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Title
Industrial Internet of Things und Cyber-Physical Systems : Survey und Case-Study
Additional Titles
Industrial Internet of Things and Cyber-Physical Systems : Survey and Case-Study
AuthorIbrahim, Mohamed
Thesis advisorGöschka, Karl Michael
Published2018
Date of SubmissionMarch 2018
LanguageGerman
Document typeBachelor Thesis
Keywords (DE)Automatisierung / Cyber-physische Systeme / Digitaler Zwilling / Industrielle Cloud / Industrielle Kommunikation / Industrielle Sicherheit / (Industrielles) Internet der Dinge / Industrie 4.0 / Modbus-TCP
Keywords (EN)Automation / Cyber-Physical Systems / Digital Twin / Industrial Cloud / Industrial Communications / Industrial Security / (Industrial) Internet of Things / Industry 4.0 / Modbus-TCP
Restriction-Information
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Classification
Abstract (German)

Im Zuge der dritten industriellen Revolution gelang

IngenieurInnen ein großer Fortschritt in der Industrie. Eingebettete

Mikroprozessoren und programmierbare Steuerungen ermöglichten es,

computergestützt technische Prozesse zu automatisieren. Die vierte industrielle Revolution, auch Industrie 4.0

genannt, setzt den Fortschritt fort und erweitert diesen mit zunehmender

Digitalisierung. Elektronisch überwachte Maschinen und Anlagen werden

dazu fähig gemacht, Daten zu sammeln und diese über Netzwerke zu kommunizieren.

Rasante, parallele Entwicklungen in einigen technischen Disziplinen ermöglichen

das Entstehen von Cyber Physical Systems, Systeme, in denen die physikalische Welt und die digitale Welt

zunehmend verschmelzen. Durch das Entstehen großer Datenmengen entwicklen sich

Cloud-Lösungen für die Industrie, um Daten zu erhalten und durch Analyse

einen Mehrwert zu schaffen. Durch das Einbinden von

Maschinen in Netzwerken entsteht eine neue Art von

Gefahren, wie am Beispiel von „Stuxnet“, einer Malware

angepasst an Automatisierungssystemen, verdeutlicht wird.

In diesem Rahmen wird als Proof of Concept ein IoT-Gateway praktisch

implementiert, um das Potential industrieller Kommunikation zu demonstrieren. Um

die Konnektivität der Siemens Cloud, „Mindsphere“ zu erhöhen,

werden zusätzliche Protokolle zur Standardkonnektivität, welche derzeit nur über zwei Protokolle abgewickelt wird,

implementiert. Dabei wird folgendes Szenario vorgestellt: Echtzeitdaten werden

aus einem elektronischen Leistungsmesser mittels Modbus-TCP ausgelesen, ein weit verbreitetes Kommunikationsprotokoll in der Industrie.

Anschließend werden die Daten aufbereitet und in die Mindsphere, die

industrielle Cloud-Lösung von Siemens, übertragen. Die gesetzten Ziele wurden erreicht, denn es

wurde gezeigt, dass auch andere, für diese Domäne immer wichtiger werdende

Kommunikationsprotokolle für die Datenübertragung verwendet werden können.

Dieses Proof of Concept zeigt das unheimliche Potential industrieller

Kommunikationsprotokolle und beweist, dass diese eine Schlüsselrolle in der

Industrie 4.0 spielt und dass das Spektrum an Kommunikationsmöglichkeiten mit

einigen anderen, leichtgewichtigen Protokollen für Sensordaten erweitert werden

kann. Die Methodik und Originalität dieser Arbeit besteht einerseits aus der

wissenschaftlichen Recherche und theoretischen Einführung in die Thematik,

anschließend mit dem Bezug und Übergang zur Praxis in Form der praktischen

Umsetzung.

Abstract (English)

During the 3rd industrial revolution, engineers achieved major improvements in the field of electronics, especially in regards to Automation Technology,

enabling the support of technical production processes with Hardware and Software Systems, such as Programmable Logic Controllers and Microprocessors.

With Industry 4.0, the next transformation commenced advancing this progress and expanding it even further. Due to the high degree of digitalization

optimizing network and internet technologies, microprocessor enable machines, equipped with sensors, to collect data for data processing and transfer them to

cloud servers or distribution to other nodes in the network over the internet.

This revolution leads to „Cyber-Physical Systems“,

allowing the physical and digital world to merge. Machine Learning Algorithms and data analysis can be powerful methods to predict behavior of machines and to recognize needs for maintenance. As mechanical and physical elements are now connected to networks

and the internet and are digitally controlled, they become vulnerable to threats from the digital world, as demonstrated by 'Stuxnet', a malware designed for the Siemens automation systems

of the Natanz Nuclear power plant in Iran.

An own implementation of

Modbus-TCP Gateway for IoT will demonstrate the Proof of Concept for industrial

communications. To connect assets to „Mindsphere“, the proprietary industrial

cloud solution of Siemens, there are

two standard protocols used for data transmission. This project had the target

to proof that it is possible to expand connectivity solutions, which indeed is

needed for other use cases. The implemented system reads Real Time Data from an

electronic power meter monitoring the operating electrical values of a test lab,

processes them on a microcontroller and finally transfer them to Mindsphere.

This Proof of Concepts shows the high potential of communication protocols and

proves, that communication plays an important role in Industry 4.0, but also

that it is necessary to have multiple connectivity options to cover all use cases.

The methodology and originality of this thesis consists of the theoretical

introduction to the domain on one hand, and on the other hand the crosswalk to

practical use of these techniques and demonstration of the core concepts.