Zentrum Industrie 4.0

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Forschungsthemen

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Datenstrom-Analyse im Projekt Syskit

Mit der heutigen Hardwaretechnologie ist in den Bereich des Möglichen gerückt, winzige Sensoren zu konstruieren, die neben der eigentlichen Aufgabe als Sensor außerdem Messdaten verarbeiten und über ein drahtloses Netzwerk an benachbarte Sensoren oder Basisstationen senden können. Die technische Machbarkeit von solchen Sensornetzwerken hat in den letzten Jahren für ein großes Forschungsinteresse gesorgt. Condition Monitoring, Predictive Maintenance, Embedded Intrusion Detection sind hier wichtige Schlagwörter.

SysKit - Entwicklungswerkzeug für anwendungsoptimierte hardwarebasierte Sicherheitstechnologien für I4.0-Anwendungen

Mit Einführung von Industrie-4.0- (I4.0) Konzepten werden in modernen Produktionsanlagen deutscher Schlüsselindustrien – von Maschinenbau bis zu chemischer Industrie, Fahrzeugbau und Energietechnik – eine zunehmende Zahl von Systemen und Komponenten miteinander vernetzt und somit immer größere Mengen an Daten ausgetauscht. Zur Erfüllung der Systemfunktionalität werden komplexe Netzwerke aus Sensoren, Aktuatoren, Messeinrichtungen, Industrie-PCs etc. eingesetzt. Zuverlässige und sichere Kommunikation ist dabei eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien, um I4.0 in der Breite industriell praxistauglich zu machen. Die Anforderungen an die Sicherheit betreffen dabei robuste Maßnahmen und Methoden sowohl für die funktionale Sicherheit (Ausfallsicherheit/Safety) als auch für die Manipulationssicherheit und den Datenschutz (Security) gegen gezielte Angriffe.


Motivation 

Die Anforderungen an die Kommunikationshardware variieren je nach Anwendung stark. Es ist daher weder zeit- noch kosteneffizient, für die jeweiligen Anwendungen und deren spezifische Anforderungen immer wieder vollständig neue Lösungen zu entwickeln. SysKit verfolgt daher das Ziel ein Entwicklungswerkzeug für die Absicherung der Kommunikation in I4.0-Anwendungen zu entwickeln, welches auf eine standardisierte und erweiterbare Modulbibliothek zurückgreift. Die Variabilität und Modularität des Entwicklungswerkzeugs stehen dabei im Fokus, so dass mit ihrer Hilfe schnell und effizient eine auf die Anwendung angepasste optimale Lösung erstellt werden kann und zukünftige Anforderungen durch neue Bibliotheksmodule abgedeckt werden können.


Ziele und Vorgehen

Als Ergebnis dieses Projektes wird ein ganzheitliches, domänenübergreifendes Entwicklungswerkzeug erstellt, welches Bibliotheken beinhaltet, die aus sicheren Hardwarekomponenten, hardwarenahen Betriebssystemkomponenten sowie angriffsresistenten Kommunikationskomponenten bestehen. Weiterhin wird ein besonderer Fokus auf die sichere Integration und Verknüpfung der Komponenten zu einem abgesicherten Gesamtsystem gelegt, welches für den Einsatz in industriellen Anwendungen und Produktionsumgebungen geeignet ist. Mit diesem Produkt wird die kosten- und zeiteffiziente Entwicklung hardwarebasierter Sicherheitslösungen von der Design- bis zur Implementationsphase unterstützt.


Innovation und Perspektiven

Das Projektvorhaben adressiert einen bisher nicht verfügbaren, modularen und skalierbaren Ansatz für die Entwicklung von anwendungsoptimierten und sicheren Systemen im I4.0 Kontext. Eine Besonderheit ist die offene Architektur, die eine flexible Erweiterung der Modulbibliothek erlaubt. Der Ansatz ermöglicht durch das Entwicklungswerkzeug eine Teilautomatisierung zur Absicherung von Produktionsanlagen mit domänenübergreifender Anwendbarkeit.

 

Verbundkoordinator

NXP Semiconductors Germany GmbH


Partner

Ruhr Universität Bochum

FZI Forschungszentrum Informatik

IMST GmbH

Hirschmann Automation and Control GmbH

Hochschule für Wirtschaft und Technik Aalen



Syskit-Projekt

Analyse der Schwachstellen und Entwicklung von Angriffszenarien:

Ein wichtiges Element einer Datensicherheits-Strategie stellen Intrusion Detection Systeme (IDS) dar, die den Datenverkehr auf nicht normale und daher unerwünschte oder gefährliche Datenpakete hin untersuchen. An der Hochschule Aalen wird derzeit im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projektes zu diesem Thema geforscht. Die Ergebnisse daraus macht die Steinbeis Transferplattform wiederum den regionalen Unternehmen zugänglich.

An realen Produktionsmodulen wird die Analyse der Schwachstellen und Entwicklung von Angriffsszenarien, als auch die Erkennung von Angriffen demonstriert. Zum Einsatz kommen neuartige Tools und Methoden wie die Kombination von Datensensoren mit Neuronalen Netzen, Malware Visualisierung und Sensor Data Mining.

Durch den Einsatz paralleler Rechnerarchitekturen und Neuronaler Netzwerke ist es gelungen, eine Plattform für Intrusion Detection Systeme speziell für den industriellen Einsatz zu entwickeln. Derzeit beschäftigen sich mehrere Forschungsprojekte mit Algorithmen, die eine effektive Erkennung von Angriffen mit Hilfe solcher verteilter Systeme ermöglichen.

Auf der Suche nach Produkten und Dienstleistungen, effektiv und effizient über eine über das Internet verfügbare Anwendung Informationen abrufen und Beratungsleistungen in Anspruch zu nehmen. Die Expertise des Beraters wird ergänzt mit künstlicher Intelligenz durch maschinelles Lernen.

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Digitaler Zwilling

Produkte müssen heute in immer schnelleren Zyklen auf den Markt gebracht werden. Die kürzere Entwicklungsphase erfordert ein Produkt, das schon vor der Produktion ausgereift ist. Kernelement der Entwicklung ist hier der digitale Zwilling. Das virtuelle Abbild einer realen Anlage erlaubt eine gefahrlose und effiziente Entwicklung, Erprobung und Inbetriebnahme von neuen Produkten und Produktionsanlagen. Darüber hinaus können die Simulationsmodelle für Fehleranalysen, Wartung und Schulungen verwendet werden. Das Grundprinzip dabei ist die Kopplung eines 3D-CAD Modells mit dem zugehörigen Steuerungscode bzw. der realen Steuerung der Anlage.



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Zielsetzung:

Condition Monitoring instationärer Wälzlager mittels stationärer Sensorik

Ziel des Projektes:

  • Realisierung der Zustandsüberwachung instationärer Lager
  • Detektion vorliegender Lagerschädigungen unter Identifikation des betroffenen Lagers

Nutzen des Projektes:

  • Übertragung der Vorteile der Zustandsüberwachung von Wälzlagern auf ein neues Anwendungsfeld (Continuous Motion Maschinen)
  • Kosteneffiziente Realisierung eines Zustandsüberwachungssystems für die gesetzten Anforderungen
  • Reduktion der Instandhaltungskosten, der Stillstandszeiten und des Ausfallrisikos basierend auf Lagerschäden für Continuous Motion Anwendungen



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Entwicklung eines Verfahrens zur sensorbasierten, intelligenten Prozessregelung für die automatisierte Fertigung geschweißter Behälter

Ziel des Projektes:

  • Vollautomatisiertes Fertigungsverfahren
  • Qualitätsprüfung des Schweißprozesses durch Machine Learning
  • Kontroll- und Korrekturtätigkeiten in Echtzeit

Nutzen des Projektes:

  • Durch das neue Verfahren wird es möglich sein, die Markteinführung von geschweißten Edelstahlbehältern entscheidend voranzubringen
  • Modernisierung der europäischen Trinkwasserstruktur wird vereinfacht
  • Durch die hohen hygienischen Anforderungen für Trinkwasser besteht für die geschweißten Edelstahlbehälter großes Potenzial in Deutschland
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Motivation:

Die zuverlässige Absicherung von vernetzten Maschinen und Anlagen gegen Gefährdungen und Cyber-Risiken ist eine Herausforderung für eine erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0.


Konzeption:

  • Die Netzwerkkommunikation wird mit Hilfe von Datensensoren direkt an den Datenleitungen abgegriffen und ausschließlich in der Edge analysiert und visualisiert
  • Datenauswertung erfolgt über programmierbare Regeln und Verfahren des Maschinellen Lernens
  • Produkt ist skalierbar und kann schnell auf mehrere Produktionsanlagen ausgerollt werden
  • Produkt kann gemietet werden, es entstehen keine hohen Anschaffungskosten


Zielsetzung:

  • Permanente Überwachung der industriellen Netzwerkkommunikation
  • Erkennung von Bedrohungen und Minimierung von Cyber-Risiken

Zusatz-Nutzen:

  • Reduktion von ungeplanten Ausfallzeiten in der Produktion
  • Analysierten Daten verlassen das Unternehmen nicht


Edge-it!

In den letzten Jahren wurden die antriebstechnischen Themen verstärkt bearbeitet, so dass zum heutigen Zeitpunkt dieses Arbeitsgebiet einen Schwerpunkt an der Hochschule darstellt. Eine der Hauptkompetenzen liegt dabei in der Erprobung innovativer Triebstranglösungen, sowie der Entwicklung neuer Erprobungsmethodiken in Bezug auf neue Informations- und Kommunikationstechniken. Dafür stehen mehrere Testbeds zu Verfügung.

Ziel ist es die Forschung und Entwicklung im Bereich innovativer Antriebskonzepte sowie die Wirkungsgradoptimierung von Antriebssträngen voranzutreiben. Eine weitere Kompetenz liegt in der Integration und Auswertung von intelligenter Sensor- und Antriebsintegration in Drehverbindungen.

Wir arbeiten in diesem Bereich nicht nur mit namhaften Firmen der Fahrzeugindustrie und deren Zulieferer zusammen, sondern auch mit innovativen kleinen und mittelständischen Unternehmen.

Hier ein Überblick der genannten Themen:

  • Prüfumgebung zur Erprobung innovativer
    Triebstranglösungen
  • Entwicklung neuer Erprobungsmethodiken
    in Bezug auf neue Informations- und
    Kommunikationstechniken
  • Intelligente Sensor- und Antriebsintegration
    in Drehverbindungen


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Die Wirtschaftsministerin des Landes Baden-Württemberg, Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut, eröffnete die Industrietagung im Haus der Wirtschaft in Stuttgart

Erfolgreiche KMU-Projekte

Auf große Resonanz stieß die Industrietagung der Transferplattform BW Industrie 4.0 am 28. März 2019 im Haus der Wirtschaft in Stuttgart. Vor über 200 Gästen eröffnete Frau Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut, Ministerin für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau des Landes Baden-Württemberg, die Veranstaltung. In Ihrer Keynote betonte sie die Bedeutung des Mittelstands für Baden-Württemberg und die Tragweite der Digitalisierung, insbesondere für die kleinen und mittleren Unternehmen in Baden-Württemberg, und schloss mit den Worten: „Die Transferplattform BW Industrie 4.0 schafft Transparenz, demonstriert, berät und bietet sich als Forschungs- und Entwicklungspartner an. Sie stärkt damit unsere kleinen und mittleren Unternehmen auf dem Weg zur Industrie 4.0. Sie schafft innovative und „anfassbare“ Lösungen für die Digitalisierung der industriellen Wertschöpfung.“

Im Vordergrund der Tagung standen erfolgreiche Transferprojekte, die die Transferplattform BW Industrie 4.0 mit Unternehmen zum Thema Digitalisierung und Industrie 4.0 durchführt bzw. durchgeführt hat. In 10-Minuten Pitches sprachen Projektpartner über aktuelle Projekte und die Vorteile einer Zusammenarbeit mit der Transferplattform Industrie 4.0. Die Einstiegshürden für Forschung und Entwicklung sind für kleine Unternehmen sehr hoch. Kleine Unternehmen haben oft keine freien Kapazitäten, Forschungsanträge zu stellen, oder ein Projekt wissenschaftlich zu begleiten. Prof. Dr. Gerhard Schneider, Rektor der Hochschule Aalen, lobte die Arbeit der Transferplattform BW Industrie 4.0, und freut sich sehr über die Vielzahl der initiierten Transferprojekten, von denen die Wirtschaftsunternehmen und auch die Hochschulen profitieren. Die Hochschule Aalen ist eine von drei Hochschulen im Land, die für diese Transferplattform BW Industrie 4.0 Fördergelder vom Wirtschaftsministerium erhielt.

In einer angeschlossenen Ausstellung von über 30 Partnerunternehmen, wurden interessierten Industrievertretern Chancen neuer Technologien mit einem niederschwelligen Einstieg in umsetzbare Projekte aufgezeigt. Wir freuen uns auch auf Ihre Projektidee. Die individuellen Dienstleistungen der Transferplattform Industrie 4.0 sind bis zur Erstellung eines Demonstrators kostenlos. Bitte sprechen Sie uns an!