Fakultät I - Elektro- und Informationstechnik
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Dieses Research Paper befasst sich mit dem Thema der Hochverfügbarkeit von Automatisierungsnetzwerken am Beispiel von PROFINET. Anhand von verschiedenen PROFINET-Topologien soll verdeutlicht werden, durch welche Maßnahmen eine hohe Verfügbarkeit erzielt werden kann. Zuvor wird mithilfe von grundliegenden Berechnungsbeispielen gezeigt, wie sich die Verfügbarkeit eines technischen Systems ermitteln lässt. Anschließend erfolgt für die Betrachtung der Gesamtverfügbarkeit einer PROFINET-Anlage eine genaue Bestimmung der jeweiligen Verfügbarkeitswerte für die einzelnen PROFINET-Geräte. Ein besonderes Augenmerk richtet sich hierbei speziell auf die Verwendung von IO Devices mit redundanten bzw. nicht-redundanten Interfacemodulen. Für das Erzielen einer hohen Verfügbarkeit sind nicht nur PROFINET-Geräte von entscheidender Bedeutung, sondern auch die Stuktur des PROFINET-Netzwerks. Im Zusammenspiel mit den bereits existierenden Redundanzprotokollen, die für die Verwaltung des Datenverkehrs zuständig sind, werden in diesem Bericht mehrere Topologien anhand verschiedener Eigenschaften und Voraussetzungen auf ihre Vor- und Nachteile untersucht und entsprechend ihrer Gesamtverfügbarkeitswerte bewertet.
Dieses Research Paper basiert im Wesentlichen auf der Bachelorarbeit von Herrn Sebastian Stelljes an der Hochschule Hannover. Im Nachgang zur Arbeit wurden noch weitere Aspekte untersucht und mit den Inhalten der Bachelorarbeit zu diesem Research Paper zusammengeführt.
Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Forschungsprojektes INSA sollen wichtige Beiträge zur Verbesserung der IT-Sicherheit von Produktionsanlagen insbesondere in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) realisiert und erprobt werden.
Die IT-Sicherheit von Produktionsanlagen wird zu einer immer wichtigeren Komponente des Schutzes von Unternehmen gegen Cyber-Attacken. Neben Angriffen aus dem Internet sind dabei interne Angriffsquellen in Betracht zu ziehen. Gängige Vorgehensmodelle, wie z. B. die VDI-Richtlinie 2182, setzen dabei unter anderem auf eine wiederkehrende Analyse der Bedrohungen und auf die Implementierung entsprechender Schutzmaßnahmen. Die Durchführung einer solchen wiederkehrenden Gefährdungsanalyse ist mit einem wiederkehrenden manuellen Aufwand verbunden, weshalb kleine und mittlere Unternehmen die Durchführung dieser Maßnahmen häufig meiden. Ziel des Projektes ist die Unterstützung kleiner und mittlerer Unternehmen bei der Durchführung entsprechender Bedrohungsanalysen zu unterstützen.
Der Ansatz des Projektes beruht auf der automatisierten bzw. teilautomatisierten Erfassung der installierten Automatisierungskomponenten (Assets). Danach kann für bekannte Standardkomponenten durch die Verwendung wissensbasierter Methoden eine Beurteilung der Bedrohung einer Automatisierungsanlage erfolgen. Hierfür wird fachspezifisches Wissen erfasst und verarbeitet wird. Diese Methoden können bei Bedarf in die Engineering-Oberfläche einer Automatisierungsanlage intergiert werden.
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.
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.
Bei der Integration technischer Energiemanagementsysteme (tEnMS) in Automatisierungsanlagen fällt ein hoher Engineering-Aufwand an, besonders für die Steuerungsprogrammierung. Dieser Engineering-Aufwand ist für industrielle Anwender der Hauptgrund, integrierte tEnMS nicht einzusetzen. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Integriertes Anlagenengineering zur Erhöhung der Energieeffizienz (IAE4)“ (Förderkennzeichen: ZN2948; Forschungsprofessur des Landes Niedersachsen/Volkswagenstiftung) wurde untersucht, wie sich dieser Engineering-Aufwand reduzieren lässt. Hierzu wurde ein Software-Werkzeug entwickelt, das die benötigten Steuerungsprogramme automatisch aus Engineering-Daten und Gerätebeschreibungsdateien generiert. Dieser Beitrag stellt die Ergebnisse des IAE4-Projektes vor.
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.
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.
Quartz-crystal microbalances (QCMs) are commercially available mass sensors which mainly consist of a quartz resonator that oscillates at a characteristic frequency, which shifts when mass changes due to surface binding of molecules. In addition to mass changes, the viscosity of gases or liquids in contact with the sensor also shifts the resonance but also influences the quality factor (Q-factor). Typical biosensor applications demand operation in liquid environments leading to viscous damping strongly lowering Q-factors. For obtaining reliable measurements in liquid environments, excellent resonator control and signal processing are essential but standard resonator circuits like the Pierce and Colpitts oscillator fail to establish stable resonances. Here we present a lowcost, compact and robust oscillator circuit comprising of state-of-the-art commercially available surface-mount technology components which stimulates the QCMs oscillation, while it also establishes a control loop regulating the applied voltage. Thereby an increased energy dissipation by strong viscous damping in liquid solutions can be compensated and oscillations are stabilized. The presented circuit is suitable to be used in compact biosensor systems using custom-made miniaturized QCMs in microfluidic environments. As a proof of concept we used this circuit in combination with a customized microfabricated QCM in a microfluidic environment to measure the concentration of C-reactive protein (CRP) in buffer (PBS) down to concentrations as low as 5 μgmL -1.
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.
Organisation der ITSicherheit in der Produktion : in zehn Schritten zur sicheren Produktionsanlage
(2018)
Der folgende Beitrag befasst sich mit der IT-Sicherheit von Produktionsanlagen aus Betreibersicht. Hierbei liegt der Fokus auf den organisatorischen Aspekten der IT-Sicherheit. In einer Bestandsaufnahme werden zunächst die Probleme herausgearbeitet, die entstehen, sofern sich eine Organisation im Wesentlichen auf technische Aspekte der IT-Sicherheit konzentriert. Daraus wird die Notwendigkeit organisatorischer Maßnahmen abgeleitet. Eine Betrachtung von Normen und Standards, die sich mit den organisatorischen Aspekten der IT-Sicherheit in der Produktion befassen, liefert das Grundgerüst für die Ableitung eines Maßnahmenplans. Der daraus resultierende 10-Punkte-Plan zur Umsetzung der IT-Sicherheit in der Produktion schließt den Beitrag ab.
