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Das Forschungscluster Industrie 4.0 stellt in acht Beiträgen aktuelle Ergebnisse aus seinen vielfältigen Forschungsprojekten vor. Es werden virtuelle Techniken in der Produktentwicklung, Lehrkonzepte für Industrie 4.0, Energy Harvesting bei Antennen, Energiemanagement in Produktionsanlagen, firmenübergreifende IT-Security Anforderungen, dezentral gesteuerte Produktionsprozesse und Spracherkennung mit Mikrocontrollern behandelt.
Das Thema Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist noch immer ein wesentlicher Aspekt bei der Planung, bei der Installation und beim Betrieb von Automatisierungssystemen. Kommunikationsnetzwerke wie zum Beispiel PROFIBUS und PROFINET sind als robuste und zuverlässige Übertragungssysteme bekannt. Dennoch ist für deren Funktion die Beachtung einiger grundlegender Prinzipien wichtig, um einen störungsfreien Betrieb über ein langes Anlagenleben zu gewährleisten. Der Beitrag beschreibt zunächst einige Grundlagen der EMV. Basierend auf diesen Grundlagen werden dann sechs Handlungsempfehlungen abgeleitet, die bei der Planung eines Automatisierungssystems für den Einsatz in der Fertigungsindustrie zu beachten sind. Abschließend wird ein Ausblick auf die weiterführenden Arbeiten für Anlagen der Prozessindustrie gegeben.
Dieser Beitrag adressiert einleitend die aktuelle Bedrohungslage aus Sicht der Industrie mit einem Fokus auf das Feld und die Feldgeräte. Zentral wird dann die Frage behandelt, welchen Beitrag Feldgeräte im Kontext von hoch vernetzten Produktionsanlagen für die künftige IT-Sicherheit leisten können und müssen. Unter anderem werden auf Basis der bestehenden Standards wie IEC 62443-4-1, IEC 62443-4-2 oder der VDI 2182-1 und VDI 2182-4 ausgewählte Methoden und Maßnahmen am Beispiel eines Durchflussmessgerätes vorgestellt, die zur künftigen Absicherung von Feldgeräten notwendig sind.
Die Studie gibt einen Überblick über Energiemanagementfunktionen und deren Integration in Automatisierungssysteme. Sie besteht aus den folgenden Teilen:
1.) Bestandsaufnahme und Marktübersicht von Energiemanagementsystemen, insbesondere von den an der Studie beteiligten Firmen und zwei weitere Produkte als Referenz.
2.) Anwenderinterviews mit Anwendern aus verschiedenen Schlüsselindustrien der Prozess- und Fertigungsautomatisierung zur Evaluierung künftiger Anforderungen und Erwartungen an ein Energiemanagement insbesondere auch im Hinblick auf die Integration in Automatisierungssysteme.
3.) Bedeutung des Energiemanagements in der Zukunft und daraus abzuleitende Maßnahmen.
Es wird der Fall des reinen Internverkehrs zwischen endlich vielen Teilnehmern bei voller Erreichbarkeit der Verbindungswege an einem einfachen Modell behandelt. Die Verkehrsgrößen werden berechnet. Der Verlust wird nach seinen verschiedenen möglichen Entstehungsursachen spezifiziert. Die entsprechenden Verlustwahrscheinlichkeiten werden exakt berechnet. Für die numerische Berechnung werden Rekursionsformeln abgeleitet. Unter den genannten Voraussetzungen sind die angegebenen Beziehungen auch für kleinste Teilnehmeranzahlen gültig. Ein aktueller Anwendungsfall liegt bei der Bemessung der Sprechkreisanzahl in einem Nachrichtensystem mit dezentraler Vermittlungstechnik und Vielfachzugriff zu den vorhandenen Sprechkreisen vor.
Diese kurze Einführung zu Bedienungssystemen konzentriert sich auf grundlegende Gesetzmäßigkeiten für Bedienungssysteme im stationären Zustand (Flusserhaltung, Little-Theorem), die wesentlichen Kenngrößen (Angebot, Belastung, Restverkehr, Wartebelastung, Wartewahrscheinlichkeit, mittlere Bediendauer, mittlere Wartedauer, mittlere Durchlaufdauer) eines Bedienungssystems werden anschaulich eingeführt. Die Erlang-Formel und die Khintchine-Pollaczek-Formel werden diskutiert. Die Einführung ergänzt das Buch "Digitale Kommunikationssysteme 2 - Grundlagen der Vermittlungstechnik" des Verfassers, ist aber völlig eigenständig lesbar.
Viele erwachsene Deutsche sind keine guten und geübten Leser. Sachtexte führen deswegen zu Unklarheiten, Fehlentscheidungen und Nachfragen. Diese Konzequenz stellt sich auch bei geübten aber fachfremden Lesern ein. Nur eine sprachliche Anpassung an Leser kann das ändern. Der Aufsatz vergleicht dazu zwei Ansätze, Einfache Sprache und Leichte Sprache. Der Autor vertritt die Auffassung, dass nur eine einfache Sprache als Lösung des genannten Dilemmas taugt. Leichte Sprache ist gegenwärtig das einzige Instrument, um Menschen mit neuronalen Schädigungen einen Inhalt zu übermitteln. Doch auch dafür nutzt sie nur eingeschränkt. Die Wissenschaft wird an diesen Themen arbeiten müssen. Sie steht erst am Anfang.
Innerhalb digitaler Nebenstellenanlagen können kurzfristig die verbesserten Kommunikationsmöglichkeiten eines „Integrated Services Digital Network" unabhängig von der Existenz eines nur langfristig realisierbaren, durchgehend digitalen öffentlichen Netzes angeboten werden. Beim Anschluß an die bestehenden öffentlichen Netze ergeben sich jedoch einige Probleme: Z. B. müssen die Bedingungen des bestehenden Dämpfungsplans eingehalten werden, auch im ungünstigsten Fall sind ausreichend hohe Signal-Quantisierungsgeräusch-Abstände sicherzustellen, für die Text- und Datenkommunikation mit den derzeit bestehenden öffentlichen Netzen sind u. U. zusätzliche Einrichtungen in der Nebenstellenanlage erforderlich. Diese Einführungsprobleme werden diskutiert und Lösungsmöglichkeiten hierzu vorgeschlagen.
Zur Verbesserung der IT-Sicherheit im klassischen Büroumfeld wird bereits eine neue Firewall-Technologie, die sogenannte Next Generation Firewall verwendet. Um diese Technologie im Produktionsbereich einzusetzen, muss sie vorher getestet werden, da sich die Priorisierung der Schutzziele im Produktionsbereich und im Büroumfeld unterscheidet. In dieser Arbeit werden das Einsatzgebiet und die Wirkungsweise von Firewalls in industriellen Automatisierungssystemen im Allgemeinen und spezifisch für Next Generation Firewalls untersucht. Die Untersuchung geht auf die Aufgaben der einzelnen Firewalls in einem Produktionsunternehmen ein und prüft, welche Firewall durch eine Next Generation Firewall ergänzt werden kann. Dazu werden die konventionellen Firewall-Technologien mit der neuen Firewall-Technologie verglichen und bewertet. Der Nutzen der Next Generation Firewall in der Produktionsumgebung wird am Beispiel eines ausgewählten Angriffsszenarios erklärt. Abschließend werden Empfehlungen für dessen Einsatz in industriellen Automatisierungssystemen gegeben.
The topic of electromagnetic compatibility (EMC) remains an important aspect during the planning, installation and operation of automation systems. Communication networks, such as PROFIBUS and PROFINET, are known to be robust and reliable transmission systems. Nevertheless, it is important that a number of fundamental principles needs to be observed to ensure fault-free operation over a long plant lifetime. This paper first describes a number of principles of EMC. On the basis of these principles, six recommendations for action are then developed which are to be observed during the planning of an automation system for use in the manufacturing industry. Finally, an overview is provided of future work for systems in the process industry.
Das Forschungscluster Energie – Mobilität – Prozesse stellt in acht Beiträgen aktuelle Ergebnisse aus laufenden Forschungsprojekten vor. Es werden Aspekte der Urbanen Logistik, der Automatisierung von Energiemanagementsystemen, der Effizienz von neuen Kältemaschinen, der Entsäuerung von Kulturgütern, der Auslastung von Pedelec-Vermietsystemen und der Reichweite von Elektrofahrzeugen behandelt. Zusätzlich werden relevante Daten in Form von 17 Diagrammen kompakt zusammengestellt.
Die zunehmenden Anwendungsfälle der vertikalen und horizontalen Vernetzung von Automatisierungssystemen erhöhen gleichzeitig auch die Bedrohungen der IT-Sicherheit der relevanten automatisierten technischen Prozesse. Zukünftige Anlagenstrukturen werden stärker vernetzt und dezentralisiert organisiert sein, oder sogar weltweit mit anderen technischen Systemen über das Internet kommunizieren. Dies erfolgt häufig über standardisierte Kommunikationsprotokolle, im Weiteren Middleware genannt. Daher ist die Bedeutung standardisierter Verfahren und Modelle zur Erleichterung der Sicherheitskonfigurationen der Middleware, die die folgenden Anforderungen erfüllen, von wesentlicher Bedeutung:
- Sichere Kommunikation (sichere Middleware)
- Authentifizierung und Autorisierung der Kommunikationspartner auch bei stark vernetzten Systemen und Ad-hoc-Verbindungen
- Einfache Verwaltung von Sicherheitsmaßnahmen ohne erheblichen Mehraufwand für die Organisation
Die bestehende Referenzarchitektur und die Sicherheitsmerkmale der entsprechenden Middleware werden untersucht, um deren Anwendbarkeit in verschiedenen Stufen der Automatisierungspyramide zu ermitteln. Es werden die Sicherheitsmerkmale für eine durchgängig sichere Kommunikation und deren Flexibilität bei der Integration in eine Public Key Infrastruktur (PKI) untersucht. Die bestehenden Zugangskontrollmechanismen und deren Zukunft im Rahmen von Industrie 4.0 werden bewertet. Die Möglichkeiten zur Integration des mit Attributzertifikaten aktivierten Berechtigungsmechanismus im Rahmen von OPC UA werden in diesem Projekt untersucht und als Teil des Demonstrators implementiert. Die Anwendungsrelevanz der entwickelten Lösungen wird gewährleistet, indem die Projektpartner des projektbegleitenden Ausschusses bei der Erstellung und dem Review von Konzepten frühzeitig beteiligt werden.
Die Digitalisierung birgt sowohl für den Unternehmer, als auch für den Kunden diverse Vorteile. Als Instrument zur Veranschaulichung dieser Vorteile dienen vor allem Service-Apps, welche bereits von großen Unternehmen beispielsweise zur Produktnachverfolgung etabliert wurden. Das Mittelstand 4.0 – Kompetenzzentrum Hannover legt den Fokus auf kleine und mittelständische Produktionsbetriebe und vermittelt das Potenzial der Digitalisierung im Rahmen von Industrie 4.0. Dies geschieht anhand einer Produktionslinie personalisierter Kugelschreiber und einer zu Demonstrationszwecken entwickelten App für mobile Endgeräte. Konzeptionierung, Entwicklung und Umsetzung dieser App werden genauestens aufgeführt und erläutert. Die App wurde unter dem Betriebssystem Android entwickelt und gliedert sich in sieben Phasen, beginnend mit der Anforderungsanalyse bis hin zur Veröffentlichung im Google Play Store. Während der Unternehmer die Möglichkeit geboten bekommt, Rückschlüsse als Entscheidungshilfe zur effizienteren Gestaltung der Produktion zu nutzen, ist der Kunde in der Lage, seine Aufträge echtzeitnah in der Produktion nachzuverfolgen und gegebenenfalls Änderungen vorzunehmen.
Entwicklung und Untersuchung von Erkennungssoftware für den Einsatz im Projekt Herbar Digital
(2009)
Kommerzielle OCR-Programme sind nicht in der Lage kursiv geschriebene Handschriften zu lesen. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren entwickelt, um kursive handgeschriebene Buchstaben zu erkennen und darüber hinaus auch deren Schreiber zu bestimmen. Dazu muss der statische Buchstabe in eine dynamische Form gebracht werden. Dies geschieht mit dem Modell einer trägen Kugel, die durch den Schriftzug rollt. Über den Schreiber kann evtl. der Name des Entdeckers einer Pflanze bestimmt werden. Bei dieser Offline-Schreibererkennung werden verschiedene Verfahren wie die Nachbildung der Schreiblinie einzelner Buchstaben durch z.B. Legendre-Polynome verwendet. Bei Verwendung nur eines Buchstabens der Schreiber wird eine Erkennungsrate von bis zu 80% erreicht.
In dieser Arbeit werden Verfahren zur visuellen Beurteilung von Stabilitätseigenschaften nichtlinearer, zeitdiskreter Systeme und mögliche Anwendungen vorgestellt. Ausgehend von den erforderlichen Grundbegriffen der Chaostheorie werden verschiedene Maße zur Detektion, Beschreibung und Visualisierung chaotischen Systemverhaltens motiviert, mathematisch definiert, physikalisch interpretiert und gedeutet: der Lyapunov Exponent, die Entropie, das Fourierspektrum und die Korrelation.
Als erste Anwendung basierend auf diesen Gütemaßen wird das Verhalten von linearen und nichtlinearen rekursiven Systemen visualisiert und verglichen. Es zeigt sich, dass bei rekursiven linearen Systemen der Übergang von einem stabilen in einen instabilen oder chaotischen Zustand kontinuierlich erfolgt, während dieser Übergang bei nicht linearen Systemen häufig abrupt auftritt. Unter Verwendung der vorgestellten Visualisierung lässt sich sehr genau nachvollziehen, welche Parameter und insbesondere welche Parameterübergänge dabei kritisch sind. Diese Kenntnis ist sehr wichtig für eine störfreie Systemparametrierung und eine erforderliche Arbeitspunktsuche.
In einer zweiten Anwendung wird chaotisches Systemverhalten als Generator optimal orthogonaler Signalfunktionen eingesetzt. Dazu wird die Rekursionsfolge in einem chaotischen Arbeitspunkt eines nichtlinearen rekursiven Systems als Musterfunktion eines statistischen Zufallsprozesses interpretiert: Je chaotischer das Systemverhalten und je kleiner die Varianz des Korrelationsmaßes desto besser können orthogonale Signalfolgen modelliert werden. Solche Signalfolgen sind von großer Bedeutung, wenn digitale Nachrichten über einen gestörten Kanal mit minimalem Daten- und Energieaufwand übertragen werden sollen.
Als abschließendes Beispiel wird die fraktale Bildcodierung vorgestellt. Sie beruht nicht wie die klassischen Verfahren der Bildcodierung (Prädiktion, Transformation) auf statistischen Eigenschaften des Bildsignals sondern ausschließlich auf Selbstähnlichkeit. Die Bildpunkte eines Bildblockes werden nicht durch deren Grauwerte sondern durch ein Fraktal beschrieben, wobei dieses Fraktal durch eine kontraktive, affine Abbildung der Grauwertinformation dargestellt wird. Dieses Fraktal, d.h. diese Abbildungsvorschrift oder Gesetzmäßigkeit beschreibt die vollständige Information des Bildes. Durch die Anwendung dieser fraktalen Darstellung wird das codierte Bild aus beliebigen Bildern gleicher Größe generiert.
Das Forschungsprojekt „Herbar Digital” [JKS00] startete 2007 mit dem Ziel der Digitalisierung des Bestands von mehr als 3,5 Millionen getrockneter Pflanzen bzw. Pflanzenteile auf Papierbögen (Herbarbelege) des Botanischen Museums Berlin. Da gelegentlich der Sammler der Pflanze unbekannt ist, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren entwickelt, um aus kursiv geschriebenen Buchstaben deren Schreiber zu bestimmen. Dazu muss der statische Buchstabe in eine dynamische Form gebracht werden. Dies geschieht mit dem Modell einer trägen Kugel, die durch den Schriftzug rollt. Bei dieser Offline-Schreibererkennung werden verschiedene Verfahren wie die Nachbildung der Schreiblinie einzelner Buchstaben durch z.B. Legendre-Polynome verwendet. Bei Verwendung nur eines Buchstabens der Schreiber wird eine Erkennungsrate von durchschnittlich 40% erreicht. Durch Kombination von mehreren Buchstaben steigt die Erkennungsrate stark an und beträgt bei 13 Buchstaben und 93 Schreibern einer internationalen Datenbank 98,6%.
Our research project, "Rationalizing the virtualization of botanical document material and their usage by process optimization and automation (Herbar-Digital)" started on July 1, 2007 and will last until 2012. Its long-term aim is the digitization of the more than 3,5 million specimens in the Berlin Herbarium. The University of Applied Sciences and Arts in Hannover collaborates with the department of Biodiversity Informatics at the BGBM (Botanic Garden and Botanical Museum Berlin-Dahlem) headed by Walter Berendsohn. The part of Herbar-Digital here presented deals with the analysis of the generated high resolution images (10,400 lines x 7,500 pixel).
