Digital Twin con Comunicazioni Deterministiche basate su TSN e OPC UA FX

L’evoluzione verso l’industria 5.0, unita all’introduzione di tecnologie come il Digital Twin richiede convergenza tra le reti (IT) e (OT). Per operare in tempo reale è necessario garantire comunicazioni deterministiche. Le reti Ethernet basate su Best Effort introducono latenze e jitter variabili, rendendo questa tecnologia non adatta al traffico critico. Questo elaborato presenta ASTRID, un’architettura che supera l’Ethernet integrando Time Sensitive Networking (TSN) e OPC UA Field eXchange (FX). Il framework è sviluppato in Python: un canale Publisher/Subscriber UDP per la trasmissione Real-Time e un canale Client/Server TCP per la configurazione. Al fine di minimizzare l'uso della banda, è stata adottata la codifica UADP. La topologia hardware include un PC Advantech come nodo Publisher, uno switch Relyum TSN Bridge e un Nvidia Jetson Orin come Digital Twin (Subscriber). Il determinismo è stato ottenuto sincronizzando i dispositivi tramite IEEE 802.1AS (gPTP) e implementando il Time Aware Shaper IEEE 802.1Qbv. ASTRID prevede una pipeline di monitoraggio basata su InfluxDB e Grafana. La validazione di ASTRID è stata realizzata su rete satura con traffico di disturbo fino a 900 Mbps. I risultati mostrano la superiorità della rete TSN. Nello scenario Ethernet standard si è assistito ad un forte degrado, con latenza di 1.5 ms e jitter di 11.8 ms. L’architettura TSN ha mantenuto latenza di 0.20 ms e jitter a 0.42 ms. Il traffico critico è stato isolato. Un’analisi dell’overhead ha evidenziato che in TSN il collo di bottiglia si sposta allo stack software. L’elaborazione software ha registrato ritardi di 1.67 ms a fronte di 0.79 ms hardware. Questo test dimostra come l’uso di linguaggi interpretati introduca latenza che può essere abbattuta utilizzando linguaggi a basso livello e sistemi operativi RealTime.