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Wireless Communication Techniques and Methodology for Functional Safety in Industry

Pablo Sanz Fontaneda


11/10/2023

  • DIRECTORES: Iñaki Val Beitia  & Pablo Angueira Buceta
  • UNIVERSIDAD: UPV-EHU

RESUMEN

Esta tesis estudia el impacto de la propagación inalámbrica en entornos industriales sobre las comunicaciones en sistemas de seguridad (safety). La tesis aborda una metodología para el análisis de la satisfacción de los estrictos requisitos impuestos por la normativa que estandariza las aplicaciones safety. Al enfrentarse a las difíciles condiciones del canal inalámbrico en los entornos industriales, este objetivo plantea un desafío considerable. Los ingenieros y diseñadores de los sistemas para safety, han de ser conscientes de la degradación y nuevas problemáticas que el medio inalámbrico impone por su naturaleza. Se busca garantizar que las comunicaciones inalámbricas no sean causa de situaciones potencialmente peligrosas para la producción del sistema, las personas que lo utilizan o para el entorno que le rodea.

Las normativas existentes para la estandarización de aplicaciones safety se encuentran muy arraigadas en diferentes sectores industriales. Existe una gran cantidad de normativas y documentación regulatoria al respecto, donde cada una define y particulariza diversos escenarios de aplicación. además, un aspecto importante de dicha normativa es que está en constante evolución. La gran mayoría de los estándares parten de una definición inicial basada en sistemas cableados, que por otra parte constituyen también una mayoría de los sistemas actuales. Estos sistemas cableados presentan un rendimiento mucho mayor que los inalámbricos si bien adolecen de todas las ventajas de estos últimos como flexibilidad, mantenimiento, escalabilidad, etc. Por otra parte, la caracterización de los sistemas inalámbricos para safety es un campo por explorar. Una correcta caracterización, siguiendo una metodología precisa, podría permitir a los ingenieros pautas de diseño de sistemas que satisfagan los límites de integridad safety (SIL - Safety Integrity Levels), criterio principal para clasificar el rendimiento safety de una aplicación.

En esta tesis doctoral se repasan las principales normativas safety, con especial interés en aquellas que juegan un papel en la caracterización de las comunicaciones. Se identifican metodologías de caracterización safety en esas comunicaciones, destacando la evaluación de las capas de seguridad de la comunicación (SCL - Safety Communication Layer). Esta capas extra dentro del stack de protocolos, está compuesta por un conjunto de contramedidas destinadas a limitar la aparición de eventos peligrosos.

El trabajo identifica la integridad de los mensajes como el principal problema para la validación safety de una función de seguridad (SIF - Safety Instrumented Function). Se revisan y se estudian las principales herramientas de preservación de la integridad, así como los métodos para la caracterización de su rendimiento. Se estudia el impacto del medio inalámbrico en la capacidad que tienen los códigos CRC (Cyclic Redundancy Check) de detectar tramas corruptas. Esta degradación ha de ser considerada cuando se defina una capa de seguridad. Con el fin de mejorar el rendimiento de los sistemas basados en CRCs la tesis se estudia la posibilidad de utilizar esquemas redundantes con un objetivo doble. Por un lado, dotar al sistema de la capacidad de integridad suficiente como para llegar a satisfacer algunos de los limites SIL. Y, por otro lado, no dejar de lado otras vertientes de la seguridad funcional (functional safety), como son la fiabilidad y la disponibilidad.

La tesis abarca también la caracterización del resto de contramedidas que se pueden encontrar en una capa SCL genérica. Se estudia el impacto que el medio inalámbrico tiene en todas ellas. Esta evaluación se realiza en dos pasos. El primero, más simple, analiza el rendimiento de la SCL sobre un sistema de banda estrecha. Y otro, más complejo, donde el sistema utiliza un esquema de modulación OFDM, donde se tienen en cuenta perturbaciones como la dispersión temporal que da lugar a desvanecimientos selectivos, considerando además el beneficio de la codificación como herramienta para solventar ciertos casos que pudieran acarrear eventos peligrosos en la SIF. Esta metodología permitiría caracterizar el rendimiento safety de un sistema con estas características.

La tesis contribuye con modelos analíticos y también con estudios empíricos sobre diferentes maquetas de laboratorio. Entre estos estudios empíricos se incluye un estudio en el National Institute of Standards and Technology (NIST) en el que se estudia e integra una capa SCL en una maqueta industrial de robots colaborativos. A través de estas pruebas se ha podido evidenciar alguna de las problemáticas de integración de las SCLs en entornos industriales, como pueden ser la relación entre la disponibilidad y safety, o los problemas de latencia asociados a los sistemas inalámbricos en aplicaciones con requisitos estrictos de safety.

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