope of IWSNs applications ranging from small production units, large oil and gas industries to nuclear fission control, enables a fast-paced research in this field. Though IWSNs offer advantages of low cost, flexibility, scalability, self-healing, easy deployment and reformation, yet they pose certain limitations on available potential and introduce challenges on multiple fronts due to their susceptibility to highly complex and uncertain industrial environments. In this paper a detailed discussion on design objectives, challenges and solutions, for IWSNs, are presented. A careful evaluation of industrial systems, deadlines and possible hazards in industrial atmosphere are discussed. The paper also presents a thorough review of the existing standards and industrial protocols and gives a critical evaluation of potential of these standards and protocols along with a detailed discussion on available hardware platforms, specific industrial energy harvesting techniques and their capabilities. The paper lists main service providers for IWSNs solutions and gives insight of future trends and research gaps in the field of IWSNs

Recent advances in industrial wireless sensor networks towards efficient management in IoT

With the accelerated development of Internet-of- Things (IoT), wireless sensor networks (WSN) are gaining importance in the continued advancement of information and communication technologies, and have been connected and integrated with Internet in vast industrial applications. However, given the fact that most wireless sensor devices are resource constrained and operate on batteries, the communication overhead and power consumption are therefore important issues for wireless sensor networks design. In order to efficiently manage these wireless sensor devices in a unified manner, the industrial authorities should be able to provide a network infrastructure supporting various WSN applications and services that facilitate the management of sensor-equipped real-world entities. This paper presents an overview of industrial ecosystem, technical architecture, industrial device management standards and our latest research activity in developing a WSN management system. The key approach to enable efficient and reliable management of WSN within such an infrastructure is a cross layer design of lightweight and cloud-based RESTful web service