Fakultät I - Elektro- und Informationstechnik
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Das PROFINET Protokoll wurde in der aktuellen Version um Security-Funktionen erweitert. Damit können für PROFINET flexible Netzwerkarchitekturen unter Berücksichtigung von OT-Security Anforderungen entworfen werden, die durch die bisher erforderliche Netzwerksegmentierung nicht möglich waren. Neben den Herstellern der Protokollstacks sind nachfolgend auch die Komponentenhersteller gefordert, eine sichere Implementierung in ihren Geräten umzusetzen. Die erforderlichen Maßnahmen gehen dabei über die Nutzung eines sicheren Protokollstacks hinaus. Der Beitrag zeigt am Beispiel eines Ethernet-APL Messumformers mit PROFINET-Kommunikation die künftig von PROFINET-Geräteherstellern zu berücksichtigenden technischen und organisatorischen Rahmenbedingungen.
Kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die dem Bereich der Automatisierungstechnik zuliefern, stehen vor der wachsenden Herausforderung, dass Kundinnen und Kunden vermehrt Produkte fordern, die im Sinne der IT-Sicherheit „sicher“ entwickelt werden. Die Norm IEC 62443-4-1 beschreibt einen solchen sichereren Produkt-Entwicklungslebenszyklus. Derartige Standards stellen hohe Anforderungen an die Organisation der Prozesse. Um die Umsetzung dieses Prozesses auch KMU zu ermöglichen, werden im folgenden Dokument Musterprozesse beschrieben, die Unternehmen befähigen die Anforderungen zu verstehen und im eigenen Unternehmen ein-, bzw. fortzuführen.
PROFINET Security: A Look on Selected Concepts for Secure Communication in the Automation Domain
(2023)
We provide a brief overview of the cryptographic security extensions for PROFINET, as defined and specified by PROFIBUS & PROFINET International (PI). These come in three hierarchically defined Security Classes, called Security Class 1, 2 and 3. Security Class 1 provides basic security improvements with moderate implementation impact on PROFINET components. Security Classes 2 and 3, in contrast, introduce an integrated cryptographic protection of PROFINET communication. We first highlight and discuss the security features that the PROFINET specification offers for future PROFINET products. Then, as our main focus, we take a closer look at some of the technical challenges that were faced during the conceptualization and design of Security Class 2 and 3 features. In particular, we elaborate on how secure application relations between PROFINET components are established and how a disruption-free availability of a secure communication channel is guaranteed despite the need to refresh cryptographic keys regularly. The authors are members of the PI Working Group CB/PG10 Security.
The shift towards RES introduces challenges related to power system stability due to the characteristics of inverter-based resources (IBRs) and the intermittent nature of renewable resources. This paper addresses these challenges by conducting comprehensive time and frequency simulations on the IEEE two-area benchmark power system with detailed type 4 wind turbine generators (WTGs), including turbines, generators, converters, filters, and controllers. The simulations analyse small-signal and transient stability, considering variations in active and reactive power, short-circuit events, and wind variations. Metrics such as rate of change of frequency (RoCoF), frequency nadir, percentage of frequency variation, and probability density function (PDF) are used to evaluate the system performance. The findings emphasise the importance of including detailed models of RES in stability analyses and demonstrate the impact of RES penetration on power system dynamics. This study contributes to a deeper understanding of RES integration challenges and provides insights for ensuring the reliable and secure operation of power systems in the presence of high levels of RES penetration.
Im Rahmen des Projektes ist eine Plattform für Komponenten intelligenter Gebäudeautomationssysteme entwickelt worden und deren Brauchbarkeit wurde an zwei Demonstratoren aufgezeigt. Die entwickelten Komponenten werden gleichzeitig sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Umweltverträglichkeit zukünftiger Produkte, beispielsweise intelligenter Raumbediengeräte oder intelligenter Türschlösser, wesentlich steigern.
Charakteristisches Merkmal der Plattform ist der geringe Energiebedarf. Die Kombination dieser Merkmale ermöglicht einen längeren drahtlosen Betrieb mit weniger Batteriezellen im Vergleich zu bestehenden Systemen. Die Steigerung der Wirtschaftlichkeit ergibt sich bereits durch die Ausdehnung der Wartungsintervalle für den Batteriewechsel und die Steigerung der Umweltverträglichkeit folgt aus der verringerten Menge anfallender Altbatterien. Darüber hinaus konnten unterschiedliche Energy-Harvesting-Technologien umgesetzt werden die einen geringeren Energieverbrauch der Applikation voraussetzen. Der Einsatz des Multi-Energy-Harvesting bietet das Potenzial zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit der Plattform. Bei ausreichend verfügbarer Energie kann EnergyHarvesting die gesamte Energieversorgung einer Komponente gewährleisten und es kann auf Batterien vollständig verzichtet werden.
Der Bericht geht auf die Umsetzung des Konzepts und die Resultate ein. Dabei basieren die Kapitel des Berichts auf den Arbeitspaketen des Projekts. In den einzelnen Arbeitspaketen wird auf die Ergebnisse der Projektpartner bzw. gemeinsame Ergebnisse eingegangen. Am Berichtsende folgt eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf die Verwendung der Ergebnisse durch die Projektpartner.
Unverständliche Texte sind ein täglicher Alptraum vieler Millionen Erwachsener in deutschsprachigen Ländern. Ob Behördenbrief, Beipackzettel oder Betriebsanleitung: Man mag das Kauderwelsch nicht lesen. Dabei ist es gar nicht so kompliziert, diesen Ärger aus der Welt zu schaffen. Dieses Buch berichtet von Hintergründen und zeigt, wie man es macht.
The trend towards the use of Ethernet in automation networks is ongoing. Due to its high flexibility, speed, and bandwidth, Ethernet nowadays is not only widely used in homes and offices worldwide but finding its way into industrial applications. Especially in automation processes, where many field devices send data in relative short time spans, the requirements for a safe and fast data transfer are high. This makes the use of industrial Ethernet essential. A new hardware-layer, specifically tailored for industrial applications, has been introduced in the form of Ethernet-APL (‘Advanced Physical Layer’). Ethernet-APL is based on the Ethernet standard and implements a two-wire Ethernet-based communication for field devices and provides data and power over a two-wire cable. The operation in areas with potentially explosive atmosphere is also possible. This enables a modular, fast, and transparent Ethernet network structure throughout the entire plant. However, by integrating Ethernet-APL into the field, industrial networks in the future will face the challenge of operating at varying datarates at different locations in the network, resulting in a ‘mixed link speed’ network. This can lead to limitations in packet-throughput and consequently to potential packet loss of system relevant data, which must be avoided. Therefore, the purpose of this thesis is to investigate the potential of packet loss in ‘mixed link speed’ networks.
Einfluss von Industrie 4.0 auf die Anwendbarkeit von Lastmanagement in der industriellen Produktion
(2018)
Technische Energiemanagementsysteme (kurz und im Folgenden tEnMS) in der produzierenden Industrie dienen heute meinst dem Messen, Speichern und Auswerten von Energieverbrauchsdaten. Allerdings besteht auch die Möglichkeit der Vorhersage und aktiven Einflussnahme auf die Energieaufnahme von Produktionsumgebungen durch das tEnMS. Derartige Funktionen werden als Prognose- und Lastmanagementfunktionen bezeichnet. Industrielle Produktionsumgebungen erfahren im Rahmen von Industrie 4.0 einen Wandel. Dieser Beitrag soll aufzeigen, wie tEnMS durch den beschriebenen Wandel beeinflusst werden und welche Chancen sich daraus für zukünftige tEnMS ergeben.
Ability of Black-Box Optimisation to Efficiently Perform Simulation Studies in Power Engineering
(2023)
In this study, the potential of the so-called black-box optimisation (BBO) to increase the efficiency of simulation studies in power engineering is evaluated. Three algorithms ("Multilevel Coordinate Search"(MCS) and "Stable Noisy Optimization by Branch and Fit"(SNOBFIT) by Huyer and Neumaier and "blackbox: A Procedure for Parallel Optimization of Expensive Black-box Functions"(blackbox) by Knysh and Korkolis) are implemented in MATLAB and compared for solving two use cases: the analysis of the maximum rotational speed of a gas turbine after a load rejection and the identification of transfer function parameters by measurements. The first use case has a high computational cost, whereas the second use case is computationally cheap. For each run of the algorithms, the accuracy of the found solution and the number of simulations or function evaluations needed to determine the optimum and the overall runtime are used to identify the potential of the algorithms in comparison to currently used methods. All methods provide solutions for potential optima that are at least 99.8% accurate compared to the reference methods. The number of evaluations of the objective functions differs significantly but cannot be directly compared as only the SNOBFIT algorithm does stop when the found solution does not improve further, whereas the other algorithms use a predefined number of function evaluations. Therefore, SNOBFIT has the shortest runtime for both examples. For computationally expensive simulations, it is shown that parallelisation of the function evaluations (SNOBFIT and blackbox) and quantisation of the input variables (SNOBFIT) are essential for the algorithmic performance. For the gas turbine overspeed analysis, only SNOBFIT can compete with the reference procedure concerning the runtime. Further studies will have to investigate whether the quantisation of input variables can be applied to other algorithms and whether the BBO algorithms can outperform the reference methods for problems with a higher dimensionality.
The growing importance of renewable generation connected to distribution grids requires an increased coordination between transmission system operators (TSOs) and distribution system operators (DSOs) for reactive power management. This work proposes a practical and effective interaction method based on sequential optimizations to evaluate the reactive flexibility potential of distribution networks and to dispatch them along with traditional synchronous generators, keeping to a minimum the information exchange. A modular optimal power flow (OPF) tool featuring multi-objective optimization is developed for this purpose. The proposed method is evaluated for a model of a real German 110 kV grid with 1.6 GW of installed wind power capacity and a reduced order model of the surrounding transmission system. Simulations show the benefit of involving wind farms in reactive power support reducing losses both at distribution and transmission level. Different types of setpoints are investigated, showing the feasibility for the DSO to fulfill also individual voltage and reactive power targets over multiple connection points. Finally, some suggestions are presented to achieve a fair coordination, combining both TSO and DSO requirements.