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16 www computerautomation de ● 2 21 den Watchdog-Timer gesteuert wird Sobald der Watchdog-Timer diese Aufgabe nicht erfüllen kann wechselt die Maschine in einen sicheren Zustand was jedoch zu einem Produktionsstillstand führt Safety über 5G als Black Channel 5G ist eine vielversprechende drahtlose Kommunikationstechnologie zur Unterstützung industrieller Automatisierungsvorgänge Mit seiner Version 16 erhält 5G die dafür erforderlichen Funktionen Hinsichtlich Funktionaler Sicherheit kann ein 5G-Kommunikationssystem als Black Channel betrachtet werden s Bild 1 S 15 Ein solches System umfasst hier sowohl die mit Sicherheitssensoren oder -aktoren ausgerüsteter Endgeräte UE User Equipment als auch die Basisstation gNB nach 3GPP als Teil des 5G-Netzes Dieses unterstützt durchgängig Gerätemobilität Zugangskontrolle Umsetzung von Quality of Service QoS und andere Beiträge zur Funkkommunikation zwischen Basisstation und den Endgeräten Bei Betrachtung eines solchen 5G-Systems als Black Channel von außen ist dessen interne Struktur nicht sichtbar Eine Anwendung der funktionalen Sicherheit sieht nur eine Schicht-2-oder Schicht-3-Verbindung die eigentliche Funkund Kernnetz-Konfiguration ist für die Anwendung nicht relevant Die User Plane Function ist Teil des 5G-Core-Netzwerkes und überträgt Anwendungsdaten zum normalen Datennetz s Bilder 1 und 2 S 15 Bei Anwendungen der funktionalen Sicherheit kann sie entweder direkt mit der Sicherheitsanwendung oder über ein industrielles Ethernet-Netzwerk interagieren Aus der Natur eines Black Channel folgt auch dass ein derartig aufgebautes 5G-System bezüglich seiner Sicherheitsrelevanz nicht zertifiziert werden muss! Mit Blick auf die hohen Sicherheitsanforderungen ist die Zusammenfassung aller 5G-Komponenten einer Fertigungsanlage in einem 5G-Campus-Netz nach SNPN Stand-Alone Non-Public-Network definiert in 3GPP der beste Ansatz für die Sicherheitskommunikation Bild 1 5G-Anwendungen im Campus-Netz Diese Architektur wir dann als eigenständiges nicht öffentliches Netz Campus-Netz bezeichnet bei dem die 5G-Anwendung vollständig vom öffentlichen Netz isoliert ist Für anspruchsvolle Anwendungen wie mobile Roboter oder FTS bei denen 5G als Black Channel betrachtet wird muss dieses Campus-Netz über flexibel anpassbare Sicherheitssysteme verfügen Die an die Sicherheitssteuerung übertragenen Informationen sind anwendungsspezifisch dazu gehören die Geschwindigkeit die Position oder auch ein Not-Halt Bild 2 S 15 Besondere Herausforderungen an 5G Die Tabelle zeigt die Hauptanforderungen welche ein 5G-System zur Unterstützung der funktionalen Sicherheit erfüllen muss Neben der deterministisch begrenzten Latenzzeit definiert durch die Reaktionszeit der jeweiligen Sicherheitsfunktion werden auch Sicherheit und Verfügbarkeit als wichtige Anforderungen angesehen die entsprechenden 5G-Eigenschaften sind ebenfalls in der Tabelle aufgeführt 5G kann Anwendungen der funktionalen Sicherheit unterstützen wenn alle aufgeführten Funktionen auf dem eingesetzten Netzwerk realisiert werden Sicherer FTS-Verkehr mittels Wireless-5G Die Anwendung Sicherere Kreuzungen für den FTS-Verkehr ist gut geeignet sowohl den Bedarf an sicheren Funkstrecken in industrieller Umgebung als auch die entsprechende Leistungsfähigkeit von 5G-Systemen darzustellen Der Use Case wurde in der Demofabrik am FIR an der RWTH Aachen realisiert Ziel war es die Wirtschaftlichkeit einer Fertigung durch erhöhte Geschwindigkeit der eingesetzten FTS zu steigern bei unverändertem Sicherheitsniveau sprich durch sichere Vermeidung von Kollisionen der FTS mit Personen oder Hindernissen Für diesen Proof of Concept wurde die lokale Sicherheitsfunktion des FTS um die sichere Kommunikation mit einer fest ver-5G-Serie Die 5G-Charakteristika hinsichtlich der Anforderungen an die funktionale Sicherheit Bild 3 Kreuzung einer typischen FTS Infrastruktur mit Mensch und Maschine links Sensoren ohne Sicherheitsfelder rechts Sensoren mit Sicherheitsfeldern Bild Schildknecht Anforderung Charakteristik Relevante 5G-Potenziale Reaktionszeit Sicherheitsfunktion Applikationsabhängig Wird bei der Entwicklung mittels Risikoabschätzung ermittelt und implementiert Die Deterministische Latenz der 5G-Lösung wird ermöglicht durch folgende Eigenschaften 1 QoS-Netzwerk 2 5G-Netzwerk mit geringer und variabler Latenzzeit sowie 3 Niedriger Latenz im Core-Netzwerk Latenz Muss den relevanten IECFestlegungen für Automatisierungssysteme voll entsprechen 5G hat technische Eigenschaften für Redundanz und Funknetzdesign um Abdeckung und Kapazität zu gewährleisten Sicherheit Security sowie nicht autorisierte Sicherheitsmeldungen Datenintegrität sowie Authentifizierung zwischen zwei Endknoten 1 5G unterstützt Integrität der Anwenderebene 2 5G bietet Authentifizierungsmechanismen zwischen Endgeräten und Netzwerk für nicht öffentliche Netze Integration mit Industrial EthernetNetzwerken Integration mit Netzwerken in verschiedenen Zonen Ausgewählte Zonen für Systeme mit funktionaler Sicherheit 1 5G unterstützt Transport von Ethernet-Frames 2 5G unterstützt Network Slicing 3 5G unterstützt VLAN-Integration beziehungsweise Konfiguration Bild 5Gang Projektkonsortium