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ParsiFAI4.0

Innerhalb des deutschen Förderprojektes ParsiFAl4.0 (Produktfähige autarke und sichere Foliensysteme für Automatisierungslösungen in Industrie 4.0) lag der Fokus auf der Entwicklung von folienbasierten Elektroniksystemen zur Erfassung, Verarbeitung und drahtlosen Kommunikation von Daten. Durch eine intelligente Steuerung und Vernetzung können Produktionsprozesse flexibler und effizienter gestaltet werden. Die Sensorik und Elektronik innerhalb der Produktionsanlagen und Produkte, ermöglichen eine dezentrale Überwachung und Steuerung von Fertigungsabläufen. Die Foliensysteme sollen neben ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Sensoranwendungen (z. B. zur Vibrationsüberwachung oder Verformungsmessung) drahtlos abhörsicher kommunizieren sowie Informationen verarbeiten und speichern können.

Die Stackforce GmbH ist eines von neun Unternehmen, das während der Umsetzungsphase vom 01.11.2015 bis 30.10.2018, ein Teilvorhaben realisieren durfte. Wir sind stolz darauf, dass wir unsere langjährige Expertise in den Bereichen Kommunikation und Datensicherheit in das Projekt einbringen konnten.


STACKFORCE teilvorhaben

Die Arbeit der STACKFORCE GmbH im Rahmen des Teilvorhabens konzentrierte sich auf die Analyse, den Entwurf und die Implementierung eines sicheren, interoperablen, flexiblen und integrierbaren Kommunikationsdesigns. Zu Beginn wurden mit den Projektpartnern klare Anforderungen und Rahmenbedingungen evaluiert, die eine stabile und sichere Kommunikation für die geplanten I4.0 Anwendungen ermöglichen sollten.

Im nächsten Schritt wurden Lösungsansätze betrachtet, die eine möglichst einfache Anbindung von Sensoren erlauben. Ebenso wurde die Kommunikation gemäß Teilvorhabenbeschreibung ParsiFAl4.0-Communication so modular aufgebaut, dass ein einfacher und effizienter Medienwechsel ermöglicht werden konnte. Im letzten Schritt wurde das Kommunikationsdesign unter Berücksichtigung der identifizierten Anforderungen und Rahmenbedingungen umgesetzt und getestet.


aufgabe SystemDesign

Nach Analyse der Anforderungen wurde festgestellt, dass keine Lösung mit einem kompletten Protokollstapel existiert. Daher entschied sich das Team, einzelne freie und bereits etablierte Protokolle für die verschiedenen Ebenen des Protokollstapels einzusetzen und zu kombinieren. Die Auswahl fiel auf eine IP-basierte Kommunikation als Kern der gesamten Kommunikationslösung. Diese bietet sowohl auf der physischen- als auch auf der Anwendungsebene Alternativen, um die Anforderungen verschiedener Anwendungen flexibel und passgenau zu erfüllen.

Für die Auswahl der Anwendungsebene bzw. des Anwendungsdatenformates, wurde nach einem Vergleich verschiedener Protokolle ein möglichst universelles, aber standardisiertes Protokoll gewählt. Um diesen Protokollstapel auch anwendungsunabhängig betreiben zu können, galt es viele Parameter auf unterschiedlichen Ebenen zu verwalten. Damit dies zentral und einheitlich ermöglicht werden konnte, wurde eine spezielle Software-Komponente konzipiert und implementiert – die Management Entity (MgmtE).


aufgabe datensicherheit

Um die Datensicherheit eines solchen Sensor-Netzwerks sicherzustellen, wurden zwei wesentliche Angriffsvektoren identifiziert:

  • Mithören der Funktelegramme
  • Übernahme von Sensoren während der Inbetriebnahme, bzw. Kopplung mit dem zugehörigen Gateway

Auf Basis eines aktuellen Verschlüsselungsverfahrens bietet eine Sicherungsschicht bereits nativ Datensicherheit, die das Auslesen von Daten durch Mithören von Funktelegrammen verhindert. Ein weiterer Sicherheitsaspekt galt der Verarbeitung und Speicherung von sicherheitsrelevanten Informationen in der Hardware. Hierfür wurde auf einen Sicherheitschip zurückgegriffen, der von einem Partnerunternehmen im Rahmen des Projektes entwickelt wurde. Durch die Entwicklung der notwendigen Treiber, konnte der Sicherheitschip optimal in den Protokollstapel eingebunden werden. Dadurch war es möglich einige Sicherheitsfunktionen in die Sicherheitshardware auszulagern.


Test- Validierungsphase

Um die von STACKFORCE entwickelte Kommunikations- und Sicherheitslösung vorzuführen, wurden Demonstratoren erstellt. Da es sich bei dem Teilvorhaben um eine nahezu reine software-basierte Arbeit handelte, wurden die Demonstratoren auf Basis eines Entwicklungs- und Evaluationskits von Texas Instruments erstellt.

Ebenso wurde eine Test- und Validierungsumgebung geschaffen, in der die Tests virtualisiert und ebenso mit realer Hardware durchgeführt werden konnten. Durch diesen doppelten Ansatz ergaben sich mehrere Vorteile in der Entwicklung und Problembehebung.
Für die Visualisierung des Datenverkehrs wurde auf Basis der Test- und Validierungsplattform ein Protokollmonitor (Sniffer) entwickelt. So konnte der Datenverkehr im letzten Schritt als webbasiertes Frontend an einen Browser ausgeliefert und angezeigt werden.


zusammenfassung und ergebnisse

Die Verwaltung von Netzwerkparametern ist für Unternehmen und Anwender, die typischerweise keine Kompetenzen im Bereich der drahtlosen Netzwerktechnik haben, ein hohes Risiko. Hier sieht die STACKFORCE GmbH die Möglichkeit der Verwertung, der im Rahmen des Teilvorhabens entwickelten Management Entity (MgmtE). Durch die Integration der MgmtE in verschiedene Protokolle und Protokollstapel, die für die drahtlose Anbindung von Sensoren genutzt werden, kann eine Abstraktionsebene geliefert werden. Diese erlaubt es Unternehmen eine Lösung einzukaufen, die ihr eigenes technisches und wirtschaftliches Risiko beim Einsatz von drahtlosen Funkprotokollen reduziert. Die Integration der MgmtE in den LoRaWAN Protokollstapel ist auf großes Interesse gestoßen.  

Die einfache und dabei sichere Inbetriebnahme ist insbesondere für Endanwender ein wesentliches Akzeptanzkriterium von Kommunikationslösungen. Die STACKFORCE GmbH geht davon aus, dass das Verfahren für eine sichere Inbetriebnahme im Zusammenhang mit der MgmtE ebenfalls weitere Anwendung finden wird. Nach Gesprächen mit potenziellen Kunden hat sich gezeigt, dass das Verfahren ebenfalls auf großes Interesse gestoßen ist.

Um dem Mangel an Netzwerkkompetenz in Unternehmen zu kompensieren, sieht die STACKFORCE GmbH vor, das entwickelte Test Framework sowie den Sniffer in Form von Entwicklungs- und Wartungswerkzeugen zu verwerten.


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