Die fortschreitende Digitalisierung im Rahmen von Industrie 4.0 stellt die industrielle Fertigung vor enorme Herausforderungen, insbesondere im Bereich der Netzwerksicherheit, da hochvernetzte und flexible „Smart Factories“ äußerst robuste und sichere Kommunikationsinfrastrukturen erfordern. Für Forschungsprojekte wie „Smart Factory Grids“ an der Hochschule Esslingen stellt es eine zentrale Hürde dar, neue Sicherheitstechnologien praxisnah und überzeugend zu demonstrieren, ohne auf reale Produktionsanlagen zurückgreifen zu können. Der Einsatz solcher Anlagen für Experimente ist aus triftigen Sicherheits- und Kostengründen praktisch undurchführbar, da bereits kleinste Eingriffe den laufenden Betrieb stören, irreversible Schäden an teuren Maschinen verursachen oder sensible Produktionsdaten kompromittieren könnten. Infolgedessen bleibt die tatsächliche Wirksamkeit und der praktische Nutzen innovativer Sicherheitslösungen oft abstrakt und für Industriepartner schwer nachvollziehbar, was den Transfer von der Forschung in die Anwendung erheblich erschwert. Es entsteht eine kritische Lücke zwischen theoretischer Entwicklung und praktischer Validierung.
Die Fischertechnik-Modellfabrik als Herzstück der Forschung
Eine realitätsnahe Laborumgebung
Als effektive und praxisorientierte Lösung für dieses Dilemma dient eine 24V-Modellfabrik des Herstellers Fischertechnik, die als eine vollwertige Miniatur-Smart-Factory fungiert. Diese Plattform ermöglicht es, komplexe industrielle Prozesse in einem kontrollierten, sicheren und kosteneffizienten Labormaßstab detailgetreu nachzubilden. Die besondere Stärke der Modellfabrik liegt in ihrer ausgeprägten Modularität und Erweiterbarkeit. Sie besteht aus einzelnen, realistischen Komponenten wie einem Brennofen, verschiedenen Förderbändern, einem Kran und einem automatisierten Hochregallager. Jede dieser Komponenten kann individuell über eine realitätsnahe Steuerung angesteuert und vernetzt werden, wodurch eine authentische Modellumgebung entsteht. Diese simuliert die hochgradige Vernetzung und die dynamischen Abläufe moderner Produktionsprozesse mit bemerkenswerter Präzision. Anstatt abstrakt und theoretisch zu bleiben, können Forschungsergebnisse somit anschaulich, interaktiv und für jeden nachvollziehbar vermittelt werden, was die Kommunikation und das Verständnis erheblich fördert.
Die Eignung und der hohe Wert dieser Modellfabrik für die Forschung werden durch die Aussage von Prof. Dr. Tobias Heer, Dekan der Fakultät Informatik und Informationstechnik an der Hochschule Esslingen, untermauert. Er betont die grundsätzliche Schwierigkeit, realistische Forschung im Bereich der industriellen Kommunikation durchzuführen, da Experimente an aktiven, produktiven Anlagen so gut wie unmöglich sind. In diesem Kontext beschreibt er die Modellfabrik von Fischertechnik als eine „ideale Basis“, die durch ihre ausgeprägte Vielseitigkeit die prototypische Umsetzung und Erprobung neuer Entwicklungen in einem sicheren Rahmen ermöglicht. Sie schließt somit die kritische Lücke zwischen theoretischer Konzeption und praktischer Validierung. Die Fabrik ist weit mehr als ein einfaches Modell; sie stellt eine vollwertige, flexible Demonstrationsumgebung dar, die es den Forschenden erlaubt, Hypothesen zu testen, Algorithmen zu optimieren und die Robustheit ihrer Systeme unter kontrollierten, aber realistischen Störszenarien zu beweisen, ohne dabei reale Werte zu gefährden.
Validierung und konkrete Anwendungsszenarien
Ein zentraler Anwendungsfall ist die Visualisierung der konkreten Auswirkungen von Cyberangriffen auf physische Prozesse, um die abstrakte Gefahr greifbar zu machen. Als eindrückliches Beispiel wird die gezielte Manipulation des Datenverkehrs innerhalb des Fabriknetzwerks demonstriert. Durch diesen rein digitalen Eingriff wird erreicht, dass eine Lichtschranke an einem der Förderbänder verzögert auslöst. Dieses Szenario macht unmittelbar und visuell begreifbar, wie ein Angriff auf die IT-Infrastruktur eine konkrete physische Fehlfunktion in der Produktionskette verursachen kann, beispielsweise indem ein Werkstück falsch positioniert oder ein nachfolgender Prozessschritt gestört wird. Solche Demonstrationen belegen eindrücklich die Verwundbarkeit moderner cyber-physischer Systeme und schärfen das Bewusstsein für die Notwendigkeit integrierter Sicherheitskonzepte, die sowohl die digitale als auch die physische Ebene umfassen. Die Modellfabrik erlaubt die wiederholbare und sichere Durchführung solcher Angriffsszenarien.
Darüber hinaus wird die Plattform intensiv genutzt, um die Wirksamkeit, aber auch die potenziellen Nebeneffekte von neu entwickelten Sicherheitsmechanismen zu evaluieren. Beispielsweise wird eine Firewall in das Netzwerk der Modellfabrik integriert, um deren Einfluss auf den zeitkritischen Datenverkehr zu analysieren. In industriellen Steuerungssystemen sind Latenz und Echtzeitkommunikation absolut kritische Faktoren, da bereits Verzögerungen im Millisekundenbereich zu Produktionsfehlern führen können. Die Demonstration zeigt auf, wie klassische Sicherheitsmaßnahmen zwar den Schutz erhöhen, potenziell aber auch die für den Produktionsprozess erforderliche Performance beeinträchtigen und somit einen Zielkonflikt erzeugen. Auf diese Weise können die Vorteile neu entwickelter Sicherheits- und Performance-Algorithmen, die genau diesen Zielkonflikt adressieren, anschaulich und überzeugend dargestellt werden. Es wird messbar und sichtbar, wie innovative Ansätze Sicherheit gewährleisten, ohne die betriebliche Effizienz zu kompromittieren.
Mehr als nur Forschung Bildung und Öffentlichkeitsarbeit
Ein praxisnahes Lernwerkzeug für Studierende
Neben dem reinen Forschungsaspekt hebt sich der erhebliche pädagogische Nutzen der Modellfabrik hervor, was durch die Perspektive des Studenten Tobias Klippel eindrücklich illustriert wird. Er schildert seine Erfahrung, eine komplette verteilte Fabrik von Grund auf selbstständig aufzubauen – ein Prozess, der von der physischen Planung und Verkabelung über die komplexe Programmierung der Steuerungslogik bis hin zur finalen Inbetriebnahme reichte. Besonders spannend war für ihn die Beobachtung der direkten und unmittelbaren Auswirkungen seiner Arbeit im laufenden Betrieb der Fabrik. Diese direkte Rückkopplung zwischen geschriebenem Code und der daraus resultierenden physischen Aktion stellt einen enormen Motivations- und Lernfaktor dar. Ein solcher Lerneffekt fehlt in rein theoretischen Übungen oder Simulationen, da das Verständnis für die Komplexität und die Fehleranfälligkeit cyber-physischer Systeme durch das praktische Erleben vertieft wird.
Diese Art des projektbasierten Lernens bereitet die Studierenden optimal auf die realen Herausforderungen vor, die sie in der modernen Industrie erwarten. Sie lernen nicht nur isolierte Technologien oder Programmiersprachen, sondern erfahren die Notwendigkeit einer ganzheitlichen Systemintegration. Der Aufbau der Modellfabrik zwingt sie dazu, Probleme an der Schnittstelle von Hardware, Software und Netzwerktechnik zu lösen. Sie müssen die physikalischen Grenzen der Mechanik ebenso berücksichtigen wie die zeitlichen Anforderungen der Steuerungsprotokolle. Dieses praktische Wissen über die Interdependenzen in automatisierten Systemen ist von unschätzbarem Wert und fördert eine Problemlösungskompetenz, die weit über das im Hörsaal vermittelte Wissen hinausgeht. Die Studierenden entwickeln ein tiefes, intuitives Verständnis für die Zusammenhänge, was sie zu gefragten Fachkräften im Bereich der Industrie 4.0 macht.
Eine Brücke zwischen Wissenschaft und Gesellschaft
Die Modellfabrik dient als eine vielseitige Kommunikationsplattform, die weit über den internen Gebrauch in Forschung und Lehre hinausgeht und komplexe Forschungsergebnisse für ein breiteres Publikum „greifbar und verständlich“ macht. Bei Fachveranstaltungen und Industriemessen ermöglicht sie es Experten, die Funktionsweise neuer Sicherheitstechnologien direkt am Objekt zu erleben und deren Auswirkungen in Echtzeit zu beobachten. Anstatt sich auf theoretische Präsentationen und abstrakte Diagramme verlassen zu müssen, können potenzielle Anwender und Entscheidungsträger aus der Wirtschaft die Robustheit und Effizienz der vorgestellten Lösungen selbst beurteilen. Dieser interaktive „Show, don’t tell“-Ansatz ist weitaus überzeugender als jede theoretische Abhandlung und hat sich als äußerst effektiv erwiesen, um den Transfer von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die industrielle Praxis zu beschleunigen und Kooperationen anzustoßen.
Gleichzeitig entwickelte sich die Modellfabrik zu einem Publikumsmagneten bei öffentlichen Events wie dem Tag der offenen Tür und erfüllte damit eine wichtige Funktion in der Öffentlichkeitsarbeit. Hier bot sie insbesondere Schülern und angehenden Studierenden die Möglichkeit, selbst aktiv zu werden und Technik spielerisch auszuprobieren. Dieser interaktive und niedrigschwellige Ansatz förderte nicht nur das grundlegende Verständnis für die komplexe Thematik der industriellen IT-Sicherheit, sondern weckte auch nachhaltig das Interesse an technischen Studiengängen und den damit verbundenen Berufsfeldern. Die Modellfabrik fungierte somit als eine wichtige Brücke zwischen der akademischen Welt, der Industrie und der Gesellschaft. Sie hat gezeigt, wie es gelingen kann, zukunftsweisende Forschungsthemen aus dem Elfenbeinturm zu holen und sie für die nächste Generation von Ingenieuren und Wissenschaftlern attraktiv und zugänglich zu machen.
