Periodic event-based control with past measurements transmission and multiple control computations. Design, analysis and FPGA implementation

Over the last years, the advent of the Industry 4.0 and the Industrial Internet of Things paradigms resulted in a more and more widespread use of battery-operated wireless devices in industrial control systems. This poses significant problems as for network bandwidth utilisation and battery lifetime. Event-based control is a convenient methodological framework to address both problems, because it allows bandwidth- and/or battery-critical devices to activate only when this is needed. Specialising the treatise to control loops, two problems are however open. The first is how to possibly extend controller tuning rules conceived for a fixed-rate implementation to the case of an event-based one, and this problem is well studied. The second, which is significantly less studied, is that event-based loops quite naturally require sensors to be "smart" enough to suggest a processor aboard them, while constraints relative to energy consumption do not allow to install highly secure operating systems. This means that unprotected intelligence is being put at the edge of the control network, and if the so created attack surface is successfully exploited, plant-level damage can be the result. In the research line to which this thesis belongs, we study the two problems above jointly. In such a research context, this thesis first proposes a purpose-specific periodic event-based control scheme in which, when an event occurs, a convenient number of samples of the controlled variable before and after the event are sent. This idea is than used to create a tuning rule for an event-based controller by extending a continuous time one (namely, the IMC-PID) that is well assessed and widely used. After characterising the sensor "smart" functionalities needed, the thesis finally shows, by means of a proof-of-concept implementation, that those sensor functionalities can be realised in hardware, which inherently avoids the above security breach while perserving a degree of flexibility and (re)configurability adequate for use in an industrial setting.

Negli ultimi anni, l'avvento dei paradigmi di Industry 4.0 e Industrial Internet of Things ha portato ad un uso sempre più diffuso di dispositivi wireless alimentati a batteria nei sistemi di controllo industriale. Ciò pone problemi significativi per quanto riguarda l'utilizzo della banda della rete e la durata della batteria. Il controllo event-based è un framework metodologico molto adatto per affrontare entrambi i problemi, poiché consente ai dispositivi critici in termini di larghezza di banda e/o batteria di attivarsi solo quando è necessario. Specializzando la trattazione ai loop di controllo, due problemi restano aperti. Il primo è come estendere regole di taratura dei regolatori concepite per un'implementazione a passo temporale fisso al caso di una basata, invece, su eventi, e questo problema è ben studiato. Il secondo, che è significativamente meno studiato, è che i loop basati su eventi tendono naturalmente a richiedere che i sensori siano abbastanza "intelligenti" da suggerire d'installarvi un processore, mentre i vincoli relativi al consumo di energia non consentono l'utilizzo di sistemi operativi altamente sicuri. Ciò significa che dell'intelligenza non protetta viene messa ai confini della rete di controllo; se la superficie di attacco così creata viene sfruttata con successo, può derivarne un danno a livello di impianto. Nella linea di ricerca a cui questa tesi appartiene, i due problemi di cui sopra si studiano congiuntamente. In tale contesto di ricerca, questa tesi propone dapprima uno specifico schema di controllo periodic event-based in cui, quando si verifica un evento, viene trasmesso un opportuno numero di campioni della variabile controllata prima e dopo l'evento stesso. Questa idea viene utilizzata per creare una regola di taratura per un controllore basato su eventi estendendone una a tempo continuo (specificamente, quella detta IMC-PID) che è ben nota e ampiamente utilizzata. Dopo aver caratterizzato le funzionalità "intelligenti" del sensore che risultano necessarie, la tesi mostra infine, mediante un'implementazione proof-of-concept, che tali funzionalità possono essere realizzate in hardware, il che evita intrinsecamente i problemi della sicurezza di cui sopra pur mantenendo un grado di flessibilità e (ri)configurabilità adeguato per l'uso in ambienti industriali.