Konzeption und Evaluierung der Vernetzung von industriellen Anlagen im IIoT

Abstract

Die Vision der Smart Factory, in der Fertigungsanlagen und Logistiksysteme im Sinne des Internets der Dinge (IoT) miteinander kommunizieren und sich weitgehend selbst organisieren, erfordert den Einsatz fortschrittlicher Kommunikationstechniken in einer sicheren Umgebung. Für die horizontale und vertikale Kommunikation in Produktionsumgebungen setzt sich OPC UA zunehmend als Standard durch. Für die M2M-Kommunikation und zur Interaktion mit Cloud-Systemen hat sich zudem MQTT als eines der Standard-Protokolle des Internet der Dinge etabliert. Die vorliegende Arbeit bietet einen detaillierten Einblick, welche Möglichkeiten, Eigenschaften und Stärken OPC UA und MQTT mit sich bringen. Dadurch wird verdeutlicht, weshalb diese Kommunikationstechniken fixer Bestandteil von intelligenten Produktionsumgebungen sind. Der ansteigende Vernetzungsgrad mit der einhergehenden Kommunikation innerhalb und über die Unternehmensgrenzen hinweg erfordert die Einführung eines Sicherheitskonzeptes in industriellen Automatisierungsund Kontrollsystemen (IACS). Die Norm IEC 62443 liefert dafür empfohlene Vorgehensweisen. Gemäß IEC 62443 ist im Rahmen dieser Arbeit ein durchgängiger und strukturierter Leitfaden zur Umsetzung eines effizienten Security-Konzeptes angefertigt worden. Maschinen mit festverdrahteter Steuerung, die über keine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verfügen, werden im Rahmen dieser Arbeit als Legacy Systems bezeichnet. Sie sind auch heutzutage noch häufig in produzierenden Unternehmen anzutreffen. Für eine digitale Produktion müssen bewährte Legacy Systems genauso in den Digitalisierungsprozess eingebunden werden. Es werden zwei Möglichkeiten gezeigt, wie Legacy Systems in Umgebungen des Industrial Internet of Things (IIoT) integriert werden können. Der Fokus liegt dabei auf der Erfassung der Signale zur Beschreibung der Basiszustände einer Maschine. Damit lässt sich eine automatisierte und lückenlose Betriebsbzw. Maschinendatenerfassung speziell für Legacy Systems realisieren. Die Testumgebung des praktischen Teils dieser Arbeit dient zur Durchführung einer praxisorientierten Evaluierung unter Berücksichtigung einer ganzheitlichen Betrachtung der genannten Themen. Die Evaluierung reicht von der Anbindung von Legacy Systems unter Verwendung der Datenübertragung mit OPC UA und MQTT innerhalb eines segmentierten Netzwerks bis hin zur Visualisierung der erfassten Maschinendaten auf einem übergeordneten System.

The vision of the Smart Factory, in which production facilities and logistics systems communicate with each other within the Internet of Things (I0T) and largely organize themselves, requires the use of advanced communication technologies within a secure environment. OPC UA is increasingly becoming the standard for horizontal and vertical communication in production environments. MQTT has also established itself as one of the standard protocols of the Internet of Things for M2M communication and interaction with cloud systems. The present work offers a detailed insight into the possibilities, features and strengths of OPC UA and MQTT. It illustrates why these communication technologies are an essential part of intelligent production environments. The increasing degree of networking accompanied by communication within and beyond company boundaries requires the introduction of a safety concept in industrial automation and control systems (IACS). The IEC 62443 standard provides best practices for this. In this work, a consistent and structured guideline for the implementation of an efficient security concept according to IEC 62443 has been prepared. Machines with hardwired controls that do not have a programmable logic controller (PLC) are referred to as legacy systems. They are still frequently found in manufacturing companies these days. For digital production, proven legacy systems must be integrated in the digitization process. Two ways of integrating legacy systems in the environment of the Industrial Internet of Things (IIoT) are demonstrated. The focus is on the acquisition of signals to describe the basic states of a machine. This enables the implementation of automated and complete production and machine data acquisition especially for legacy systems. The test environment in the practical part of this work serves for carrying out a practice-oriented evaluation considering the topics mentioned. The evaluation ranges from the connection of legacy systems using data transmission with OPC UA and MQTT within a segmented network to the visualization of the collected machine data on a higher-level system.