RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Studio e sperimentazione di un sistema di comunicazione ad onde convogliate in impianti elettrici navali

Università di riferimento

Università degli Studi di CATANIA - INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E DEI SISTEMI - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Salvatore Alfonzetti

Descrizione

L’azione dell’unità di ricerca (UR) di Catania si articolerà in 3 fasi, corrispondenti alle fasi definite nel progetto generale riguarderà principalmente le attività dei Gruppi di Lavoro GL1, GL5, e GL7, definiti nel modello A.
Nell’ambito del GL1 l’UR di Catania intende contribuire alla definizione di parametri che consentano di caratterizzare il comportamento del canale di comunicazione in un'ampia banda di frequenze e situazioni tipiche del funzionamento nautico. Questi parametri dovranno essere definiti in modo tale da poter essere successivamente inseribili in un modello teorico di canale.
Nell’ambito del GL5 l’attività dell’unità riguarderà gli aspetti di compatibilità elettromagnetica dei sistemi PLC. I segnali elettrici che trasportano i dati nei sistemi PLC infatti viaggiano in cavi non schermati e quindi possono interferire con l’ambiente circostante disturbando il funzionamento di altri dispositivi vicini. Purtroppo non è possibile stimare i campi elettromagnetici senza conoscere la posizione e la forma geometrica dei cavi dell’impianto nella particolare applicazione, per cui dato che la topologia degli impianti elettrici navali non è standardizzata ma varia da imbarcazione ad imbarcazione è praticamente impossibile prevedere le emissioni di un sistema PLC a prescindere dall’impianto in cui esso agisce. Ne consegue l’impossibilità di caratterizzare le emissioni di questi sistemi in modo analogo ai dispositivi elettronici per i quali esse vengono determinate in laboratorio dato che le loro emissioni rimangono le stesse ovunque i dispositivi vengano utilizzati. I ricercatori dell’unità hanno una consolidata esperienza di calcolo di campi elettromagnetici prodotti da cavi percorsi da segnali con il contenuto spettrale utilizzabile per i sistemi PLC ed hanno quindi gli strumenti di simulazione e le competenze adeguate per collegare in modo corretto i campi alla potenze dei segnali. I ricercatori dell’UR di Catania prevedono di affrontare lo studio definendo un impianto di riferimento (in accordo con i ricercatori delle altre unità di ricerca) che sia sufficientemente semplice ma rappresentativo di un impianto reale in ambiente navale. Per tale impianto di riferimento si valuteranno i campi elettromagnetici (in prossimità dei conduttori) prodotti dalle correnti di modo comune alle frequenze di interesse (1-30 MHz). Infatti, in letteratura è noto che le emissioni provenienti da sistemi PLC sono dovute principalmente alle correnti di modo comune, che a loro volta originano da asimmetrie geometriche del sistema PLC.
La valutazione dei campi elettromagnetici verrà effettuata mediante simulazioni numeriche, utilizzando il codice di calcolo ad elementi finiti ELFIN, già in possesso dei ricercatori della stessa UR, in quanto interamente sviluppato da essi, per la ricerca nel settore del CAD elettromagnetico. Allo stato attuale il codice consta di oltre 500 subroutine per un totale di circa 60.000 istruzioni Fortran. Per mezzo di questo codice è possibile studiare dispositivi elettromagnetici per la cui analisi occorre risolvere problemi elettrostatici, magnetostatici, di correnti parassite e/o con effetto pelle, sia in 2 che in 3 dimensioni. Inoltre ELFIN consente di effettuare analisi di campo elettromagnetico in regime sinusoidale sia per problemi di radiazione che di scattering in 3 dimensioni; esso utilizza elementi tetraedrali di tipo edge e tiene conto della non limitatezza del dominio di analisi mediante il metodo ibrido FEM-RBCI (Finite Element Method -Robin Boundary Condition Iteration). Tale metodo, ideato dai ricercatori dell’unità, è un metodo ibrido che consente di studiare sistemi radianti o irradiati, composti da più oggetti separati, anche di materiali differenti e con condizioni al contorno di vario tipo; introdotto un contorno fittizio che include l'intero sistema elettromagnetico, su esso e' arbitrariamente imposta un'opportuna condizione al contorno di tipo Robin (o misto) non omogenea, il cui termine noto e affinato iterativamente mediante un'equazione integrale che fa uso della funzione di Green dello spazio libero. Si può facilmente dimostrare che la scelta migliore della condizione al contorno di tipo Robin è quella di tipo assorbente. Confronti con altri metodi ed esempi numerici mostrano che la procedura è accurata ed evita problemi di risonanza per qualsiasi valore della frequenza dell'onda incidente o radiata.
I ricercatori dell’unità di Catania intendono utilizzare il metodo FEM-RBCI implementato in ELFIN per analizzare sia i campi emessi dal sistema PLC di riferimento sia la sua suscettività rispetto a onde elettromagnetiche provenienti dall’esterno.
Data la complessità geometrica prevista dell’impianto di riferimento, è facile ipotizzare notevoli tempi di calcolo per conseguire simulazioni numeriche accurate dei campi elettromagnetici. Sarà quindi necessario utilizzare architetture per il calcolo parallelo ed adattare di conseguenza il codice ELFIN in tal senso. A tale scopo si intende realizzare un cluster di personal computer presso il laboratorio di CAD Elettromagnetico del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica e dei Sistemi (DIEES) dell’Università di Catania. Il codice ELFIN, così adattato, potrà essere compilato anche sui nodi della griglia computazionale del progetto PI2S2 (http://www.pi2s2.it/) del consorzio COMETA (COnsorzio Multi Ente per la promozione e l'adozione di Tecnologie di calcolo Avanzato), a cui già partecipano i ricercatori dell’UR di Catania. Inoltre i ricercatori dell’unità intendono dotarsi di un codice commerciale che si basi su metodo dei momenti (MoM), il quale potrebbe essere usato sia per confrontare i risultati con le simulazioni ad elementi finiti, sia nel caso in cui l’estensione geometrica dell’impianto di riferimento non consentisse un uso agevole del metodo degli elementi finiti.
Ovviamente i risultati ottenuti in relazione all’impianto di riferimento hanno valore solo per esso e sono difficilmente estendibili ad altri impianti. Pur tuttavia si cercherà di ottenere un qualche legame, anche in senso statistico, fra i valori delle grandezze elettriche (correnti e tensioni dei segnali PLC) ed i valori del campo elettromagnetico emesso. A tale scopo si può ipotizzare di modificare l’impianto di riferimento per ottenere un insieme, statisticamente più significativo, di tipologie di impianti PLC in ambiente navale.
Infine nell’ambito del GL7 l’UR contribuirà all’implementazione di un simulatore di trasmissione dati PLC in impianti elettrici navali. Tutti i software e gli algoritmi sviluppati saranno inclusi in un unico simulatore del sistema di trasmissione PLC. Le prestazione del sistema di trasmissione saranno analizzate simulando varie condizioni di funzionamento dell’impianto elettrico navale. Alla fine della fase di simulazione verrà realizzato un prototipo del sistema di trasmissione in cui un PC, sul quale saranno implementati gli algoritmi precedentemente ottimizzati, comanderà un generatore di forma d’onda arbitraria, collegato ad un circuito di accoppiamento, che invierà segnali nel canale di trasmissione verso un sistema di ricezione formato da un corrispondente circuito di accoppiamento ed una scheda di acquisizione collegata ad un altro PC per la demodulazione dei dati. Il prototipo verrà testato a bordo di imbarcazioni in cantiere per una prima verifica dell’efficienza del sistema e per valutare eventuali modifiche da apportare, e successivamente in condizioni operative di funzionamento in mare.