A Diagnostics Model for Industrial Communications Networks

Over the past twenty years industrial communications networks have become common place in most industrial plants. The high availability of these networks is crucial in smooth plant operations. Therefore local and remote diagnostics of these networks is of primary importance in solving any existing or emerging network problems. Users for most part consider the “plant networks” as black boxes, and often not sure of the actual health of the networks. The major part of the work outlined in this research concentrates on the proposed “Network Diagnostics Model” for local and remote monitoring. The main objective of the research is to aid the establishment of tools and techniques for diagnosis of the industrial networks, with particular emphasis on PROFIBUS and PROFINET. Additionally this research has resulted in development of a number of devices to aid in network diagnostics. The work outlined in this submission contributes to the developments in the area of online diagnostics systems. The development work was conducted in the following phases: 1. Development of Function Block (FB) for diagnosing PROFIBUS network for implementation on PLC. 2. Development of OPC server for diagnosing PROFIBUS network for implementation on PC. 3. Development of a web based diagnostic software for multiple fieldbuses for implementation on imbedded XP platform. 4. Development of OPC server for diagnosing PROFINET network for implementation on PC 5. Conformance testing of masters (PLC) in PROFIBUS network to increase the health of the network. 6. Use of diagnostics tools for performance analysis of fieldbuses networks for high performance applications. The research work outlined in this submission has made a significant and coherent contribution to online diagnostics of fieldbus communications networks, and has paved the way for the introduction of the online diagnostics devices to the market place. It has shown that the proposed model provides a uniform framework for research and development of diagnostics tools and techniques for fieldbus networks. Organizations that use fieldbus should consider installing advanced online diagnostic systems to boost maintenance efficiency and reduce operating costs, and maintain the availability of plant resources. Based on the experience gained over a number of years a multilayer model is proposed for future development of diagnostics tools

Industriella realtidsethernet för maskinautomation

During the last two decades, Ethernet has become the de facto standard in office level networks. There are several motivations for using Ethernet also in control networks, including the abundance of low cost components, the high data transfer rates and the possibility of vertical integration with other networks of the organization. The first in­dustrial implementation of Ethernet was for communication between different devices on the controller level. Modern real-time industrial Ethernet technologies, like the ones studied in this thesis, have brought Ethernet also down to the field level. The thesis is divided into two sections. The first section contains presentations of the seven most used real-time industrial Ethernet technologies. The second section contains a more thorough study of EtherCAT, the one of the seven technologies that promise the best real-time performance. The main goals are to provide a review of the different tech­nologies available and to study the suitability of EtherCAT in the control networks of machine automation systems. In the first section, different real-time industrial Ethernet technologies are divided into three groups based upon how much they differ from standard office Ethernet. It is found that the technologies built entirely upon standard office Ethernet do in them­selves not promise any real-time capabilities. Their biggest weakness is the slow pro­cessing of the software communication protocol stack. The technologies that use stan­dard Ethernet hardware but dedicated software are good for soft real-time applications, but the lack of accurate synchronization between the devices makes them unsuitable for applications demanding hard real-time behavior. The technologies that use both special hardware and software offer superior real-time performance but are not as open to inte­gration with standard office Ethernet networks as the other solutions. The second section of the study contains three parts. In the first of them, a small test system is built to examine the suitability of EtherCAT for the closed loop control of a variable alternate current (AC) drive. In the second part, the availability of open source initiatives concerning EtherCAT is explored. In the third part, the possibility for master device redundancy in EtherCAT is investigated. The study indicates that EtherCAT achieves the short communication cycle times and accurate synchronization promised. Short cycle times are indeed needed as direct communication between slave devices is not supported in EtherCAT and thus the efficiency of the communication is almost totally dependent on the cycle time. EtherCAT networks are relatively easy to configure and maintain as there are comprehensive software suites available, both as commercial pro­grams and open source initiatives and for a variety of different operating systems. The least developed feature of EtherCAT proved to be the support for master device redun­dancy. Solutions for master redundancy are available, but more as concepts than as ready-to-use features. /Kir10Under de senaste två decennierna har Ethernet blivit något av en de facto standard för nätverk i kontorsmiljö. Det finns flera motiv för att använda Ethernet även i kontroll­nätverk, bland andra god tillgång av billiga komponenter, hög dataöverföringshastighet och möjligheter för vertikal integration med nätverk på andra nivåer av organisationen. Den första industriella tillämpningen av Ethernet var för kommunikation mellan olika kontrollenheter. Moderna realtidslösningar för industriella Ethernet-nätverk har fört Ethernet också ner till fältnivå. Det här diplomarbetet är uppdelat i två delar. Den första delen innehåller presen­tationer av de sju mest använda realtidslösningarna för industriella Ethernet-nätverk. Den andra delen innehåller en mer djupgående studie av EtherCAT, den av de sju lösningarna som utlovar bäst realtidsprestanda. De mest centrala målen är att ge en över­syn av de olika realtidslösningarna som finns tillgängliga för industriella Ethernet-nätverk samt att undersöka hur lämpligt EtherCAT är som kontrollnätverk för maskin­automation. Inledningsvis delas de olika lösningarna in i tre grupper på bas av hur mycket de skiljer sig från vanliga kontorsnätverk. Det visar sig att de lösningar som helt bygger på samma teknik som används i kontorsnätverk i sig själva inte kan utlova någon som helst realtidskapacitet. Deras största svaghet är den resurskrävande behandlingen av de kommunikationsprotokoll som används i kontorsnätverk. Det är dock möjligt att konstruera lösningar med relativt bra realtidsbeteende utgående från de här lösningarna bara man väljer rätt Ethernet-komponenter och tillräckligt kraftfulla mikroprocessorer i nätverksstationerna. De lösningar som använder vanlig Ethernet-maskinvara men egen programvara är bra för mjuka realtidssystem, men de brister i synkroniseringen mellan enheterna och är sålunda inte tillräckligt deterministiska för hårda realtidssystem. De lösningar som använder både egen hårdvara och egen mjukvara erbjuder överlägsen realtidsprestanda som öppnar nya möjligheter för effektivare reglering av olika system. Å andra sidan är de här lösningarna inte lika öppna för integration med vanliga kontorsnätverk som de lösningar som har mer likheter med vanliga kontorsnätverk. Den andra delen av studien inriktar sig på EtherCAT. EtherCAT är ett så kallat master/slave-nätverk, det vill säga att en av stationerna i nätverket styr kommuni­kationen och de andra i allmänhet inte själva kan initiera någon form av kommuni­kation. Den mest centrala funktionsprincipen för EtherCAT är att de olika slav-stationerna logiskt är ordnade i en kedja och att alla meddelanden passerar genom alla slav-stationer och blir också lästa och skrivna till av flera slav-stationer. I relativt små nätverk betyder det här att det bara skickas ett meddelande per kommunikationscykel. Meddelandena hanteras av speciell hårdvara i slav-stationerna och detta sker så snabbt att meddelandena bara blir fördröjda med bråkdelen av en mikrosekund. Master-stationen, däremot, är oftast konstruerad utan speciell hårdvara och består vanligen av en PC med realtidsoperativsystem och speciell mjukvara, ett så kallad EtherCAT master-program. Det att mastern består av standard Ethernet hårdvara betyder att den har relativt dålig timing-kapacitet. Därför är de olika slav-enheterna i ett EtherCAT nätverk i stället vanligen synkroniserade efter den första slav-enheten i kedjan. En synkroniseringsexakthet på mycket bättre än en mikrosekund utlovas och den kan användas både till att åstadkomma reaktioner på en exakt given tidpunkt och exakta tidsangivelser för när ett processvärde är uppmätt. Studien av EtherCAT är indelad i tre avsnitt. I det första av dem byggs ett litet testsystem för att undersöka hur lämpligt EtherCAT är som kontrollnätverk för återkopplad styrning av en frekvensomriktare. Den viktigaste enskilda egenskapen som krävs av ett kommunikationsnätverk för den här tillämpningen är att frekvensomriktaren ofta och snabbt får korrekt information om drivaxelns position. Det är också viktigt att positionsangivelserna är ackompanjerade av exakt information om när de är uppmätta. Studien visar att det är möjligt att uppnå båda de här egenskaperna med hjälp av EtherCAT. Det att direkt kommunikation mellan slav-stationerna i ett EtherCAT-nätverk inte understöds medför visserligen att överföringen av positions­datan tar två kommunikationscykler i anspråk, men eftersom det är möjligt att uppnå cykel­tider så korta som 133 µs torde prestandan i alla fall räcka för de flesta system. Det här medför dock att cykeltiderna måste hållas låga även om systemet i övrigt inte skulle kräva det. I det andra avsnittet undersöks tillgången på öppen källkodsbaserad programvara för EtherCAT. Det krävs ingen licens för att utveckla EtherCAT master-programvara, så det finns en mängd olika program för flera olika operativsystem på marknaden. Ett par av dem är baserade på öppen källkod. Ett av de mest intressanta är EtherLAB från Ingenieurgemeinschaft IgH. Det är i huvudsak utvecklat för Linux och innehåller förutom master-programvaran även mjukvara för diagnostik och för att generera kontrollrutiner från modeller skapade med Matlab/Simulink. I det här avseendet är det till och med kraftfullare än den mest använda kommersiella programvaran för EtherCAT, TwinCAT från Beckhoff Automation, som igen körs under MS Windows. I det tredje avsnittet granskas möjligheterna att duplicera den enhet som styr ett EtherCAT nätverk, så kallad master-redundans. Studien presenterar en lösning utvecklad av Beckhoff Automation. Det visar sig att detta är en relativt sett dåligt utvecklad egenskap i EtherCAT. Den presenterade metoden medför till exempel att det tar nästan en hel sekund innan reserv-mastern tar över ifall det uppstår fel i den primära, dessutom är funktionen för synkronisering av klockorna i slav-enheterna inte tillgänglig när den här metoden används. Studien presenterar även en idé om en annan möjlig lösning för att åstadkomma master-redundans i EtherCAT nätverk. Fördelen med den är att den skulle göra funktionen för att synkronisera klockorna i slav-enheterna möjlig även fast systemet innehåller master-redundans. Båda de presenterade lösningarna är mer koncept än funktioner färdiga att använda, detta gäller i synnerhet den andra lösningen, som ännu bara är i idéstadiet. Bristen på väl fungerande lösningar för master-redundans gör att EtherCAT system bör konstrueras så att korta stopp i kom­munikationen inte kan skada systemet i sig själv, intilliggande system eller människor som är i kontakt med systemet

Development of functional safety applications for Autec products. Study of protocols: CANopen, CANopen Safety, FSOE and ProfiSafe

This thesis has the principal goal of developing intrinsic safety applications in distributed real-time industrial systems, mainly based on fieldbuses and RTE networks. To achieve this important objective the first part of this elaborate provides an introduction of the principal protocols, such as CANopen Safety, Fail safe Over Ethercat (FSOE) and Profisafe, used for the safety relevant applications in the automation environment,analysing properties,story and the use of them by industry

Ethernet - a survey on its fields of application

During the last decades, Ethernet progressively became the most widely used local area networking (LAN) technology. Apart from LAN installations, Ethernet became also attractive for many other fields of application, ranging from industry to avionics, telecommunication, and multimedia. The expanded application of this technology is mainly due to its significant assets like reduced cost, backward-compatibility, flexibility, and expandability. However, this new trend raises some problems concerning the services of the protocol and the requirements for each application. Therefore, specific adaptations prove essential to integrate this communication technology in each field of application. Our primary objective is to show how Ethernet has been enhanced to comply with the specific requirements of several application fields, particularly in transport, embedded and multimedia contexts. The paper first describes the common Ethernet LAN technology and highlights its main features. It reviews the most important specific Ethernet versions with respect to each application field’s requirements. Finally, we compare these different fields of application and we particularly focus on the fundamental concepts and the quality of service capabilities of each proposal

Plug-and-Participate for Limited Devices in the Field of Industrial Automation

Ausgangspunkt und gleichzeitig Motivation dieser Arbeit ist die heutige Marktsituation: Starke Kundenbedürfnisse nach individuellen Gütern stehen oftmals eher auf Massenproduktion ausgerichteten Planungs- und Automatisierungssystemen gegenüber - die Befriedigung individueller Kundenbedürfnisse setzt aber Flexibilität und Anpassungsfähigkeit voraus. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen Beitrag zu leisten, der es Unternehmen ermöglichen soll, auf diese individuellen Bedürfnisse flexibel reagieren zu können. Hierbei kann es im Rahmen der Dissertation natürlich nicht um eine Revolutionierung der gesamten Automatisierungs- und Planungslandschaft gehen; vielmehr ist die Lösung, die der Autor der Arbeit präsentiert, ein integraler Bestandteil eines Automatisierungskonzeptes, das im Rahmen des PABADIS Projektes entwickelt wurde: Während PABADIS das gesamte Spektrum von Planung und Maschineninfrastruktur zum Inhalt hat, bezieht sich der Kern dieser Arbeit weitestgehend auf den letztgenannten Punkt - Maschineninfrastruktur. Ziel war es, generische Maschinenfunktionalität in einem Netzwerk anzubieten, durch das Fertigungsaufträge selbstständig navigieren. Als Lösung präsentiert diese Dissertation ein Plug-and-Participate basiertes Konzept, welches beliebige Automatisierungsfunktionen in einer spontanen Gemeinschaft bereitstellt. Basis ist ein generisches Interface, in dem die generellen Anforderungen solcher ad-hoc Infrastrukturen aggregiert sind. Die Implementierung dieses Interfaces in der PABADIS Referenzimplementierung sowie die Gegenüberstellung der Systemanforderungen und Systemvoraussetzungen zeigte, das klassische Plug-and-Participate Technologien wie Jini und UPnP aufgrund ihrer Anforderungen nicht geeignet sind - Automatisierungsgeräte stellen oftmals nur eingeschränkte Ressourcen bereit. Daher wurde als zweites Ergebnis neben dem Plug-and-Participate basierten Automatisierungskonzept eine Plug-and-Participate Technologie entwickelt - Pini - die den Gegebenheiten der Automatisierungswelt gerecht wird und schließlich eine Anwendung von PABADIS auf heutigen Automatisierungsanlagen erlaubt. Grundlegende Konzepte von Pini, die dies ermöglichen, sind die gesamte Grundarchitektur auf Basis eines verteilten Lookup Service, die Art und Weise der Dienstrepräsentation sowie die effiziente Nutzung der angebotenen Dienste. Mit Pini und darauf aufbauenden Konzepten wie PLAP ist es nun insbesondere möglich, Automatisierungssysteme wie PABADIS auf heutigen Anlagen zu realisieren. Das wiederum ist ein Schritt in Richtung Kundenorientierung - solche Systeme sind mit Hinblick auf Flexibilität und Anpassungsfähigkeit gestaltet worden, um Kundenbedürfnissen effizient gerecht zu werden

Plug-and-Participate for Limited Devices in the Field of Industrial Automation

Ausgangspunkt und gleichzeitig Motivation dieser Arbeit ist die heutige Marktsituation: Starke Kundenbedürfnisse nach individuellen Gütern stehen oftmals eher auf Massenproduktion ausgerichteten Planungs- und Automatisierungssystemen gegenüber - die Befriedigung individueller Kundenbedürfnisse setzt aber Flexibilität und Anpassungsfähigkeit voraus. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen Beitrag zu leisten, der es Unternehmen ermöglichen soll, auf diese individuellen Bedürfnisse flexibel reagieren zu können. Hierbei kann es im Rahmen der Dissertation natürlich nicht um eine Revolutionierung der gesamten Automatisierungs- und Planungslandschaft gehen; vielmehr ist die Lösung, die der Autor der Arbeit präsentiert, ein integraler Bestandteil eines Automatisierungskonzeptes, das im Rahmen des PABADIS Projektes entwickelt wurde: Während PABADIS das gesamte Spektrum von Planung und Maschineninfrastruktur zum Inhalt hat, bezieht sich der Kern dieser Arbeit weitestgehend auf den letztgenannten Punkt - Maschineninfrastruktur. Ziel war es, generische Maschinenfunktionalität in einem Netzwerk anzubieten, durch das Fertigungsaufträge selbstständig navigieren. Als Lösung präsentiert diese Dissertation ein Plug-and-Participate basiertes Konzept, welches beliebige Automatisierungsfunktionen in einer spontanen Gemeinschaft bereitstellt. Basis ist ein generisches Interface, in dem die generellen Anforderungen solcher ad-hoc Infrastrukturen aggregiert sind. Die Implementierung dieses Interfaces in der PABADIS Referenzimplementierung sowie die Gegenüberstellung der Systemanforderungen und Systemvoraussetzungen zeigte, das klassische Plug-and-Participate Technologien wie Jini und UPnP aufgrund ihrer Anforderungen nicht geeignet sind - Automatisierungsgeräte stellen oftmals nur eingeschränkte Ressourcen bereit. Daher wurde als zweites Ergebnis neben dem Plug-and-Participate basierten Automatisierungskonzept eine Plug-and-Participate Technologie entwickelt - Pini - die den Gegebenheiten der Automatisierungswelt gerecht wird und schließlich eine Anwendung von PABADIS auf heutigen Automatisierungsanlagen erlaubt. Grundlegende Konzepte von Pini, die dies ermöglichen, sind die gesamte Grundarchitektur auf Basis eines verteilten Lookup Service, die Art und Weise der Dienstrepräsentation sowie die effiziente Nutzung der angebotenen Dienste. Mit Pini und darauf aufbauenden Konzepten wie PLAP ist es nun insbesondere möglich, Automatisierungssysteme wie PABADIS auf heutigen Anlagen zu realisieren. Das wiederum ist ein Schritt in Richtung Kundenorientierung - solche Systeme sind mit Hinblick auf Flexibilität und Anpassungsfähigkeit gestaltet worden, um Kundenbedürfnissen effizient gerecht zu werden

Towards a unified approach to detection of faults and cyber-attacks in industrial installations

© 2021 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting /republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksThis paper investigates enhancing the ability to detect cyber-attacks by using information and methods related to fault detection. An experimental stand, and an associated simulator have been constructed to enable tests of combined cyber attacks and faults in industrial processes, and, possibly, to distinguish between them. Some scenarios of cyber attacks have been presented, analysed theoretically and then tested on the simulator, demonstrating that detection of cyber attacks by this method is possible.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Introduction to industrial control networks

An industrial control network is a system of interconnected equipment used to monitor and control physical equipment in industrial environments. These networks differ quite significantly from traditional enterprise networks due to the specific requirements of their operation. Despite the functional differences between industrial and enterprise networks, a growing integration between the two has been observed. The technology in use in industrial networks is also beginning to display a greater reliance on Ethernet and web standards, especially at higher levels of the network architecture. This has resulted in a situation where engineers involved in the design and maintenance of control networks must be familiar with both traditional enterprise concerns, such as network security, as well as traditional industrial concerns such as determinism and response time. This paper highlights some of the differences between enterprise and industrial networks, presents a brief history of industrial networking, gives a high level explanation of some operations specific to industrial networks, provides an overview of the popular protocols in use and describes current research topics. The purpose of this paper is to serve as an introduction to industrial control networks, aimed specifically at those who have had minimal exposure to the field, but have some familiarity with conventional computer networks.http://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=9739hb2016Electrical, Electronic and Computer Engineerin

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 11. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2020) und des 7. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2020) enthalten. Die Kolloquien fanden am 28. und 29. Oktober 2020 statt und wurden erstmalig als digitale Webveranstaltung auf dem Innovation Campus Lemgo organisiert. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschauliche Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug