Die fortschreitende Digitalisierung im Rahmen der Industrie 4.0 führt zu einer fundamentalen Transformation der Produktionslandschaften, in der isolierte Anlagen zu dynamisch vernetzten Ökosystemen werden und eine individualisierte Fertigung ermöglichen. Diese Entwicklung stellt jedoch extreme Anforderungen an die zugrundeliegende Netzwerkinfrastruktur und eröffnet gleichzeitig neue, gefährliche Angriffsvektoren für Cyberkriminelle. Störungen oder gezielte Angriffe können nicht nur zu immensen finanziellen Verlusten führen, sondern auch physische Schäden an Maschinen verursachen und die Sicherheit von Menschen gefährden. Die zentrale Herausforderung besteht darin, innovative Sicherheitstechnologien praxisnah zu erproben und zu validieren, ohne den laufenden Betrieb einer echten Produktionsanlage zu stören – ein aus nachvollziehbaren Gründen praktisch unmögliches Unterfangen, das die Forschung vor ein erhebliches Dilemma stellt und den Bedarf an alternativen Testumgebungen unumgänglich macht.
Die Brücke Zwischen Theorie und Praktischer Anwendung
Als innovative Lösung für diese Problematik dient an der Hochschule Esslingen eine 24V-Modellfabrik von Fischertechnik als vielseitige Forschungs- und Demonstrationsplattform im Rahmen des Projekts „Smart Factory Grids“. Dieses Modell ist weit mehr als ein didaktisches Spielzeug; es fungiert als eine ernstzunehmende, skalierbare und hochflexible Forschungsplattform, die die Komplexität hochvernetzter Produktionsprozesse im Miniaturmaßstab detailgetreu abbildet. Durch die modulare Bauweise, die aus individuell ansteuerbaren Komponenten wie einem Brennofen, verschiedenen Förderbändern, einem Kran und einem Hochregallager besteht, lassen sich komplette und dynamische Fertigungsabläufe simulieren. Die Modellfabrik wird somit zu einer Art physischem digitalen Zwilling, der es Forschenden und Studierenden ermöglicht, eine realitätsnahe Umgebung zu schaffen, in der die Wechselwirkungen zwischen der digitalen Steuerungsebene (IT) und der physischen Betriebsebene (OT – Operational Technology) detailliert untersucht werden können, ohne die Risiken einer echten Produktionsumgebung eingehen zu müssen.
Die Notwendigkeit einer solchen praxisorientierten Testumgebung wird durch die inhärenten Schwierigkeiten bei der Forschung im Bereich der industriellen Kommunikation unterstrichen. Prof. Dr. Tobias Heer, Dekan der Fakultät Informatik und Informationstechnik an der Hochschule Esslingen, betont, dass Experimente an realen, produktiven Anlagen kaum durchführbar sind. Die Risiken eines Produktionsstillstands, die immensen damit verbundenen Kosten und die potenziellen Sicherheitsgefahren für die Anlage und das Personal verbieten jegliche Eingriffe in den laufenden Betrieb, die über etablierte Wartungsarbeiten hinausgehen. Die Modellfabrik stellt hier die „ideale Basis“ dar, um neue Entwicklungen und Algorithmen prototypisch umzusetzen und zu validieren. Sie überführt abstrakte Konzepte aus dem Labor in eine greifbare, physische Realität und schließt so die kritische Lücke zwischen theoretischer Forschung und praktischer Anwendung, indem sie eine sichere, kosteneffiziente und kontrollierbare Umgebung für anspruchsvolle Experimente bereitstellt.
Realistische Bedrohungsszenarien Greifbar Machen
Die Modellfabrik ermöglicht die systematische Durchführung und anschauliche Demonstration komplexer Bedrohungsszenarien, die in einer realen Umgebung verheerende Folgen hätten. Ein eindrückliches Beispiel ist die gezielte Manipulation des Datenverkehrs, um einen Cyberangriff zu simulieren. In einem solchen Experiment wird die Auslösung einer Lichtschranke durch künstlich eingefügte Verzögerungen im Netzwerk manipuliert. Im geschützten Rahmen der Modellfabrik führt dies lediglich zu einem sichtbaren Fehler im Produktionsablauf, beispielsweise wenn ein Werkstück seine Zielposition verfehlt. Überträgt man dieses Szenario jedoch auf eine reale Fabrik, könnten die Konsequenzen katastrophal sein: Eine solche Verzögerung könnte zu einer Kollision von schweren Maschinenteilen, zur Produktion fehlerhafter oder unbrauchbarer Produkte oder im schlimmsten Fall zu einem folgenschweren Sicherheitsunfall führen. Durch solche Demonstrationen werden abstrakte Bedrohungen wie Man-in-the-Middle-Angriffe oder Paketmanipulationen für Experten und Laien gleichermaßen verständlich und ihre potenziellen Auswirkungen greifbar.
Neben der Simulation von Angriffen liegt ein weiterer entscheidender Forschungsschwerpunkt auf der Validierung von Schutzmechanismen. Die kontrollierte Umgebung der Modellfabrik erlaubt es, Sicherheitskomponenten wie Firewalls oder Intrusion-Detection-Systeme in das Netzwerk zu integrieren und deren Wirksamkeit empirisch nachzuweisen. Eine der zentralen Fragen in industriellen Steuerungssystemen ist dabei der Einfluss dieser Schutzmaßnahmen auf den zeitkritischen Netzwerkverkehr. In Produktionsumgebungen, wo Latenzzeiten im Millisekundenbereich über den Erfolg oder Misserfolg eines Prozesses entscheiden können, darf Sicherheit nicht zu Lasten der Leistungsfähigkeit gehen. In der Modellfabrik kann präzise gemessen werden, wie sich eine Firewall auf die Paketlaufzeiten auswirkt und ob dadurch kritische Prozessschritte beeinträchtigt werden. So können die Vorteile neuer Sicherheits- und Performance-Algorithmen nicht nur theoretisch postuliert, sondern empirisch nachgewiesen und visuell veranschaulicht werden, um eine optimale Balance zwischen Robustheit und Effizienz zu finden.
Ein Katalysator für Forschung und Ausbildung
Die Modellfabrik fungierte als ein essenzielles und vielseitiges Instrument, das eine kritische Lücke in der Forschung und Lehre zur industriellen Netzwerksicherheit schloss. Sie überwand die scheinbar unüberbrückbare Kluft zwischen der Notwendigkeit praxisnaher Experimente und der Unmöglichkeit, diese an realen, produktiven Anlagen durchzuführen. Ihre Funktion als Kommunikationsplattform war dabei von unschätzbarem Wert: Komplexe Forschungsergebnisse, die oft nur in Form von Daten und wissenschaftlichen Publikationen vorlagen, wurden greifbar und verständlich gemacht. Bei Fachveranstaltungen erlebten Experten die Funktionsweise neuer Sicherheitstechnologien live, während die Plattform bei öffentlichen Events wie dem „Tag der offenen Tür“ zu einem interaktiven Exponat wurde, das insbesondere den technischen Nachwuchs für IT-Sicherheit begeisterte. Die Plattform transformierte abstrakte Bedrohungen und komplexe Lösungsansätze in verständliche und überzeugende Demonstrationen.
Darüber hinaus erwies sich die Modellfabrik als ein herausragendes pädagogisches Werkzeug, das den Studierenden eine ganzheitliche Lernerfahrung bot. Sie erhielten die Möglichkeit, eine komplette verteilte Fabrik eigenständig aufzubauen – von der physischen Planung und Verkabelung über die Programmierung der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) bis hin zur finalen Inbetriebnahme. Diese projektbasierte Ausbildung vermittelte Kompetenzen, die weit über theoretisches Wissen hinausgingen. Die Studierenden sahen die unmittelbaren Auswirkungen ihrer Arbeit im laufenden Betrieb und entwickelten so ein tiefes Verständnis für die komplexen Zusammenhänge und Herausforderungen in der industriellen Automatisierung und Netzwerksicherheit. Die Plattform leistete somit einen wichtigen Beitrag zur Ausbildung der nächsten Generation von Fachkräften und zur Stärkung der Cybersicherheit in der vernetzten Industrie.
