Industrial Ethernet Communication protocols for Real-Time communication is the focus of research in a variety of different industrial Applications. The subject of thesis study is a comprehensive analysis of Industrial Ethernet protocols used in safety-critical real-time environment, comparing these based on performance, safety, diagnostics and error detection features, topology preference, cost incurred and openness of the protocol. The protocols chosen for this comparisons are ModbusTCP, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, Profinet IO, EtherCAT®, Sercos III, and CC-LINK IE, because they are most relevant for real-time applications and they have a widespread global presence in a lot of industrial applications. The industry in focus here is the spacecraft industry, which is a perfect example of a real-time safety-critical environment, where the protocols need to perform under harsh conditions, such as vibrations, exposure to radiation , extreme temperatures and low atmospheric pressure, and have strict timing requirements. The communication protocols for this environment are held to very high standards of performance and communication accuracy. The challenge here is to implement a protocol that can provide deterministic, real-time communication in such extreme conditions. The protocol in focus here is the ModbusTCP protocol , that is implemented on the ESBO-DS Stratospheric Balloon project to establish a communication link with the pointing system on board. ModbusTCP is chosen for this application because it is reliable, has a large support base, it is easy to implement, transparent and extremely interoperable. All these benefits along with providing real-time communication on a space-based application gives us a good reason to continuing the use of ModbusTCP here. The conclusion of the comparison of the selected real-time communication Industrial Ethernet protocols is that there is no “best ” protocol, and the choice of protocol depends on the application in focus. EtherCAT, SERCOS III and PROFINET IRT are all powerful hard real-time protocols, but require dedicated and expensive hardware for implementation. CC-Link IE is also a popular hard real-time protocol that uses special hardware and is well-established in the East Asian countries. Ethernet/IP and ModbusTCP control a large market share in the Industrial Communication domain in addition to providing good performance easily available tools. Ethernet Powerlink is open and provides both implementation and specification royalty free on its organisations website. / Industriella Ethernet-kommunikationsprotokoll för realtidskommunikation är fokus för forskning inom en mängd olika industriella tillämpningar. Ämnet för avhandlingsstudien är en omfattande analys av industriella Ethernet-protokoll som används i säkerhetskritiska realtidsmiljöer, som jämför dessa baserat på prestanda, säkerhet, diagnostik och feldetekteringsfunktioner, topologipreferenser, uppkomna kostnader och protokollets öppenhet. De valda protokollen för dessa jämförelser är ModbusTCP, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, Profinet IO, EtherCAT®, Sercos III och CC-LINK IE, eftersom de är mest relevanta för realtidsapplikationer och de har en utbredd global närvaro i många industriella tillämpningar. Branschen i fokus här är rymdfarkostindustrin, som är ett perfekt exempel på en realtidssäkerhetskritisk miljö, där protokollen måste fungera under tuffa förhållanden, såsom vibrationer, exponering för strålning, extrema temperaturer och lågt atmosfärstryck, och har strikta tidskrav. Kommunikationsprotokollen för denna miljö håller mycket höga standarder för prestanda och kommunikationsnoggrannhet. Utmaningen här är att implementera ett protokoll som kan tillhandahålla deterministisk kommunikation i realtid under sådana extrema förhållanden. Protokollet i fokus här är ModbusTCP-protokollet, som är implementerat i ESBO-DS Stratospheric Balloon-projektet för att upprätta en kommunikationslänk med peksystemet ombord. ModbusTCP är vald för denna applikation eftersom den är pålitlig, har en stor supportbas, den är lätt att implementera, transparent och extremt driftskompatibel. Alla dessa fördelar tillsammans med att tillhandahålla realtidskommunikation på en rymdbaserad applikation ger oss en god anledning att fortsätta använda ModbusTCP här. Slutsatsen av jämförelsen av de valda realtidskommunikationens Industrial Ethernet-protokoll är att det inte finns något bästaprotokoll, och valet av protokoll beror på applikationen i fokus. EtherCAT, SERCOS III och PROFINET IRT är alla kraftfulla hårda realtidsprotokoll, men kräver dedikerad och dyr hårdvara för implementering. CC-Link IE är också ett populärt hårt realtidsprotokoll som använder speciell hårdvara och är väletablerat i de östasiatiska länderna. Ethernet/IP och ModbusTCP kontrollerar en stor marknadsandel inom industriell kommunikationsdomän förutom att de tillhandahåller bra prestanda lättillgängliga verktyg. Ethernet Powerlink är öppet och tillhandahåller både implementering och specifikation royaltyfritt på sin organisations webbplats.

För att minska den globala uppvärmningen bär utbyggnaden av förnybar energiproduktion en stor vikt i dagens samhälle. Av den anledningen är det av stor betydelse som nya tekniker för energiproduktion testas. För att undersöka huruvida dessa tekniker är effektiva och lönsamma är det viktigt att deras produktionsdata publiceras och görs tillgänglig för allmänheten. Det är anledningen till att det här projektet beställts från Ihus via STUNS energi. Projektidén var att samla in högfrekvent uppmätt produktionsdata från en soltracker, ett vindkraftverk och ett batterilager. Dessutom skulle väderdata samlas från en väderstation och solinstrålningsmätare för att sedan offentliggöra datan via STUNS Energiportal. För genomförandet av projektet användes en enklare dator för att ta emot information från olika sensorer. För att kommunicera med enheterna användes olika standardiserade kommunikationsprotokoll. Enheterna konfigurerades och kopplades in i datorn. Den insamlade datan bearbetades med en programmerad kod. Programmet sände iväg datan till en molnlagringsplattform för att sedan publicera den. Uppkoppling mot soltrackerns växelriktare samt pyranometern lyckades. Den insamlade informationen från de två enheterna publicerades sedan på Energiportalen. Väderstationen producerade data men kommunikation med det ursprungligt tänkta protokollet lyckades inte att upprättas. Genom ett annat protokoll erhölls värden, men inte genom den implementerade koden. Dessutom uppstod problem med batterilagret och vindkraftverket. Ingen information lyckades hämtas från någon av dem. I projektets gång har det samlats in mätpunkter var femte sekund för respektive enhet. Utifrån det erhållna resultatet kan de konstateras att vid högfrekvent insamling av väder- och produktionsdata, blir viktig information tydligare för vardera energiproduktionsenhet. Denna information kan gå förlorad vid lågfrekvent datainsamling. Det beror på vädrets hastiga fluktuation. En lågfrekventare datainsamling ger således en sämre uppfattning av hur värdena egentligen ändras med tiden.

Computers network in the hospital environments are central topics of discussion on the use of systems applied to health care to ensure data capture of vital signs. This study aims at analyzing the data capture model of the proposed sensor node, using the Modbus protocol communication standard in the acquisition of multi-parametric information of biological signs of patients. The research was conducted with experimental purpose to characterize the ModBus protocol in the RS485 serial network. It was also performed a systematic review to support the choice of the data model and serial communication standard in wired networks. Thus, a sensor node prototype (PIC18F26K20) was built to capture body temperature and heart rate in the wired communication network in which the protocols CAN and ModBUS were tested. The data from the sensor nodes were subjected to capture tests and sending the data to the central node, and displayed on portable platform (Smartphones). It was also observed the bandwidth characteristics and quality of the obtained data. The systematic review showed a trend in the use of the CAN protocol as wired communication standard for HealthCare activities, the application used in the experiment presented limitations. However, after the experiment using the ModBus protocol, this was adequate and easy to implement applications in the hospital environment, having a low-cost platform as a solution to that area. / Redes de computadores em ambientes hospitalares são temas centrais de discussão sobre a utilização de sistemas aplicados à atividade em saúde que garantam a captura dos dados de sinais vitais. O presente trabalho teve como objetivo analisar o modelo de captura dos dados do nodo sensor proposto, utilizando o padrão de comunicação do protocolo ModBUS na aquisição de informações multiparamétricas de sinais biológicos de pacientes. A pesquisa foi desenvolvida com propósito experimental para a caracterização do protocolo ModBUS sob a rede serial RS485. Foi realizada, ainda, uma revisão sistemática para subsidiar a escolha do modelo de dados e do padrão de comunicação serial em redes cabeadas. Para tanto, foi construído um protótipo de nodo sensor (PIC18F26K20) para captura de temperatura corporal e frequência cardíaca na comunicação da rede com fio na qual os protocolos CANbus e ModBUS foram testados. Os dados dos nodos sensores foram submetidos a testes de captura e envio dos dados ao nodo central, e exibidos em plataforma portáteis (Smartphones). Foram, ainda, observadas as características de largura de banda e qualidade dos dados obtidos. A revisão sistemática demonstrou uma tendência na utilização do protocolo CANbus como padrão de comunicação cabeado para as atividades HealthCare, a aplicação utilizada no experimento apresentou limitações. No entanto, após experimento utilizando o protocolo ModBus, este mostrou-se adequado e de fácil implementação em aplicações na área hospitalar, tendo uma plataforma de baixo custo como solução para a referida área.

This diploma thesis deals with the design and implementation of a computer-controlled device for testing gas boiler control units, especially in the development phase. The reason for creating a test facility is the inadequacy of older test systems and the automation of existing testing. The test device in development consists of individual different cards. Each of the cards inserted into the motherboard performs its function in the system. Each of the cards has a special functionality which simulates the real conditions of the developed product. The basis of most cards is a microcontroller with a Cortex-M core, which communicates with the connected computer using the MODBUS protocol on the RS-485 communication interface. All cards on the bus are connected in parallel and behaves as a SLAVE, while the computer behaves as a MASTER and requests data or sends commands to the cards. The cards represent status switches (switching sensors), resistance and analog temperature sensors, PWM inputs and outputs (for simulation of feedback pumps or flow meters with pulse output). The cards also include a flame simulator, which reliably simulates the electrical properties of the flame and at the same time acts as a fan simulator. The input of the control unit is taken care of by the input card, which is intended for digital detection of the voltage presence in the range of 5 to 230 V DC and AC. Simultaneously, a card for connecting the power supply at zero voltage and disconnecting at zero current is created to supply the tested device with alternating voltage. A schematic diagram was designed or simulated for each card, then the function was verified and on this basis the whole card was created, including the microcontroller firmware. The most suitable solution and function of each card is carefully described and evaluated. All the requirements of the assignment within the work were met and the whole test equipment was manufactured and verified in four versions. In the future, the device is ready for the implementation of an automatic flame simulator and other improvements of individual module cards.

Det blir allt viktigare med effektiv resurs- och energianvändning. Vatten är en av de viktigasteresurserna som finns och FN har till och med satt upp globala mål för att försöka öka tillgångentill rent vatten för hela jordens befolkning. I Sverige är det inte ovanligt att vatten slösas utifrån prioritering för komfort och bekvämlighet. Ett exempel är att låta duschen rinna för att få en varm och jämn temperatur innan duschningen påbörjas. Detta examensarbete görs i samarbetemed företaget CTC och berör varmvattenproduktion i deras produkt EcoZenith i360. Processen som regleras är värmeväxlingen mellan två vätskor i produktens plattvärmeväxlare. Syftet är att förbättra regleringen av varmvattentemperaturen med mål att utgående temperatur stabiliseras snabbt vid start. Målen är att minska regleringens insvängningstid, översväng och undersväng genom att införa information om aktuellt flöde för att anpassa regleringen samt anpassa det fasta startvärdet som används av cirkulationspumpen. För att kunna genomföra projektet behöver ett system skapas som hanterar kommunikationen med modulen och styrpumphastigheten. Ett krav på kommunikationen var att Modbusprotokoll skulle användas. Syftet har försökt uppnås genom att kartlägga den befintliga produkten för att hitta vilka faktorer som främst påverkar regleringen. Dynamikvariationer visades vara en avgörande faktor som föranledde att parameterstyrning med anpassade PID-regulator inställningar valdes. Kodprogram för den nya regleringen togs fram som hanterade dataöverföring med två olika slavar över en och samma kanal. Fel i dataöverföringen behövdes kunna detekteras och hanteras för att inte störa eller stanna upp regleringen. Resultatet av arbetet är att undersvängen i samtliga fall minskats medan insvängningstid och översväng har blandade resultat. Att minska undersvängen blev en prioriterad fråga i arbetet eftersom det till största del påverkar kundupplevelsen. Vid ett beräknat exempel uppskattas en minskning på 14 % av en användares dagliga vattenförbrukning kunnat uppnås genom användandet av den nya, framtagna regleringen. / The importance of managing one’s use of natural resources and energy consumption is increasing. Water is one of the most important resources there is and the UN has set global goals to try and increase access to clean water for all mankind. In Sweden, it is not unheard of water being wasted due to a priority of comfort and convenience. One example is to let the water in the shower run before entering to make sure the temperature is hot and even. This thesis is made together with the company CTC and handles hot water production in their product EcoZenith i360. The process to be controlled is the heat exchange between two fluids inthe product's plate heat exchanger. The purpose is to improve the control of the hot water temperature in regards to making the produced water temperature quickly stabilize from the start. The goals are to decrease the settling time, overshoot, and undershoot for the process by adding information about actual water flow to the controller and adjusting the fixed pump speed. A system needs to be created to handle the communication between the module and other devices as well as being able to control the pump speed. One limitation is to use the Modbus protocol when implementing the communication. To achieve the thesis’ purpose the current module has been mapped out to identify what factors most affect the controller. Due to the dynamic range being the most significant factor, gain scheduling with fitted PID controller settings was chosen. A program with the new control was made to handle communication with two slaves over the same line. Error detection needed to be implemented and handled to ensure the system would not stop running. The result of the project showed that the undershoot decreased in all cases while the overshoot and settling time had various results. The undershoot became a prioritized goal since it mostly affected the customer experience. A calculated example shows a potential decrease in a user's daily water usage by 14 % if the new regulation is used.