https://www.mdu.se/

In the industrial domain customers expect a product longevity of 10-20 years, with high reliability and availability. Since industrial distributed control systems often are safety critical, aspects such as determinism, low latency and jitter are crucial. More and more industrial systems are becoming connected to the Internet, since end customers are requiring e.g. business intelligence and diagnostic information, anywhere at any time. Industrial systems that traditionally have been isolated are now facing entirely new challenges that will require new competences and ways of working. Introducing a new type of network in the industrial domain is a big investment, with high risks, often lacking known best practices. Time to market with sufficient quality is of high importance. A lot of time is spent on isolated activates, such as, simulations, updating tools, collecting requirements, design, coding, debugging, documentation, creating testbeds, validation and reviews. Therefore, there is a need to improve the efficiency when moving between the research and development phases for several reasons, e.g., integrate innovative research findings into industrial systems, shorten time to market, and improve product quality. This thesis focuses on improving efficiency during research and development of communication software. First, network evaluation methods are studied, and key industrial challenges are identified. For example, despite a huge research effort on network simulators and virtualization, there are still challenges that need to be addressed, in order for increased industrial benefits. Secondly, this thesis propose a flexible communication stack design that supports different run-time behaviors, from real-time operating system to bare-metal systems without an operating system, and different types of communication protocols, from real-time to non-real-time. Finally, this thesis propose a set of key features from network simulators, that are implemented and used as a case study in a research project. These contributions lead to simplification and increased automation, hence reducing the amount of manual work during research and development.

Inom industrin förväntar sig slutkunderna att produkterna har en livslängd på 10–20 år med hög tillförlitlighet och tillgänglighet. De flesta industriella styrsystem automatiserar säkerhetskritiska processer. Detta gör att aspekter som förutbestämt beteende med små fördröjningar och variationer är avgörande för att skydda person, miljö och egendom. Trender som den nya digitaliseringen, sakernas internet, molnet, 5G, maskininlärning och artificiell intelligens, bidrar till att antalet styrsystem som ansluts till Internet ökar. Ökningen beror mycket på att slutkunder börjar förvänta sig nya tjänster, samt tillgång till affärs- och diagnostikinformation även utanför arbetsplatserna. Att introducera nya kommunikationslösningar inom industrin är ofta en stor investering. Riskerna är oftast höga samtidigt som befintliga kommunikationsteknologier och protokoll behöver stödjas även i framtiden. Att få ut produkterna snabbt på marknaden med bibehållen kvalitet är av stor betydelse. Under forsknings- och utvecklingsarbete spenderas mycket tid på isolerade aktiviteter som till exempel simuleringar, uppdateringar av verktyg, insamling av krav, design, programmering, felsökning, dokumentation, testning och granskningar. Att snabbt byta mellan dessa aktiviteter är ofta inte helt enkelt, på grund av att olika metoder och verktyg inte automatiskt kan utbyta eller överföra information. Fokus i denna avhandling är att förbättra effektiviteten vid forskning och utveckling av kommunikationsmjukvara. Effektiviteten är viktig av flera skäl, till exempel att snabbt integrera nya och innovativa forskningsresultat, snabbare nå marknaden med produkter och förbättra produktkvalitet. Initialt studeras olika metoder för att utvärdera kommunikationsfunktionalitet. Metodernas användbarhet kartläggs i förhållande till aktiviteter under forsknings- och utvecklingsarbete, samt viktiga industriella utmaningar identifieras. Trots stora forskningsinsatser inom nätverkssimulatorer, emulatorer och virtualisering, så finns det fortfarande utmaningar kvar för ökad användbarhet och nytta inom industrin. Vidare föreslås en flexibel kommunikationsstackdesign som stöder olika typer av egenskaper och implementationer, från realtidsoperativsystem till enheter helt utan operativsystem, samt olika typer av kommunikationsprotokoll, från realtid till icke-realtid. Slutligen föreslås en reducerad uppsättning nyckelfunktioner till nätverkssimulatorer, vilka implementerats och använts i en fallstudie i ett forskningsprojekt. Dessa bidrag tillsammans medför en förenkling och ökad automatisering vilket gör att mängden manuellt arbete minskar under forsknings- och utvecklingsarbete.