Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

This paper presents a series of attacks against Siemens S7-300 programmable logic controllers (PLCs), using our remote IHP-Attack tool. Due to the lack of integrity checks in S7-300 PLCs, such controllers execute commands whether or not they are delivered from a legitimate user. Thus, they were exposed to various kind of cyber-attacks over the last years such as reply, bypass authentication and access control attacks. In this work, we build up our tool to carry out a series of attacks based on the existing reported vulnerabilities of S7-300 PLCs in the research community. For real world experimental scenarios, our tool is implemented on real hardware/software used in industrial settings (water level control system). IHP-Attack consists of many functionalities as follows: PNIO Scanner to Scan the industrial network and detect any available PLCs/CPs, etc. Inner Scanner to collect critical data about the target PLC’s software blocks. Authentication Bypass to check whether the PLC is password protected, and compromise the PLC. Our tool also shows that once an adversary reaches the target, he is capable of carrying out severe attacks e.g. replay and control hijacking attacks against the compromised controller. All the functions used in our tool are written in Python and based on powerful libraries such as Python-Snap7 and Scapy. The attacks performed in this work generate a very small traffic overhead and a quite short attack time which make them hard to detect by the workstation. We eventually found that deploying traditional detection methods is not sufficient to secure the system. Therefore, we suggest some possible mitigation solutions to secure industrial systems based on S7-300 PLCs from such attacks.

Ein Aspekt von Industrie 4.0 Netzwerken ist die Fusion von OT und IT in ein flexibles, performantes und konvergentes Netzwerk. In zukünftigen Netzwerken verwendete Technologien sind die Spezifikationen der IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking Task Group und OPC UA, die in Kombination das Aufbauen von interoperablen Applikationen und den Austausch von Daten unterstützen. Um diese Vorteile nutzen zu können werden Geräte benötigt, die ihre Datenfähigkeiten und -anforderungen mit einer aussagekräftigen Verwaltungsschale repräsentieren. Dieser Beitrag kombiniert die Aspekte von konvergenten Netzen mit Geräten, die bisher in OT Netzwerken betrieben werden. Hauptpunkt ist ein Konzept einer Verwaltungsschale auszuarbeiten und vorzuschlagen, welches die Herausforderungen von IIOT aus einer datengetriebenen Sicht berücksichtigt. Das Konzept beinhaltet eine gemeinsame Schnittstelle für Produktionsgeräte, das Bereitstellen und Anfordern von Daten, zeitsensitive Streams und eine Schnittstelle für netzwerkspezifische Konfiguration. Außerdem wird das Konzept auf einen industriellen Use Case mit den Technologien TSN und OPC UA angewendet. Dafür werden zeitsensitive Geräte mit switched-endpoint Fähigkeiten genutzt. Diese Geräte werden um Funktionalitäten der vorgeschlagenen Verwaltungsschale erweitert, um sie in zukünftigen konvergenten IIOT-Netzen zu nutzen und flexibel Daten auszutauschen.

Das Internet der Dinge (engl. Internet of Things) breitet sich immer weiter aus. Im Konsumenten- und Heimbereich ist das Thema Internet of Things kurz IoT, bereits weit verbreitet. Auerhalb dieser etablierten Bereiche wird das Thema in der Industrie unter dem Schlagwort Industrial Internet of Things immer relevanter. Dabei gibt es auf die Frage, wie die groe Anzahl an Gerten verwaltet werden soll, noch keine klare Antwort. In der vorliegenden Arbeit wird der aktuelle Stand der Technik im Bereich (Industrial) Internet of Things und Management von IoT Gerten vorgestellt. Die spezifischen Anforderungen an das Gertemanagement werden erhoben und analysiert. Weiter werden Protokolle, Frameworks, Software, Suiten und Plattformen zur Verwaltung von IoT Gerten vorgestellt und evaluiert.

To overcome boundaries in the cross-company data exchange, a new solution to use Distributed Ledger Technology (DLT) for the transfer of data between asset supplier and the Asset Administration Shell (AAS) in a remote repository is proposed in this paper. A short introduction to the AAS and an analysis of DLT in industrial context is given and showing useful properties for industrial usage as well as challenges to solve. The status of the exchange of AASs and possibilities to use DLT in supply chain tracking are described. The new solution combines both concepts by sending data through the distributed ledger from the supplier to the AAS. This is also shown in a proof-of-concept implementation of the solution using IOTA as a DLT and BaSyx as a framework for the AAS. The evaluation and discussion shows challenges and advantages from using the presented approach.

The integration of Open Platform Communications Unified Architecture into the field level holds potential to reduce manual configuration efforts by consistent information modelling and a uniform communication protocol. This paper discusses initiatives that are active in this context and reflects the status of the current specification work. The review focuses on the achievability of Quality of Service requirements, the adaption of established automation system concepts and the introduction of new concepts for automation systems at the field level. Using a remote input/output application as an example, we investigate the impact of new concepts for low-level system engineering. It is shown that besides a possible reduction of configuration steps, a loose coupling between the automation application, the used network infrastructure and the used devices can be achieved.

In the context of Industrie 4.0, (Self-)adapting Cyber-Physical Production Systems (CPPS) offer a solution for production facilities to adapt to changing market requirements. The operation of a CPPS requires information of the entire plant at any time, which can usually be derived by aggregating the individual information of the production modules of a CPPS (information models). Even if the information models are designed following standardized guidelines, the aggregation of these individual information models often needs to be done manually, which requires a lot of effort and is error prone. To achieve an automated information aggregation, this paper presents a novel concept for modular production plants. The main aspect of the concept is the use of a Rule Engine for the processing of information models in order to create aggregated plant information. This Rule Engine uses a classification method for plant components in order to enable standardization. The challenge of this work is to design a Rule Engine that is suitable for different aspects of CPPS.

Screen-based human-machine interfaces are one of the most important elements of industrial automation technologies since modern production lines became too complex to be controlled by a simple start/stop button. While web-based user interfaces have been used in non-industrial areas for many years, they have only been used in industrial applications since the beginning of the Industry 4.0 movement. However, commercially available solutions do not yet have the intuitive operation that customers from non-industrial sectors are accustomed to. In this work, we present a proof-of-concept development that aims to create an intuitive web-based user interface for displaying robot movements. The robot is displayed in a WebGL-based visualization, which also allows user interaction. The user interface is created purely from open standard web technologies so that it works without plugins and is immediately usable in all modern browsers.

Smart Manufacturing stellt neue Anforderungen an die Interaktion zwischen den Komponenten. Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), Cyber-Physical (Production) -Systeme (CP (P) S), Industrial Internet of Things (IIoT) sind die Schlüsselwörter hinter diesen Themen. Allen gemeinsam ist, dass Daten zwischen den Systemen transportiert werden und dass sie gegenseitig verstanden werden müssen. Dies wird häufig mit dem Begriff „Interoperabilität “bezeichnet. Unabhängig von den verwendeten Kommunikations- und Middleware-Technologien müssen die Daten in den Diensten identifiziert und hinsichtlich ihrer Bedeutung erkannt werden. Dies ist eine Herausforderung, da die Interoperabilität während des gesamten Lebenszyklus der Komponenten, Maschinen und Anlagen funktionieren muss, auch wenn unterschiedliche Kommunikations- und Middleware-Technologien verwendet werden. In diesem Artikel wird der Begriff Interoperabilität daher in verschiedene Ebenen unterteilt. Basierend auf den Schichten werden die Hauptmerkmale der Interoperabilität diskutiert. Das Asset Administration Shell (AAS)-Konzept der Industrie 4.0-Initiative wird in Kürze eingeführt, da es mögliche Lösungen für den lebenszyklusübergreifenden Einsatz identifiziert. Außerdem wird eine Zuordnung häufig verwendeter Technologien zu den Interoperabilitätsschichten und deren Beziehung zum AAS bereitgestellt.

Um die Sicherheit von industriellen Fertigungsanlagen von der Entwicklung über den Betrieb bis zur Entsorgung zu gewährleisten, werden bestimmte regulative und normative Anforderungen gestellt. Durch die Vernetzung und die weiteren Entwicklungen im Rahmen der Industrie 4.0 wird der manuelle Aufwand zum Erreichen dieser Sicherheit immer größer und nahezu nicht mehr durchführbar, gerade für kleine und mittelständische Unternehmen. Deswegen untersucht diese Arbeit die vorhandenen Problemstellungen genauer und gibt einen Ausblick auf die möglichen Lösungen in diesem Bereich. Das Ziel ist eine (teil-)automatisierte Sicherheitsbetrachtung von modularen Fertigungsanlagen mit Bezug auf Safety und Security.

A major benefit of Digital Twins is autonomous decision making. The concept of the Asset Administration Shell (AAS) enables an assets interaction in Industry 4.0 application scenarios and beyond. This article defines and validates implementation possibilities for proactive AASs by integrating their different types in an AAS infrastructure for an order driven production. The proactive AAS execute the VDI/VDE 2193-interaction protocol in a demonstrator. For this purpose suitable AAS submodels for production and storage are modeled.

Versatile production systems are a main concept of Industrie 4.0. In order to achieve the needed flexibility and changeability of those systems, the industrial network has to become more adaptable as well. The density of the interconnection between industrial applications increases as well as the interconnection of the industrial network management and these applications. In order to configure the industrial network appropriately, a network management has to be able to identify the requirements of the industrial applications regarding their needed network services and the quality of service. Furthermore, it can be enabled to find alternative configurations, if certain requirements cannot be met, even if it has to influence the industrial process itself.

This paper presents a solution that uses Software-defined Networking (SDN) and OPC UA in combination and achieves a higher amount of flexibility by interacting with the industrial process. For this, the network management gets enabled to influence the industrial process if the quality of service demands of the industrial applications cannot be guaranteed. Additionally, it is able to switch network paths to alternative routes and configures them by using OpenFlow-based SDN switches. The solution is implemented according to a described industrial use case, which underlines the necessity of this solution.

Industrie 4.0 erfordert eine flexible und von der Feldebene (Sensoren und Aktoren) bis in das Internet durchgängige und skalierbare Kommunikationslösung. IEEE 802.1 Ethernet TSN (Time-Sensitive Networking) und Single Pair Ethernet werden als Netzwerktechnologien gesehen, welche dazu einen wichtigen Beitrag leisten können. Zu den Protokollen, die auf Basis dieser skalierbaren Ethernet-Netzwerke genutzt werden können oder genutzt werden, gehören Profinet und OPC UA. Ein SPE-fähiges Gerät sollte mit einem Prozessorsystem mit wenigen kByte Speicher auskommen, da ein solches System u. U. sehr preissensitiv ist und aufgrund der begrenzten Wärmeabgabemenge nur sehr wenig Energie aufnehmen darf. Entsprechend muss neben der Netzwerktechnologie auch das genutzte Protokoll skalierbar sein. Sowohl Profinet als auch OPC UA beinhalten bereits heute Skalierungsmöglichkeiten durch Profile. Die Grenzen dieser Profile und Vorschläge zur Erweiterung dieser Grenzen werden im Beitrag diskutiert.

Bei der Nutzung von IEEE Standards mit dem Schwerpunkt Time Sensitive Networks (TSN) gibt es unterschiedliche mögliche Nutzungskonzepte. Zwei wesentliche Konzepte können unterschieden und anhand von Kriterien verglichen werden. Diese Nutzungskonzepte sind in Bezug auf das Netzwerk diversitär und haben je nach Nutzungskontext Vorteile und Nachteile. Während ein Konzept unter Nutzung von Preemption und Strict Priority in Netzwerken mit skalierter Datenrate Vorteile im Bereich von Speichergrößen der Bridges und Bandbreitennutzung für Best Effort-Daten zeigt, bietet Time Aware Shaping (TAS) insbesondere in Netzwerksegmenten mit einer Datenrate von 100 MBit/s eine kleinere Latenzzeit.

Industrial applications in the era of Industry 4.0 require more flexibility for the integration of new sensors and actuators and also demand high mobility for which wired communication is unsuitable. For the integration of wireless communication systems in an industrial application, guaranteed high Quality of Services (QoSs) is a premise that is not fully covered by wireless systems such as WiFi, Bluetooth, ZigBee or LTE. For the latter, the evolution to 5G systems as private or public networks is a currently ongoing process.

This paper examines the legal and technical requirements to operate a private mobile cell in a smart factory and presents measurements on latency and bandwidth performance of current state of the art hardware as well as the integration in an industrial Layer 2 communication system. The system in use is ready for only low demanding industrial real-time applications but, nevertheless, the advantages of a licensed frequency range for private use become visible. Furthermore, some concepts defined by the 3GPP, e.g. mini-slots and grant free transmission, are pointed out that are expected to enhance the QoS guarantees for industrial traffic.

Einige Hersteller des industriellen Kommunikationssystems PROFINET bieten bereits Produkte für hochverfügbare Systeme an. Durch immer weiter steigende Anforderungen entstehen wiederum hohe Erwartungen an die Verfügbarkeit. Hochverfügbare Systeme besitzen die Eigenschaft, die Verfügbarkeit von Automatisierungsanlagen zu verbessern, um eine fortlaufende und möglichst unterbrechungsfreie Produktion zu gewähren. Dieser Artikel setzt sich daher mit der Untersuchung von geeigneten Automatisierungsnetzwerken auseinander, die anhand ihrer Verfügbarkeit und deren funktionalen Eigenschaften bewertet werden.

In Kap. 1 erfolgt eine Beschreibung zu den Grundlagen der Verfügbarkeit. Wesentliche Kenngrößen werden erläutert, die auf Basis der Verfügbarkeit zu berücksichtigen sind. Ergänzt wird dieses Kapitel durch die Vorstellung von Berechnungsverfahren, die gesetzmäßig für das Ermitteln von Verfügbarkeiten verwendet werden. Am Ende dieses Kapitels erfolgt eine Klassifizierung der Verfügbarkeitswerte, das anhand einer tabellarischen Übersicht nachzuvollziehen ist.

Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden vier verschiedene Topologiekonzepte in Kap. 2 präsentiert, die einen Überblick liefern, mit welchen Redundanzkonzepten hohe Verfügbarkeiten erzielt werden können. Für die abschließende Betrachtung der Topologien wird für den Vergleich der vorgestellten Konzepte ein Balkendiagramm als Referenz genutzt, welches Erkenntnisse zu den Ausfallzeiten liefert. Dieser Beitrag fasst die Ergebnisse der Bachelorarbeit von Herrn Sebastian Stelljes zusammen. Eine erweiterte Fassung dieser Arbeit ist unter (Stelljes S, Niemann K-H. Hochverfügbare Automationsnetzwerke am Beispiel von PROFINET, Research Paper, Hochschule Hannover, Hannover, https://​doi.​org/​10.​25968/​opus-1690) als Research-Paper verfügbar.

Verbesserte Integration von Mitarbeitern, Maschinenkonnektivität und dezentralisierte kooperative Steuerungssysteme spielen eine wichtige Rolle bei der Flexibilisierung von Produktionssystemen. Cyber-Physische Systeme zur Maschinensteuerung, mobile HMI- oder SCADA-Systeme werden zunehmend über Internet-basierte Technologien verbunden. Diese offene Kommunikation erfordert Strategien, um die Datenintegrität und Sicherheit zu schützen. Basierend auf einer STRIDE-Analyse präsentiert der Beitrag Vorschläge, wie der Datenaustausch sowohl zwischen CPS als auch zwischen CPS und mobiler HMI mittels IoT-Kommunikation gesichert werden kann, wobei die Praktikabilität eine wichtige Rolle spielt. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Konzepte realisierbar sind und derzeit prototypisch erprobt werden. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die detaillierte Bewertung hinsichtlich der Kommunikationsleistung und die Bestimmung des Code-Overheads der vorgestellten Lösungen konzentrieren.

Spatially Distributed Wireless Networks (SDWN) are one of the basic technologies for the Internet of Things (IoT) and (Industrial) Internet of Things (IIoT) applications. These SDWN for many of these applications has strict requirements such as low cost, simple installation and operations, and high potential flexibility and mobility. Among the different Narrowband Wireless Wide Area Networking (NBWWAN) technologies, which are introduced to address these categories of wireless networking requirements, Narrowband Internet of Things (NB-IoT) is getting more traction due to attractive system parameters, energy-saving mode of operation with low data rates and bandwidth, and its applicability in 5G use cases. Since several technologies are available and because the underlying use cases come with various requirements, it is essential to perform a systematic comparative analysis of competing technologies to choose the right technology. It is also important to perform testing during different phases of the system development life cycle. This paper describes the systematic test environment for automated testing of radio communication and systematic measurements of the performance of NB-IoT.

In the constant evolution of industrial systems, there is currently a strong trend towards Time-Sensitive Networking (TSN). This trend corresponds with the upcoming requirements of integration and flexibility in the Smart Factories and the fusion of Information Technology (IT) and Operational Technology (OT). However, industrial environments using legacy communication are still used in existing shop floors. One example to implement redundant interconnections and communication via heterogeneous networks is presented here using the CANopen Flying Master technology and a TSN backbone.

In the context of digitalization and Industry 4.0, the flexibility within the production halls is increasing more and more. This leads to an increasingly difficult planning of the communication network. The increase in the number of different network technologies operating in parallel will make planning, commissioning and service more and more difficult. It will no longer be possible to carry out a rough layout of the network, as stable communication will become more essential for the successful operation of the plant. Thus, for example, the increasing complexity can be faced with simulation software in various areas. The use of network simulations will therefore become increasingly important in the future. Already existing simulation tools in the field of network simulation show good results, but can only be carried out very late in the life cycle of a plant, where remaining errors become expensive. In this paper we will first show already existing network and material flow simulations in an industrial environment and then introduce and prototypically implement a new co-simulation approach.

State-of-the-art methods in image-based robotic grasping use deep convolutional neural networks to determine the robot parameters that maximize the probability of a stable grasp given an image of an object. Despite the high accuracy of these models they are not applied in industrial order picking tasks to date. One of the reasons is the fact that the generation of the training data for these models is expensive. Even though this could be solved by using a physics simulation for training data generation, another even more important reason is that the features that lead to the prediction made by the model are not human-readable. This lack of interpretability is the crucial factor why deep networks are not found in critical industrial applications. In this study we suggest to reformulate the task of robotic grasping as three tasks that are easy to assess from human experience. For each of the three steps we discuss the accuracy and interpretability. We outline how the proposed three-step model can be extended to depth images. Furthermore we discuss how interpretable machine learning models can be chosen for the three steps in order to be applied in a real-world industrial environment.

Ein typisches Problem herkmmlicher Lichtschranken ist, dass sie nicht unterscheiden knnen, wer oder was sie ausgelst hat. Die kamerabasierten virtuellen Lichtschranken lsen dieses Problem durch eine Virtualisierung der Lichtschranke und durch den Einsatz einer Objekterkennung zur Erkennung ob ein zu untersuchendes Objekt die Lichtschranke auslst. Ein prototypischer Aufbau auf Basis eines RasperryPi 3 B+ und einer Raspberry Pi Cam V2 errzielte in der Vermessung der Geschwindigkeit von Curling Steinen eine Abweichung von 4,6 % im Vergleich zu einer realen Lichtschranke.

In graphic and industrial printing applications inkjet technologies are gaining attention and market coverage. Beside some key success factors as scalability there is an inherent difficulty of temporally or permanent defective/non operating nozzles. These non working nozzle have a severe impact on printed quality. Several approaches are known to reduce these artefacts. One is to use multi-pass printing, sometimes in combination with the use of defect nozzle information. Another is to detect these nozzles direct or indirect and use for example so called reserve nozzles. A predecessor thereof is the detection of pen lines (Beauchamp et al (1992) Hewlett-Packard J 12:35–41). In multi-nozzle systems individual or groups of nozzles are addressed to fire using a matrix scheme. This method reduces the number of used address lines.

Here an automated working scheme is sketched to firstly identify defect nozzles using a sample print by means of a dedicated pattern. A digital picture taken by scan or camera is the basis of an image analysis procedure afterwards. Secondly it is shown that, once the matrix configuration is known, possible defects of the address lines may be identified too. Finally a pattern dedicated to a specific print head is introduced to check the later fact visually.