Integrated Production Systems - Exam

Aufgabe 1)

Ein Unternehmen im Bereich der Fertigung möchte eine veraltete Steuerungsanlage durch ein modernes SPS-System ersetzen. Die alte Anlage verwendet zahlreiche mechanische Relais und Schütze zur Steuerung. Um die spezifischen Anforderungen der neuen Anlage zu erfüllen, soll ein SPS-System implementiert werden, das robust und für den Einsatz in industriellen Umgebungen geeignet ist. Es besteht die Notwendigkeit einer flexiblen Programmierung und Anbindung an vorhandene Kommunikationsnetzwerke.

a)

Beschreibe die Hauptkomponenten eines SPS-Systems und ihre jeweiligen Funktionen. Begründe, warum diese Komponenten im Vergleich zur alten Anlage mit Relais und Schützen vorteilhaft sind.

Lösung:

Hauptkomponenten eines SPS-Systems und ihre jeweiligen Funktionen

• CPU (Zentraleinheit): Die CPU ist das Gehirn des SPS-Systems. Sie verarbeitet die Programmcode, führt logische und arithmetische Operationen durch, überwacht Eingangs- und Ausgangssignale und steuert die gesamte Anlage. Sie ist entscheidend für die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des Systems.
• Speicher: Hier werden das Benutzerprogramm und die Daten gespeichert. Der Speicher kann sowohl flüchtig (RAM) als auch nicht-flüchtig (EEPROM, Flash) sein, was bedeutet, dass Programme auch nach einem Stromausfall erhalten bleiben.
• Eingangs-/Ausgangsmodule (I/O-Module): Diese Module dienen dazu, Signale von Sensoren und Aktoren der Anlage zu empfangen und zu senden. Eingänge können z. B. Schalter, Sensoren oder Messwerte von verschiedenen Geräten sein. Ausgänge steuern zum Beispiel Motoren, Lampen oder andere Aktoren.
• Kommunikationsmodule: Diese Module ermöglichen die Anbindung der SPS an verschiedene Kommunikationsnetzwerke wie Ethernet, Profibus, Modbus etc. Dadurch kann die SPS Daten mit anderen Systemen austauschen und in ein bestehendes Netzwerk eingebunden werden.
• Programmierschnittstelle: Über diese Schnittstelle wird das SPS-System programmiert und konfiguriert. Häufig erfolgt dies über eine spezielle Software, die auf einem PC läuft und dann über eine serielle oder Ethernet-Verbindung mit der SPS kommuniziert.

Warum diese Komponenten vorteilhaft im Vergleich zu alten Anlagen mit Relais und Schützen sind

• Flexibilität und Anpassungsfähigkeit: Ein SPS-System lässt sich einfach umprogrammieren, wodurch Änderungen in der Anlagensteuerung schnell und ohne großen Aufwand realisierbar sind. Bei einer Anlage mit Relais und Schützen müssten hingegen oft physische Änderungen und Verkabelungen vorgenommen werden.
• Komplexität und Funktionsumfang: SPS-Systeme können wesentlich komplexere Steuerungsaufgaben übernehmen als mechanische Relais und Schütze. Logische Verknüpfungen, Timer, Zähler und mathematische Funktionen sind problemlos implementierbar.
• Zuverlässigkeit: Da SPS-Systeme keine beweglichen Teile haben, sind sie weniger anfällig für mechanischen Verschleiß und Ausfälle. Dies führt zu einer höheren Zuverlässigkeit und geringeren Wartungskosten.
• Platzersparnis: Ein SPS-System benötigt weniger Platz als ein Schaltschrank voller Relais und Schützen. Dies ist besonders in modernen, kompakten Anlagen von Vorteil.
• Diagnose- und Wartungsmöglichkeiten: SPS-Systeme bieten umfangreiche Diagnose- und Wartungsfunktionen. Fehler können schnell identifiziert und behoben werden, was zu einer höheren Verfügbarkeit der Anlage beiträgt.
• Integration und Kommunikation: Moderne SPS-Systeme lassen sich leicht in bestehende Kommunikationsnetzwerke integrieren, wodurch ein nahtloser Datenaustausch mit anderen Systemen und eine zentrale Steuerung möglich sind.

b)

Erkläre die Unterschiede zwischen den Programmiersprachen Ladder Logic, Funktionsbausteinsprache (FBD), und Anweisungsliste. Welche Vorteile und Nachteile haben diese Sprachen im industriellen Einsatz? Welche Sprache würdest Du für die Implementierung der SPS in dieser Anwendung empfehlen und warum?

Lösung:

Unterschiede zwischen Ladder Logic, Funktionsbausteinsprache (FBD) und Anweisungsliste

• Ladder Logic (Kontaktplan):
  • Beschreibung: Eine grafische Programmiersprache, die Schaltplänen ähnelt. Sie verwendet Symbole für Relais, Schütze, Schalter und andere Steuerungselemente.
  • Vorteile:
    • Vertrautheit: Techniker und Ingenieure, die mit herkömmlichen elektrischen Schaltplänen vertraut sind, können Ladder Logic leicht erlernen.
    • Übersichtlichkeit: Grafische Darstellung macht es leicht, den Logikfluss zu verfolgen und Fehler zu diagnostizieren.
  • Nachteile:
    • Begrenzte Komplexität: Weniger geeignet für sehr komplexe mathematische Berechnungen oder Algorithmen.
    • Platzbedarf: Kann bei großen Programmen sehr viel Platz auf dem Bildschirm einnehmen.
• Funktionsbausteinsprache (FBD):
  • Beschreibung: Eine andere grafische Sprache, die auf der Verwendung von Funktionsblöcken basiert, die logische und arithmetische Operationen repräsentieren.
  • Vorteile:
    • Modularität: Erleichtert die Wiederverwendung von Funktionsblöcken.
    • Anpassungsfähigkeit: Gut geeignet für umfangreiche und komplexe Steuerungsaufgaben.
  • Nachteile:
    • Komplexität: Kann für Techniker, die mit dieser Art der Programmierung nicht vertraut sind, schwieriger zu erlernen sein.
    • Übersichtlichkeit: Große Programme können unübersichtlich werden.
• Anweisungsliste (AWL):
  • Beschreibung: Eine textbasierte Sprache, die Assembler-Codes ähnelt. Sie besteht aus einer Liste von Befehlen, die nacheinander ausgeführt werden.
  • Vorteile:
    • Effizienz: Kann sehr kompakt und effizient sein.
    • Komplexität: Geeignet für mathematische Berechnungen und komplexe Algorithmen.
  • Nachteile:
    • Lesbarkeit: Schwerer zu verstehen und zu debuggen als grafische Sprachen.
    • Fehleranfälligkeit: Mehr Raum für Fehler durch Tippfehler und komplexere Syntax.

Empfehlung für die Implementierung der SPS

Für die Implementierung der neuen SPS-Anlage in dieser Anwendung würde ich die folgende Empfehlung aussprechen:

• Ladder Logic:
  • Begründung:
    • Vertrautheit und Benutzerfreundlichkeit: Technisches Personal, das zuvor mit mechanischen Relais und Schützen gearbeitet hat, findet seine Kenntnisse in der Ladder Logic leicht wieder.
    • Schnelle Diagnose: Die grafische Natur der Sprache erleichtert das Nachvollziehen der Logik und die Fehlersuche.
    • Industrieller Standard: Ladder Logic ist weit verbreitet in der Industrie und daher gut unterstützt.

Obwohl Funktionsbausteinsprache ebenfalls eine gute Wahl sein könnte, besonders wenn die Anwendungen komplexer werden, bietet Ladder Logic in diesem Szenario eine optimale Kombination aus Verständlichkeit und Nützlichkeit. Die einfache Programmierung und das leicht nachvollziehbare Layout sind besonders nützlich für die Umstellung von einer mechanischen auf eine elektronische Steuerung.

c)

Berechne die maximale Anzahl von I/O-Zyklen pro Sekunde, wenn die Zykluszeit einer SPS 5 ms beträgt. Warum ist die Zykluszeit ein wichtiger Parameter in der SPS-Anwendung und wie beeinflusst sie die Systemleistung?

Lösung:

Maximale Anzahl von I/O-Zyklen pro Sekunde

• Berechnung:
  • Die Zykluszeit einer SPS gibt an, wie lange die SPS benötigt, um einen vollständigen Durchlauf des Steuerprogramms inklusive Einlesen der Eingänge, Bearbeiten des Programms und Aktualisieren der Ausgänge durchzuführen.
  • Wenn die Zykluszeit 5 ms beträgt, bedeutet dies, dass in jeder Sekunde mehrere Zyklen durchgeführt werden können.
  • Die maximale Anzahl von I/O-Zyklen pro Sekunde kann daher wie folgt berechnet werden:

Die maximale Anzahl von I/O-Zyklen pro Sekunde beträgt 200.

Warum ist die Zykluszeit ein wichtiger Parameter in der SPS-Anwendung und wie beeinflusst sie die Systemleistung?

Die Zykluszeit ist aus mehreren Gründen ein kritischer Parameter in der SPS-Programmierung und beeinflusst direkt die Leistung und Effizienz des Systems:

• Reaktionszeit: Kürzere Zykluszeiten führen zu schnelleren Reaktionszeiten des Systems. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen, bei denen schnelle Eingriffe erforderlich sind, wie in Sicherheitsschaltungen oder in hochdynamischen Prozessen.
• Genauigkeit: Bei Regelungs- und Steuerungsaufgaben hängt die Genauigkeit der Steuerung stark von der Zykluszeit ab. Kürzere Zykluszeiten ermöglichen eine feinere Steuerung und damit eine höhere Präzision.
• Synchronität: Eine niedrige Zykluszeit sorgt dafür, dass das System Eingangs- und Ausgangssignale häufiger aktualisiert, was wichtig ist, um mehrere Prozesse synchron zu halten.
• Systembelastung: Ein zu kurzes Einstellen der Zykluszeit kann die SPS und die gesamte Steuerung überlasten. Es ist wichtig ein Gleichgewicht zwischen optimaler Zykluszeit und Systemkapazität zu finden, um stabile und zuverlässige Leistung zu gewährleisten.
• Datenerfassung: Häufigere Zykluszeiten ermöglichen eine bessere Datenerfassung und -analyse, da die Daten häufiger aktualisiert werden.

Insgesamt sorgt eine optimierte Zykluszeit für eine leistungsfähigere und zuverlässigere SPS-Anwendung. In dem beschriebenen Szenario sollte die Zykluszeit so gewählt werden, dass die Anforderungen der Echtzeitverarbeitung der Fertigungsprozesse und die Stabilität des Systems gewährleistet sind.

Aufgabe 2)

In einem modernen industriellen Produktionssystem spielt die Netzwerkinfrastruktur eine zentrale Rolle, um verschiedene Maschinen, Sensoren und Systeme zu integrieren und zu optimieren. Die Verwendung von Protokollen wie Ethernet/IP, Modbus und Profibus ermöglicht eine standardisierte Kommunikation zwischen unterschiedlichen Geräten. Echtzeitfähigkeit ist entscheidend für zeitkritische Anwendungen, während OPC-UA als Standard für die Interoperabilität dient. SCADA-Systeme sind weit verbreitet, um die Überwachung und Steuerung zu erleichtern. Die IT/OT-Konvergenz stellt sicher, dass betriebliche Technologien (OT) und IT nahtlos integriert sind. Sicherheitsmaßnahmen wie Firewalls und VPNs sind notwendig, um die Integrität und Verfügbarkeit des Netzwerks zu gewährleisten. Feldbusse und industrielle Ethernet-Switches werden für die robuste Datenübertragung eingesetzt, während die drahtlose Kommunikation (z.B. WLAN, LPWAN) flexible und skalierbare Lösungen für die Industrie bietet. Letztlich sind Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz wesentliche Anforderungen, um Ausfallzeiten zu minimieren und die kontinuierliche Produktion sicherzustellen.

a)

Erkläre die Unterschiede zwischen Ethernet/IP, Modbus und Profibus in Bezug auf Einsatzgebiete und typische Anwendungsszenarien. Gehe dabei auf die grundlegende Funktionsweise der einzelnen Protokolle ein und erläutere ihre Vor- und Nachteile in einem modernen industriellen Produktionssystem.

Lösung:

• Ethernet/IP:

• Einsatzgebiete:
• Ethernet/IP wird weitgehend in der Automatisierung verwendet, insbesondere in Systemen, die eine hohe Datenrate und Echtzeitfähigkeit erfordern.
• Typische Anwendungsszenarien:
• Fertigungslinien, Robotersteuerungen, Prozessautomatisierung.
• Grundlegende Funktionsweise:
• Ethernet/IP basiert auf dem Standard Ethernet und verwendet das Common Industrial Protocol (CIP) für die Kommunikation. Es ermöglicht sowohl zyklische (deterministische) als auch azyklische (nicht-deterministische) Kommunikation.
• Vorteile:
• Hohe Geschwindigkeit und Datenrate, unterstützt große Netzwerke, flexible Topologie, Integration mit IT-Systemen.
• Nachteile:
• Höherer Verwaltungsaufwand aufgrund der Komplexität, höhere Kosten für die Implementierung.

• Modbus:

• Einsatzgebiete:
• Modbus wird häufig in der Prozesssteuerung und in Anwendungen verwendet, bei denen einfache Kommunikation über ein serielles Netzwerk erforderlich ist.
• Typische Anwendungsszenarien:
• Wassermanagementsysteme, Gebäudeautomation, Überwachung von Sensoren und Aktoren.
• Grundlegende Funktionsweise:
• Modbus ist ein Kommunikationsprotokoll, das ursprünglich für die RS-232- und RS-485-Schnittstellen entwickelt wurde. Es ist ein Master-Slave-Protokoll, bei dem ein Gerät (der Master) die Kommunikation initiiert und die anderen Geräte (die Slaves) darauf antworten.
• Vorteile:
• Einfache Implementierung, weit verbreitet und gut dokumentiert, kostengünstig.
• Nachteile:
• Begrenzte Geschwindigkeit und Datenrate, weniger geeignet für komplexe Anwendungen, keine native Unterstützung für Echtzeitkommunikation.

• Profibus:

• Einsatzgebiete:
• Profibus wird vor allem in der Fabrik- und Prozessautomatisierung eingesetzt, wo zuverlässige und schnelle Kommunikation erforderlich ist.
• Typische Anwendungsszenarien:
• Fertigungsstraßen, Prozesssteuerungssysteme, verteilte Automatisierungsanwendungen.
• Grundlegende Funktionsweise:
• Profibus ist ein Feldbusprotokoll, das sowohl zyklische als auch azyklische Kommunikation ermöglicht. Es gibt verschiedene Varianten wie Profibus DP (Dezentrale Peripherie) für schnelle Datenübertragung und Profibus PA (Prozessautomatisierung) für Anwendungen in der Prozessindustrie.
• Vorteile:
• Hohe Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit, Unterstützung für eine Vielzahl von Geräten und Anwendungen.
• Nachteile:
• Komplexität in der Konfiguration, teurer in der Implementierung als Modbus, weniger flexibel als Ethernet/IP.

b)

Diskutiere die Bedeutung der Echtzeitfähigkeit in industriellen Kommunikationsnetzwerken. Welche Herausforderungen sind dabei zu berücksichtigen und welche Methoden werden eingesetzt, um Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten? Nenne konkrete Beispiele für zeitkritische Anwendungen in der industriellen Produktion.

Lösung:

• Bedeutung der Echtzeitfähigkeit:

• Echtzeitfähigkeit ist in industriellen Kommunikationsnetzwerken von entscheidender Bedeutung, da viele Anwendungen sofortige oder sehr schnelle Reaktionen erfordern. Nur so können Prozessabweichungen rechtzeitig erkannt und korrigiert werden, um die Qualität und Effizienz der Produktion aufrechtzuerhalten.
• Ein typisches Beispiel ist die Synchronisierung von Maschinen in einer Produktionslinie. Ohne Echtzeitkommunikation könnten Verzögerungen zu Produktionsunterbrechungen, Qualitätseinbußen oder gar Schäden an Maschinen führen.
• Die Echtzeitfähigkeit ist besonders wichtig für Steuer- und Regelungssysteme, bei denen die zeitnahe Verarbeitung von Sensordaten und die schnelle Reaktion auf Ereignisse kritisch sind.

• Herausforderungen bei der Echtzeitkommunikation:

• Latenz: Verzögerungen in der Datenübertragung müssen minimiert werden, um sicherzustellen, dass Daten in einem akzeptablen Zeitrahmen versendet und empfangen werden.
• Jitter: Variationen in der Latenz können ebenfalls problematisch sein, da sie zu unvorhersehbaren Leistungsproblemen führen können.
• Determinismus: Das Netzwerk muss garantieren können, dass Nachrichten innerhalb einer festgelegten Zeitdauer zugestellt werden.
• Netzwerkauslastung: Hohe Datenvolumina können zu Überlastungen führen und die Leistung beeinträchtigen.
• Zuverlässigkeit: Ausfallzeiten müssen minimiert und die Datenintegrität gewährleistet werden.

• Methoden zur Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit:

• Priorisierung von Daten: In Netzwerken wie Ethernet/IP können Datenpakete priorisiert werden, um sicherzustellen, dass zeitkritische Pakete die notwendigen Ressourcen erhalten.
• TSN (Time-Sensitive Networking): Vereint verschiedene Techniken zur Verringerung von Latenz und Jitter und verbessert den Determinismus in Ethernet-basierten Netzwerken.
• Deterministische Feldbusse: Protokolle wie Profibus oder Profinet sind darauf ausgelegt, zeitkritische Kommunikation zu unterstützen.
• Echtzeitbetriebssysteme (RTOS): Spezielle Betriebssysteme, die darauf ausgelegt sind, Aufgaben innerhalb strenger Zeitvorgaben zu erledigen.
• Hardwarebeschleunigung: Verwendung spezieller Hardware, um die Datenverarbeitung zu beschleunigen und Verzögerungen zu minimieren.

• Konkrete Beispiele für zeitkritische Anwendungen:

• Robotersteuerung: In der Fertigung müssen Industrieroboter präzise und schnell gesteuert werden, um die Herstellung von Produkten effizient und fehlerfrei zu gestalten.
• Montagelinien: Die Synchronisierung von Maschinen und Förderbändern erfordert eine Echtzeitkommunikation, um einen kontinuierlichen und störungsfreien Produktionsprozess sicherzustellen.
• Automatisierte Qualitätssicherung: Systeme, die Produkte in Echtzeit scannen und Qualitätsprüfungen durchführen, müssen schnell auf fehlerhafte Produkte reagieren, um diese auszusortieren.
• Sicherheitskritische Systeme: Notabschaltungen oder das Auslösen von Alarmen in Gefahrensituationen müssen unverzüglich erfolgen, um Menschen und Maschinen zu schützen.

c)

Skizziere ein Netzwerkdesign für ein mittelgroßes Produktionswerk, das sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Kommunikation umfassen soll. Berücksichtige dabei Aspekte wie Sicherheit, Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz. Erläutere den Einsatz von SCADA-Systemen, Feldbussen und industriellen Ethernet-Switches sowie die Integration von OT und IT.

Lösung:

• Netzwerkdesign für ein mittelgroßes Produktionswerk:

• Drahtgebundene Kommunikation:
• Industrielle Ethernet-Switches: Diese bilden das Rückgrat des Netzwerks und gewährleisten eine zuverlässige und schnelle Datenübertragung. Die Switches sollten redundant ausgelegt sein, um Ausfallzeiten zu minimieren. Mögliche Topologien umfassen Ring- und Mesh-Architekturen, um Fehlertoleranz zu gewährleisten.
• Feldbusse: Profibus oder Modbus können für die Kommunikation mit Sensoren, Aktoren und Steuergeräten verwendet werden. Diese Protokolle sind speziell für industrielle Anwendungen optimiert und bieten Zuverlässigkeit und Determinismus.
• Verbindung von Maschinen: Maschinen und Steuerungen können über Ethernet/IP verbunden werden, um eine hohe Datenrate und Echtzeitkommunikation zu gewährleisten.
• Drahtlose Kommunikation:
• WLAN: Drahtloses Netzwerk für mobile Geräte, fahrerlose Transportsysteme (FTS) und Maschinen, die nicht fest installiert sind. Die Sicherheit kann durch WPA3 und die Trennung von VLANs erhöht werden.
• LPWAN: Einsatz von Low Power Wide Area Networks für die Kommunikation von energieeffizienten IoT-Geräten, die über große Entfernungen Daten übertragen müssen.
• Sicherheit:
• Firewalls: Einsatz von industriellen Firewalls, um den Netzwerkverkehr zu überwachen und unberechtigte Zugriffe zu verhindern.
• VPNs: Virtuelle Private Netzwerke (VPNs) für Fernzugriffe und sichere Kommunikation zwischen verschiedenen Werksstandorten.
• Intrusion Detection Systems (IDS): Systeme zur Überwachung und Erkennung von Anomalien und potenziellen Sicherheitsbedrohungen.
• Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz:
• Redundante Systeme: Redundante Server, Switches und Verbindungen zur Minimierung von Ausfallzeiten und zur Erhöhung der Betriebsbereitschaft.
• USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung): Einsatz von USV-Systemen zur Sicherstellung, dass kritische Komponenten bei Stromausfällen weiter betrieben werden.
• Einsatz von SCADA-Systemen:
• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Systeme werden zur Überwachung und Steuerung der Produktionsprozesse eingesetzt. Sie sammeln Daten von Feldgeräten und senden Steuerbefehle zurück.
• SCADA-Systeme bieten eine zentrale Überwachungs- und Steuerungseinheit für das gesamte Netzwerk und ermöglichen die Echtzeit-Überwachung und -Analyse.
• Integration von OT und IT:
• Die IT/OT-Konvergenz stellt sicher, dass Produktionssysteme (OT) und Unternehmens-IT-Systeme nahtlos integriert sind. Dies ermöglicht eine bessere Datenanalyse, Geschäftsprozessoptimierung und vorausschauende Wartung.
• Durch die Verwendung von Standards wie OPC-UA wird die Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten und Systemen gewährleistet.
• Zusammenfassung des Netzwerkdesigns:
• Eine Kombination aus drahtgebundener (Ethernet/IP, Feldbusse) und drahtloser Kommunikation (WLAN, LPWAN) gewährleistet Flexibilität und Skalierbarkeit.
• Sicherheitsmaßnahmen wie Firewalls, VPNs und IDS schützen das Netzwerk vor unbefugten Zugriffen.
• Redundante Systeme und USVs stellen Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz sicher.
• SCADA-Systeme bieten zentrale Steuerungs- und Überwachungsmöglichkeiten.
• Die Integration von OT und IT durch Standards wie OPC-UA ermöglicht eine nahtlose Kommunikation und Datenverarbeitung im gesamten Produktionswerk.

d)

Beschreibe die Rolle von Sicherheitsmaßnahmen wie Firewalls und VPNs in industriellen Kommunikationsnetzwerken. Welche Bedrohungen sind besonders relevant und wie können diese Maßnahmen dazu beitragen, die Sicherheit und Integrität eines Produktionssystems zu schützen? In welchem Zusammenhang stehen dabei Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz?

Lösung:

• Rolle von Sicherheitsmaßnahmen wie Firewalls und VPNs in industriellen Kommunikationsnetzwerken:
• Firewalls:
• Firewalls dienen als erste Verteidigungslinie gegen unbefugte Zugriffe und Bedrohungen aus dem Internet oder anderen Netzwerken. Sie überwachen und kontrollieren den ein- und ausgehenden Datenverkehr basierend auf vordefinierten Sicherheitsregeln.
• Industrielle Firewalls sind speziell für den Einsatz in Produktionsumgebungen konzipiert und bieten neben den klassischen Firewall-Funktionen auch zusätzliche Schutzmechanismen gegen Cyberangriffe.
• Durch den Einsatz von Firewalls können Netzwerksegmente voneinander isoliert werden, was die Ausbreitung von Schadsoftware oder die Auswirkungen von Sicherheitsvorfällen einschränkt.
• VPNs (Virtuelle Private Netzwerke):
• VPNs bieten eine sichere Kommunikationsverbindung über unsichere Netzwerke, wie das Internet, indem sie den Datenverkehr verschlüsseln. Dadurch wird die Vertraulichkeit und Integrität der übertragenen Daten gewährleistet.
• Im industriellen Bereich ermöglichen VPNs die sichere Fernwartung und den Fernzugriff auf Produktionssysteme und -geräte. Dies ist besonders wichtig für den Support und die Überwachung durch externe Dienstleister oder dezentrale Teams.
• Relevante Bedrohungen:
• Unbefugter Zugriff: Hacker oder Insider können versuchen, sich unberechtigt Zugang zu den Netzwerken und Systemen zu verschaffen, um Daten zu stehlen oder Schäden zu verursachen.
• DDoS-Angriffe (Distributed Denial of Service): Angriffe, die darauf abzielen, die Netzwerkressourcen zu überladen und die Verfügbarkeit von Diensten zu beeinträchtigen.
• Schadsoftware: Viren, Trojaner und andere schädliche Software können Produktionssysteme infizieren und deren Betrieb stören oder lahmlegen.
• Man-in-the-Middle-Angriffe: Angreifer können Kommunikationsverbindungen abfangen und manipulieren, um vertrauliche Daten zu stehlen oder zu verändern.
• Sicherheitsmaßnahmen zur Verbesserung der Sicherheit und Integrität:
• Durch die Implementierung von Firewalls und VPNs werden die meisten dieser Bedrohungen wirksam adressiert. Firewalls kontrollieren und filtern den Datenverkehr, während VPNs den Datenverkehr schützen und sicherstellen, dass nur autorisierte Benutzer Zugang haben.
• Beide Maßnahmen tragen dazu bei, die Angriffsfläche zu reduzieren und die Sicherheitslage des industriellen Netzwerks signifikant zu verbessern.
• Zusammenhang zu Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz:
• Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz sind wesentliche Anforderungen in industriellen Produktionssystemen, da Ausfallzeiten erhebliche wirtschaftliche Schäden verursachen können.
• Sicherheitsmaßnahmen wie Firewalls und VPNs tragen dazu bei, Ausfallzeiten zu minimieren, indem sie das Risiko von Sicherheitsvorfällen und unbefugten Zugriffen reduzieren.
• Durch die Isolierung von Netzwerksegmenten und die Sicherstellung der Datenintegrität und -vertraulichkeit werden die Gefahr und die Auswirkungen von Angriffen gemindert, was wiederum die Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz des Gesamtsystems erhöht.

Aufgabe 3)

In einem modernen Produktionssystem werden mehrere Ebenen der Automatisierungspyramide definiert. Diese reichen von der Steuerungsebene (SPS) bis zur Managementebene. Die Steuerungsebene fokussiert sich auf die logische Programmierung und Echtzeitsteuerung der Prozesse, wohingegen die Managementebene sich langfristig mit Planung, Unternehmenssteuerung und betriebswirtschaftlichen Entscheidungen befasst.

a)

(a) Anhand eines geeigneten Beispiels aus der Fertigungsindustrie, erkläre detailliert, wie Daten von der Sensorebene bis zur Managementebene fließen und welche Rolle jede Ebene dabei spielt. Nutze hierzu das Beispiel einer Produktionsanlage, die Autoteile herstellt. Stelle grafisch die Funktionsweise der Ebenen dar und erläutere, wie die Kommunikation zwischen diesen Ebenen erfolgt.

Lösung:

In einem modernen Produktionssystem, wie zum Beispiel einer Anlage zur Herstellung von Autoteilen, ist die Automatisierungspyramide ein essenzieller Bestandteil. Hierbei fließen Daten von der Sensorebene bis zur Managementebene, wobei jede Ebene eine spezifische Rolle spielt.

• Sensorebene: Diese unterste Ebene umfasst Sensoren und Aktoren. Sensoren erfassen physikalische Parameter wie Temperatur, Druck oder Position und wandeln diese in elektrische Signale um. Zum Beispiel könnten Drucksensoren den Druck in hydraulischen Pressen überwachen, die zur Formgebung von Metallteilen verwendet werden.
• Steuerungsebene (SPS): Die nächste Ebene umfasst programmierbare Steuerungen (SPS), die die von den Sensoren erfassten Daten in Echtzeit verarbeiten. Sie steuern Aktoren basierend auf vordefinierten Logiken und Algorithmen. Wenn beispielsweise der Drucksensor meldet, dass der Druck zu hoch ist, senkt die SPS den Druck, indem sie Ventile öffnet.
• Feldebene: Diese Ebene besteht aus Maschinen und Produktionsanlagen, die miteinander vernetzt sind (Feldbusse). Hier erfolgt die Überwachung und Steuerung von gesamten Maschinen durch SPSen und industrielle Kommunikationsprotokolle wie PROFIBUS oder MODBUS. Zum Beispiel könnte eine CNC-Maschine sowohl mit einer SPS als auch mit einem übergeordneten Steuerungssystem kommunizieren.
• Prozessleitebene: Auf dieser Ebene befinden sich Überwachungssysteme (wie HMI - Human Machine Interfaces), die den Zustand der Produktionsanlagen visualisieren und ggf. eingreifen. Prozesse können hier zentral überwacht, angepasst und optimiert werden. Zum Beispiel könnten Bediener den Produktionsprozess in Echtzeit überwachen und bei Bedarf eingreifen.
• Betriebsebene: Diese Ebene konzentriert sich auf die betriebswirtschaftlichen und planerischen Aspekte. Hier werden MES-Systeme (Manufacturing Execution Systems) verwendet, um die Produktion zu planen, Materialflüsse zu verwalten und Produktionsaufträge zu verfolgen. Zum Beispiel könnte das MES die Reihenfolge der Produktionsaufträge für Autoteile festlegen und die Verfügbarkeit von Rohmaterialien überprüfen.
• Managementebene: Auf dieser höchsten Ebene werden strategische Entscheidungen getroffen. ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) integrieren alle Geschäftsprozesse, einschließlich Vertrieb, Einkauf und Produktionsplanung. Daten aus den unteren Ebenen fließen hier zusammen, um langfristige Planungen und Optimierungen durchzuführen. Zum Beispiel könnten Produktionsdaten analysiert werden, um die Effizienz der Fertigung zu steigern oder die Lieferkette zu optimieren.

Grafische Darstellung der Funktionsweise der Ebenen:



Die Kommunikation zwischen diesen Ebenen erfolgt üblicherweise über industrielle Netzwerke und Protokolle. Daten von der Sensorebene werden an die SPS weitergeleitet, welche die Daten verarbeitet und an die Feldebene übergibt. Hier erfolgt meist eine weitere Aggregation und Analyse, bevor die Daten an die Prozessleitebene weitergegeben werden. Von dort aus fließen die Informationen zur Betriebsebene, wo sie in MES-Systeme integriert und schließlich zur Managementebene weitergeleitet werden, wodurch eine reibungslose und nahtlose Kommunikation entlang der gesamten Automatisierungspyramide gewährleistet wird.

b)

(b) Angenommen, ein Produktionsprozess wird durch eine SPS gesteuert. Der Durchsatz der Produktionsanlage hängt von der Geschwindigkeit der Verarbeitung und der Fehlerquote ab. Wenn die Durchsatzleistung der Produktionsanlage als Funktion der Fehlerquote \(q\) und der Verarbeitungsgeschwindigkeit \(v\) durch \(T(v, q) = \frac{v}{1+q}\) gegeben ist: Berechne die optimale Verarbeitungsgeschwindigkeit \(v\) für einen gegebenen Fehlerquotenbereich von 0 bis 0.1, sodass der Durchsatz maximiert wird. Um die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit zu berechnen, leite die Funktion \(T(v, q)\) nach \(v\) ab und bestimme den maximalen Wert der abgeleiteten Funktion.

Lösung:

Um den Durchsatz der Produktionsanlage zu maximieren, müssen wir die optimale Verarbeitungsgeschwindigkeit v für einen gegebenen Fehlerquotenbereich von 0 bis 0.1 bestimmen. Die Durchsatzfunktion ist gegeben durch:

T(v, q) = \frac{v}{1+q}

Wir leiten die Funktion T(v, q) nach v ab, um die optimale Verarbeitungsgeschwindigkeit zu finden:

\frac{\text{d}T}{\text{d}v} = \frac{1}{1+q}

Da die Ableitung der Funktion T(v, q) nach v eine Konstante ist (unabhängig von v), haben wir keine kritischen Punkte in Bezug auf v. Das bedeutet, dass der Durchsatz T(v, q) mit zunehmender Verarbeitungsgeschwindigkeit v immer weiter steigt.

Für den Fehlerquotenbereich von 0 bis 0.1 bleibt die Konstante \frac{1}{1+q} unverändert. Deshalb maximiert eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit auf Basis unserer gegebenen Funktion T(v, q) immer den Durchsatz.

Wenn es jedoch praktische Grenzen oder Beschränkungen für v gibt (z. B. aufgrund von Maschinenspezifikationen oder Sicherheitsanforderungen), muss der maximale Wert für v innerhalb dieser Grenzen ermittelt werden.

Zusammenfassend: In einem idealisierten Szenario ohne obere Grenzwerte für v, würde eine unbegrenzte Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit v den Durchsatz maximieren. In der Realität müssen jedoch sicherheits- und maschinenbedingte Grenzwerte berücksichtigt werden, um die tatsächlich optimale Verarbeitungsgeschwindigkeit zu bestimmen.

Aufgabe 4)

Materialbedarfsplanung (MRP)

Materialbedarfsplanung (MRP) ist ein System zur Planung der Materialien, die für die Produktion benötigt werden, basierend auf Stücklisten, Lagerbeständen und Produktionsplänen. Es berechnet die Bedarfe auf Basis von Produktionsprogramm und erstellt den Bedarfszeitpunkt durch die Formel:

• Berechnet Bedarfe auf Basis von Produktionsprogramm
• Erstellt Bedarfszeitpunkt (Bruttobedarf - Lagerbestand)
• Verwendet Stücklisten zur Ermittlung der benötigten Materialien
• Wichtige MRP-Formel:

  Formula:

  Nettobedarf = Bruttobedarf - Lagerbestand - Bestellungen + Reservierungen
• Unterscheidung in Sekundär-, Tertiär- und Zusatzbedarf
• MRP-I: nur Materialbedarfsplanung, MRP-II: inklusive Ressourcenplanung

a)

Teilaufgabe 1:

Ein Unternehmen plant die Produktion eines Endprodukts. Der Bruttobedarf beträgt 500 Einheiten. Im Lager befinden sich 200 Einheiten und es gibt bereits Bestellungen über 100 Einheiten. Zusätzlich sind 50 Einheiten für Reservierungen eingeplant. Berechne den Nettobedarf gemäß der MRP-Formel.

• Berechne den Bruttobedarf, Lagerbestand, Bestellungen und Reservierungen korrekt und setze die Werte in die folgende Formel ein:

Nettobedarf = Bruttobedarf - Lagerbestand - Bestellungen + Reservierungen

Lösung:

Materialbedarfsplanung (MRP)

Materialbedarfsplanung (MRP) ist ein System zur Planung der Materialien, die für die Produktion benötigt werden, basierend auf Stücklisten, Lagerbeständen und Produktionsplänen. Es berechnet die Bedarfe auf Basis von Produktionsprogramm und erstellt den Bedarfszeitpunkt durch die folgende Formel:

• Berechnet Bedarfe auf Basis von Produktionsprogramm
• Erstellt Bedarfszeitpunkt (Bruttobedarf - Lagerbestand)
• Verwendet Stücklisten zur Ermittlung der benötigten Materialien
• Wichtige MRP-Formel: Nettobedarf = Bruttobedarf - Lagerbestand - Bestellungen + Reservierungen
• Unterscheidung in Sekundär-, Tertiär- und Zusatzbedarf
• MRP-I: nur Materialbedarfsplanung, MRP-II: inklusive Ressourcenplanung
Teilaufgabe 1:

Ein Unternehmen plant die Produktion eines Endprodukts. Der Bruttobedarf beträgt 500 Einheiten. Im Lager befinden sich 200 Einheiten und es gibt bereits Bestellungen über 100 Einheiten. Zusätzlich sind 50 Einheiten für Reservierungen eingeplant. Berechne den Nettobedarf gemäß der MRP-Formel:

Die gegebene Formel lautet:

Nettobedarf = Bruttobedarf - Lagerbestand - Bestellungen + Reservierungen

Wir setzen die gegebenen Werte in die Formel ein:

Bruttobedarf = 500 Einheiten Lagerbestand = 200 Einheiten Bestellungen = 100 Einheiten Reservierungen = 50 Einheiten

Setze die Werte in die Formel ein:

Nettobedarf = 500 - 200 - 100 + 50

Berechne die Werte Schritt für Schritt:

Nettobedarf = 500 - 200 = 300 Nettobedarf = 300 - 100 = 200 Nettobedarf = 200 + 50 = 250

Der Nettobedarf beträgt somit 250 Einheiten.

b)

Teilaufgabe 2:

Angenommen, die Produktion eines Produkts erfordert die folgenden Teile gemäß der Stückliste:

• Stückliste:
  • Teil A: 2 Einheiten
  • Teil B: 3 Einheiten
  • Teil C: 1 Einheit

Das Unternehmen plant die Produktion von 150 Einheiten dieses Produkts. Berechne den Gesamtbedarf an Teil A, Teil B und Teil C.

Lösung:

Materialbedarfsplanung (MRP)

Materialbedarfsplanung (MRP) ist ein System zur Planung der Materialien, die für die Produktion benötigt werden, basierend auf Stücklisten, Lagerbeständen und Produktionsplänen. Es berechnet die Bedarfe auf Basis von Produktionsprogrammen und erstellt den Bedarfszeitpunkt durch die folgende Formel:

• Berechnet Bedarfe auf Basis von Produktionsprogrammen
• Erstellt Bedarfszeitpunkt (Bruttobedarf - Lagerbestand)
• Verwendet Stücklisten zur Ermittlung der benötigten Materialien
• Wichtige MRP-Formel: Nettobedarf = Bruttobedarf - Lagerbestand - Bestellungen + Reservierungen
• Unterscheidung in Sekundär-, Tertiär- und Zusatzbedarf
• MRP-I: nur Materialbedarfsplanung, MRP-II: inklusive Ressourcenplanung

Angenommen, die Produktion eines Produkts erfordert die folgenden Teile gemäß der Stückliste:

• Stückliste:
• Teil A: 2 Einheiten
• Teil B: 3 Einheiten
• Teil C: 1 Einheit

Das Unternehmen plant die Produktion von 150 Einheiten dieses Produkts. Berechne den Gesamtbedarf an Teil A, Teil B und Teil C.

Gehen wir Schritt für Schritt vor, um den Gesamtbedarf zu berechnen:

1. Berechnung des Bedarfs für Teil A:

• Pro Einheit des Endprodukts werden 2 Einheiten von Teil A benötigt.
• Für 150 Einheiten des Endprodukts beträgt der Bedarf an Teil A:

Bedarf an Teil A = 150 Einheiten * 2 Einheiten/Einheit = 300 Einheiten

• Pro Einheit des Endprodukts werden 3 Einheiten von Teil B benötigt.
• Für 150 Einheiten des Endprodukts beträgt der Bedarf an Teil B:

Bedarf an Teil B = 150 Einheiten * 3 Einheiten/Einheit = 450 Einheiten

• Pro Einheit des Endprodukts wird 1 Einheit von Teil C benötigt.
• Für 150 Einheiten des Endprodukts beträgt der Bedarf an Teil C:

Bedarf an Teil C = 150 Einheiten * 1 Einheit/Einheit = 150 Einheiten

Der Gesamtbedarf an den Teilen ist daher:

• Teil A: 300 Einheiten
• Teil B: 450 Einheiten
• Teil C: 150 Einheiten

c)

Teilaufgabe 3:

Erkläre den Unterschied zwischen MRP-I und MRP-II und diskutiere, wie jeder in die Materialbedarfsplanung integrierte werden kann.

Lösung:

Materialbedarfsplanung (MRP)

Materialbedarfsplanung (MRP) ist ein System zur Planung der Materialien, die für die Produktion benötigt werden, basierend auf Stücklisten, Lagerbeständen und Produktionsplänen. Es berechnet die Bedarfe auf Basis von Produktionsprogrammen und erstellt den Bedarfszeitpunkt durch die folgende Formel:

• Berechnet Bedarfe auf Basis von Produktionsprogrammen
• Erstellt Bedarfszeitpunkt (Bruttobedarf - Lagerbestand)
• Verwendet Stücklisten zur Ermittlung der benötigten Materialien
• Wichtige MRP-Formel: Nettobedarf = Bruttobedarf - Lagerbestand - Bestellungen + Reservierungen
• Unterscheidung in Sekundär-, Tertiär- und Zusatzbedarf
• MRP-I: nur Materialbedarfsplanung, MRP-II: inklusive Ressourcenplanung

Erkläre den Unterschied zwischen MRP-I und MRP-II und diskutiere, wie jeder in die Materialbedarfsplanung integriert werden kann.

• MRP-I:

MRP-I steht für Material Requirements Planning. Es handelt sich hierbei um die ursprüngliche Form der Materialbedarfsplanung. MRP-I fokussiert sich ausschließlich auf die Bestimmung der Materialien, die benötigt werden, um den Produktionsprozess zu unterstützen. Es berücksichtigt dabei die Stücklisten, Lagerbestände, Bestellungen und Reservierungen.

• Schlüsselfunktion von MRP-I:
• Ermittlung des Nettobedarfs an Materialien
• Planung der Materialien basierend auf Produktionsprogrammen
• Management der Lagerbestände
• MRP-II:

MRP-II steht für Manufacturing Resource Planning. Es baut auf dem Konzept von MRP-I auf und erweitert es um zusätzliche Ressourcenplanung. Neben der Materialbedarfsplanung umfasst MRP-II auch die Planung von Personal, Maschinenkapazitäten und weiteren Produktionsressourcen. MRP-II integriert somit die Materialplanung in eine umfassendere Planung der gesamten Produktionsressourcen.

• Schlüsselfunktion von MRP-II:
• Erweiterung der MRP-I-Funktionalität um Ressourcenplanung
• Integration von Personal- und Maschinenkapazitätsplanung
• Optimierung der gesamten Produktionsprozesse

Integration in die Materialbedarfsplanung:

Die Integration von MRP-I und MRP-II in die Materialbedarfsplanung kann folgendermaßen erfolgen:

• Integration von MRP-I:
• Implementierung eines Systems zur Berechnung des Nettobedarfs an Materialien basierend auf den Produktionsplänen
• Laufende Überprüfung und Aktualisierung der Lagerbestände, Bestellungen und Reservierungen
• Nutzung von Stücklisten zur genauen Ermittlung der benötigten Materialien
• Integration von MRP-II:
• Erweiterung des MRP-I-Systems durch Einbeziehung der Ressourcenplanung
• Planung von Personal und Maschinenkapazitäten zusätzlich zur Materialplanung
• Optimierung der gesamten Produktionsressourcen, um einen reibungslosen Produktionsprozess zu gewährleisten

Insgesamt ermöglicht die Kombination von MRP-I und MRP-II eine umfassende und effiziente Planung und Steuerung der Produktionsressourcen, was zu einer effizienteren Produktionsplanung und einem besseren Management der Ressourcen führt.