Heuristics for Periodic Scheduling

V posledních několika desetiletích se masivně zvýšilo využívání elektronických komunikačních systémů, které ovlivňují všechny oblasti lidské činnosti. Díky nízkým nákladům a vysoké efektivitě mohou být tyto modely široce rozšířené. Masivní využívání takových systémů v různých doménách jako je průmysl, chytrá města (smart cities), atd., volá po vývoji rozvrhovacích metod, které jsou rychlé, přizpůsobivé a spolehlivé. V této práci formalizujeme problém vysoce kritického periodického rozvrhování. Dále navrhujeme aplikaci v Javě, která umožnuje jednoduché testování různých rozvrhovacích metod. Hlavní přínos této práce spočívá v několika heuristikách vhodných pro striktně periodické rozvrhování komunikace a porovnání jejich výkonnosti na vygenerovaných instancích.In the past decades, the usage of electronic communication systems that influence all areas of human activities massively increased. Low cost and high effectiveness allow it to be used widely. The massive usage of such systems in different domains such as industry, smart cities, etc. calls for developing scheduling methods that are fast, adjustable and reliable. In this thesis, we formalize the highly critical periodic scheduling problem and design a Java-based framework that allows easy testing of different scheduling methods. The main contribution of this thesis is several heuristics suitable for strictly periodic network communication and comparison of their performance on generated instances

AeroRing: Avionics Full Duplex Ethernet Ring with High Availability and QoS Management

The avionics standard AFDX has been introduced to provide high speed communication for new generation aircraft. However, this switched network is deployed in a full redundant way, which leads to significant quantities of wires. To overcome this limitation, a new avionic communication network, called AeroRing, is proposed in this paper to decrease the wiring weight, while guaranteeing the required performance and safety levels. AeroRing is based on a Gigabit Ethernet technologyand implements a daisy-chain wiring scheme on a Full Duplex ring topology. First, the main features of such a proposal, and particularly the QoS and robustness management, are detailed. Then, numerical results of some Performance Indicators (PI) are illustrated to highlight its ability to guarantee the avionics requirements

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

QoS-Aware Ring Redundancy Protocol (QoS-ARRP) for High-Availability Ethernet Networks

During the last decade, Ethernet’s significance has increased in many embedded systems application areas, such as automotive, avionics and automation. However, guaranteeing the required availability level for such applications on Ethernet is still a hot research topic. In this specific area, we propose in this paper a new redundancy protocol for high availability Ethernet networks, called QoS-Aware Ring Redundancy Protocol (QoSARRP). First, the specifications of such a protocol are detailed, including the frame redundancy and filtering management, the auto-configuration mechanisms, as well as the maximum recovery time analysis. Second, the numerical results of the recovery time have shown the impact of the protocol parameters to tune and the trade-off between availability and scalability of the network. Moreover, we have benchmarked the state-of-the-art results on the recovery time against ours. A noticeable enhancement of the maximum recovery time with our proposal, thus of the availability level, has been highlighted

Modelação e simulação de equipamentos de rede para Indústria 4.0

Currently, the industrial sector has increasingly opted for digital technologies in order to automate all its processes. This development comes from notions like Industry 4.0 that redefines the way these systems are designed. Structurally, all the components of these systems are connected in a complex network known as the Industrial Internet of Things. Certain requirements arise from this concept regarding industrial communication networks. Among them, the need to ensure real-time communications, as well as support for dynamic resource management, are extremely relevant. Several research lines pursued to develop network technologies capable of meeting such requirements. One of these protocols is the Hard Real-Time Ethernet Switch (HaRTES), an Ethernet switch with support for real-time communications and dynamic resource management, requirements imposed by Industry 4.0. The process of designing and implementing industrial networks can, however, be quite time consuming and costly. These aspects impose limitations on testing large networks, whose level of complexity is higher and requires the usage of more hardware. The utilization of network simulators stems from the necessity to overcome such restrictions and provide tools to facilitate the development of new protocols and evaluation of communications networks. In the scope of this dissertation a HaRTES switch model was developed in the OMNeT++ simulation environment. In order to demonstrate a solution that can be employed in industrial real-time networks, this dissertation presents the fundamental aspects of the implemented model as well as a set of experiments that compare it with an existing laboratory prototype, with the objective of validating its implementation.Atualmente o setor industrial tem vindo cada vez mais a optar por tecnologias digitais de forma a automatizar todos os seus processos. Este desenvolvimento surge de noções como Indústria 4.0, que redefine o modo de como estes sistemas são projetados. Estruturalmente, todos os componentes destes sistemas encontram-se conectados numa rede complexa conhecida como Internet Industrial das Coisas. Certos requisitos advêm deste conceito, no que toca às redes de comunicação industriais, entre os quais se destacam a necessidade de garantir comunicações tempo-real bem como suporte a uma gestão dinâmica dos recursos, os quais são de extrema importância. Várias linhas de investigação procuraram desenvolver tecnologias de rede capazes de satisfazer tais exigências. Uma destas soluções é o "Hard Real-Time Ethernet Switch" (HaRTES), um switch Ethernet com suporte a comunicações de tempo-real e gestão dinâmica de Qualidade-de-Serviço (QoS), requisitos impostos pela Indústria 4.0. O processo de projeto e implementação de redes industriais pode, no entanto, ser bastante moroso e dispendioso. Tais aspetos impõem limitações no teste de redes de largas dimensões, cujo nível de complexidade é mais elevado e requer o uso de mais hardware. Os simuladores de redes permitem atenuar o impacto de tais limitações, disponibilizando ferramentas que facilitam o desenvolvimento de novos protocolos e a avaliação de redes de comunicações. No âmbito desta dissertação desenvolveu-se um modelo do switch HaRTES no ambiente de simulação OMNeT++. Com um objetivo de demonstrar uma solução que possa ser utilizada em redes de tempo-real industriais, esta dissertação apresenta os aspetos fundamentais do modelo implementado bem como um conjunto de experiências que o comparam com um protótipo laboratorial já existente, no âmbito da sua validação.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Worst-Case Timing Analysis of AeroRing- A Full Duplex Ethernet Ring for Safety-critical Avionics

Avionics implementation with less cables will clearly improve the efficiency of aircraft while reducing weight and maintenance costs. To fulfill these emerging needs, an innovative avionics communication architecture, based on Gigabit Full Duplex Ethernet ring, is proposed in this paper. To adapt this COTS technology to safety-critical avionics, an adequate tuning process of the communication protocol and the choice of reliability mechanisms to achieve timely and reliable communications are first detailed. Then, efficient timing analyses of such a proposal based on Network Calculus are conducted, accounting the impact of a ring topology and the specified reliability mechanisms. Third, these general analyses are illustrated in the case of a realistic avionic application, to replace the AFDX backup network with AeroRing, to reduce wires, while guaranteeing timely communications

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

A dynamically reconfigurable hard-real-time communication protocol for embedded systems

Echtzeitkommunikation ist eine Grundanforderung für viele verteilte eingebettete Systeme. Für eine neue Klasse von Anwendungen sind jedoch nicht nur Echtzeitfähigkeit, sondern auch Flexibilität und Anpassungsfähigkeit notwendige System-Attribute. Um die Flexibilität zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit ein neues Kommunikationsprotokoll namens TrailCable konzipiert. Es profitiert von den Eigenschaften des Earliest Deadline First Scheduling-Verfahrens, wie z. B. der optimalen Ausnutzung von Ressourcen und der Unterstützung von heterogenen Tasks. Ein Kommunikationsnetzwerk wird aufgebaut mit Hilfe von voll-Duplex-, Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wobei die Knoten Datenpakete weiterleiten können, um eine Multi-hop Übertragung zu gewährleisten. Es werden Methoden vorgestellt, die es erlauben, automatisch die Kommunikationsanforderungen erfüllende Echtzeit-Kanäle auf das Netzwerk abzubilden. Echtzeit-Kanäle können nur dann aktiviert werden, wenn im Voraus ein Akzeptanztest erfolgreich durchgeführt wurde. Solch eine Prüfung kann mittels eines Tools automatisch erfolgen. Alle dafür notwendigen Netzwerkinformationen werden aus XML-Dateien eingelesen. Zur Laufzeit prüft ein Mechanismus, der Bandbreitenwächter genannt wird, ob die eingelesenen Pakete mit ihrer Spezifikation übereinstimmen, damit Fehler die Echzeitfähigkeit anderer Kanäle nicht beeinträchtigen können. Zeitkritische Funktionen des Kommunikationsprotokolls, wie Scheduling, Bandbreitenwächter, Routing und Uhrsynchronisation, sind mittels dedizierter Hardware implementiert. Ein voll funktionsfähiger FPGA-basierter Prototyp wurde aufgebaut und in zahlreichen Tests evaluiert, um das Echtzeit-Verhalten des Protokolls unter realen Bedingungen zu testen und zu analysieren.Real-time communication is a basic requirement for many distributed embedded systems. However, for an emerging new class of applications not only real-time behavior but also flexibility and adaptability will become necessary system attributes. In order to increase the flexibility of real-time communication systems a new protocol called TrailCable was designed. It takes advantage of the properties of Earliest Deadline First (EDF) scheduling, which include optimal utilization bounds and the possibility to cope with heterogeneous task sets. A communication network is built with full-duplex, point-to-point links, and nodes can route packets to allow multi-hop message delivery. This work introduces methods for automatically mapping real-time channels on a given network directly from communication requirement specifications. The activation of real-time channels in the network is permitted only after a successful schedulability analysis, which can be executed automatically by a tool that checks XML-based network configuration models. At run-time, the characteristics of all incoming packets are checked against their specification by an admission control technique called bandwidth guardian, which is used to ensure that occasional faults will not impair the timeliness of other real-time channels. Time-critical functions of the communication protocol, such as scheduling, admission control, packet routing, and clock synchronization, are implemented by means of dedicated hardware. A fully operational FPGA-based prototype was built and used in different measurement experiments to validate the real-time behavior of the protocol under real conditions.Tag der Verteidigung: 02.04.2012Paderborn, Univ., Diss., 201

Time-Sensitive Networking for Industrial Automation: Challenges, Opportunities, and Directions

With the introduction of Cyber-Physical Systems (CPS) and Internet of Things (IoT) into industrial applications, industrial automation is undergoing tremendous change, especially with regard to improving efficiency and reducing the cost of products. Industrial automation applications are often required to transmit time- and safety-critical data to monitor and control industrial processes, especially for critical control systems. There are a number of solutions to meet these requirements (e.g., priority-based real-time schedules and closed-loop feedback control systems). However, due to their different processing capabilities (e.g., in the end devices and network switches), different vendors may come out with distinct solutions, and this makes the large-scale integration of devices from different vendors difficult or impossible. IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) is a standardization group formed to enhance and optimize the IEEE 802.1 network standards, especially for Ethernet-based networks. These solutions can be evolved and adapted into a cross-industry scenario, such as a large-scale distributed industrial plant, which requires multiple industrial entities working collaboratively. This paper provides a comprehensive review on the current advances in TSN standards for industrial automation. We present the state-of-the-art IEEE TSN standards and discuss the opportunities and challenges when integrating each protocol into the industry domains. Finally, we discuss some promising research about applying the TSN technology to industrial automation applications