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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR ASCERTAINING OPERATIONAL USAGE DATA OF AN INDUSTRIAL DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/197934
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for ascertaining operational usage data of an industrial device (10) which is controlled by a controller (20), having the steps of: - detecting (S1) a chronological sequence of control data packets which are transmitted between the controller and the industrial device via a communication connection (101), - identifying (S2) at least one piece of usage information in the chronological sequence of detected control data packets, - assigning (S3) a usage mode and a usage duration using the at least one identified piece of usage information, and - providing (S4) the assigned usage mode and usage duration.

Inventors:
FALK RAINER (DE)
SEUSCHEK HERMANN (DE)
WIMMER MARTIN (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/057455
Publication Date:
October 07, 2021
Filing Date:
March 23, 2021
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
G05B19/4063; G05B19/418; G06Q20/14; G07C3/00; G07C3/08; H04L12/14
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Ermitteln von Betriebsnutzungsdaten einer industriellen Vorrichtung (10), die von einer Steuervorrich tung (20) gesteuert wird, umfassend

- Erfassen (Sl) einer zeitlichen Abfolge von Steuerungsdaten paketen einer Steuerungskommunikation, die über eine Kommuni kationsverbindung (101) zwischen der Steuervorrichtung (20) und der industriellen Vorrichtung (10) übertragen werden,

- Identifizieren (S2) von mindestens einer Nutzungsinformati on in der zeitlichen Abfolge der erfassten Steuerungsdatenpa kete,

- Zuordnen (S3) einer Nutzungsart sowie einer Nutzungsdauer anhand der mindestens einen identifizierten Nutzungsinforma tion, und

- Bereitstellen (S4) der zugeordneten Nutzungsart und Nut zungsdauer.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Identifizieren der Nutzungsinformation die erfassten Steuerungsdatenpakete nach mindestens einem protokollabhängigen Übertragungsparameter, insbesondere einer MAC-Adresse, einer IP-Adresse, einer Port nummer oder einer Protokollkennung gefiltert werden.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nutzungsinformation durch ein Ermitteln von Steuerungs protokollnachrichten und/oder Überwachungsprotollnachrichten in den erfassten Steuerungsdatenpaketen identifiziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Nutzungsinformation durch ein Auswerten eines Inhaltes der Steuerungsprotokoll nachrichten und/oder Überwachungsprotokollnachrichten identi fiziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens ei ne Nutzungsinformation anhand eines Verkehrsmusters, das aus statistischen Eigenschaften der erfassten Steuerungsdatenpa kete ermittelt wird, identifiziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei anhand eines ma schinellen Lernverfahrens, das auf die Steuerungsdatenpakete angewandt wird, die Nutzungsinformation identifiziert und der Nutzungsart und Nutzungsdauer zugeordnet werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerungsdatenpakete dupliziert und unter Nutzung einer Einwegkommunikationsschnittstelle aus der Kommunikationsver bindung (101, 113) ausgekoppelt werden.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerungsdatenpakete innerhalb der industriellen Vor richtung (10, 110), erfasst werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Identifizieren und/oder das Zuordnen und/oder das Bereit stellen in der abgesetzten Auswertevorrichtung durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zugeordnete Nutzungsart und Nutzungsdauer kryptographisch geschützt bereitgestellt werden.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei

Überwachungsdaten zwischen der Steuervorrichtung (20, 120) und einer übergeordneten Überwachungsvorrichtung (30) erfasst und ausgewertet werden und gegenüber der Nutzungsinformation und/oder der Nutzungsart und Nutzungsdauer auf Plausibilität überprüft werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Warnsignal bereitgestellt wird, wenn in einer vorbestimm ten Zeitdauer keine Nutzungsart und Nutzungsdauer bereitge stellt werden und/oder ein nicht erwartetes Systemverhalten erkannt wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einem industriellen System (100), das mehr als ein Teil netz (50) enthält, und ein Teilnetz (50) jeweils aus einer industriellen Vorrichtung (10, 110) und einer die industriel le Vorrichtung (10, 110) steuernde Steuervorrichtung (20,

120) umfasst, die Nutzungsart und Nutzungsdauer für jedes Teilnetz ermittelt und bereitgestellt werden.

14. Nutzungsermittlungsvorrichtung zum Ermitteln von Be triebsnutzungsdaten umfassend

- eine Datenerfassungseinheit (142), die mit einer Kommunika tionsverbindung (113) einer industriellen Vorrichtung (110) verbindbar ist und derart ausgebildet ist, eine zeitliche Ab folge von Steuerungsdatenpaketen einer Steuerungskommunikati on zu erfassen,

- eine Identifizierungseinheit (143), die derart ausgebildet ist, mindestens eine Nutzungsinformation in dem zeitlichen Verlauf der erfassten Steuerungsdatenpakete zu identifizie ren,

- eine Zuordnungseinheit (144), die derart ausgebildet ist, eine Nutzungsart sowie eine Nutzungsdauer anhand der mindes tens einen identifizierten Nutzungsinformation zuzuordnen, und

- eine Bereitstellungseinheit (145), die derart ausgebildet ist, die zugeordnete Nutzungsart und Nutzungsdauer bereitzu stellen.

15. Computerprogrammprodukt, umfassend ein nicht flüchtiges Computerlesbares Medium, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, die Schritte des Verfahrens nach ei nem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.

Description:
Beschreibung

Verfahren zum Ermitteln von Betriebsnutzungsdaten einer in dustriellen Vorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Nutzungser mittlungsvorrichtung zum Ermitteln von Betriebsnutzungsdaten einer industriellen Vorrichtung, die von einer Steuervorrich tung gesteuert wird.

Maschinen einer industriellen Anlage, z. B. Produktionsma schinen, Werkzeugmaschinen oder auch Feldgeräte einer Ferti gungsanlage werden herkömmlicherweise von einem Betreiber ge kauft oder geleast, das heißt, für eine begrenzte Zeit gemie tet. Ein Kauf erfordert allerdings hohe Anfangsinvestitionen, und ein Leasing führt zu festen Leasingzahlungen und sind un günstig in Bezug auf ein Kosten-Nutzen-Verhältnis. Daher wer den zunehmend „Pay per Use"-Modelle genutzt, bei denen die Maschine vom Nutzer nicht gekauft oder geleast wird, sondern die tatsächliche Nutzung abgerechnet und bezahlt wird.

Bei Maschinen sind beispielsweise Betriebsstundenzähler be kannt, die eine Nutzungsdauer der Maschine über einen Be triebsschalter oder über spezielle Sensoren, beispielsweise Vibrations- oder Gyrosensoren, ermitteln. Die detektierte physikalische Information wird verwendet, um auf die Nutzung der Maschine zu schließen. Beispiele für physikalische Nut zungsinformation sind Temperatur, Vibration, Durchflussmenge, Spannung oder Strom. Dies erfordert in oder an der Maschine zusätzliche Sensoren, die manipuliert werden können und dar aus abgeleitete Maschinennutzungsinformationen verfälschen. Eine solche Lösung mit zusätzlichen Sensoren ist somit bei Maschinen und sonstigen Komponenten einer Anlage nur bedingt zuverlässig .

EP 3540 678 Al offenbart ein Werkzeug-Management-System mit mindestens einem Maschinenwerkzeug, das mit einem Überwa chungsgerät verbunden ist. Das Überwachungsgerät sendet In- formation zur Nutzung des Werkzeugs an ein Managementgerät, das daraus Nutzungsgebühren ermittelt.

EP 3540 678 Al offenbart ein Verfahren zur Berechnung einer Nutzungsrate bei der ein Betriebssignal von einem Ein- /Ausgangsport kontinuierlich gescannt wird. Anhand des Be triebssignals und einer Betriebsregel des Ein-/Ausgangsports wird ermittelt, ob ein Maschinenwerkzeug aktiv ist. Ist dies der Fall, wird eine Nutzungsrate aus einer aufgezeichneten Betriebszeit ermittelt.

US 2015/142165 Al offenbart eine Datenaggregation und - analyse für eine digitale Fertigung. Die Datenaggregation um fasst das Sammeln, Verarbeiten und Filtern von Daten aus ei ner Vielzahl von Datenquellen, sodass diese als einen einzige Datenquelle analysiert werden können.

US 2019/095265 Al offenbart eine Wartungsarchitektur, die ei ne vorhersagende Fehleranalyse zur Überwachung von Cloud- Komponenten durchführt. Die vorhersagende Fehleranalyse ana lysiert Sensordaten der Cloud-Komponenten und gibt eine Wahr scheinlichkeit für einen Fehler mindestens einer Cloud- Komponente aus.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maschi nennutzungsdaten korrekt und zuverlässig gegenüber Manipula tion zu erfassen und bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen be schriebenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Betriebsnutzungsdaten einer industriellen Vor richtung, die von einer Steuervorrichtung gesteuert wird, um fassend

Erfassen einer zeitlichen Abfolge von Steuerungsdatenpake ten einer Steuerungskommunikation, die über eine Kommuni- kationsverbindung zwischen der Steuervorrichtung und der industriellen Vorrichtung übertragen werden,

Identifizieren von mindestens einer Nutzungsinformation in der zeitlichen Abfolge der erfassten Steuerungsdatenpake te,

Zuordnen einer Nutzungsart sowie einer Nutzungsdauer der industriellen Vorrichtung anhand der mindestens einen identifizierten Nutzungsinformation, und

Bereitstellen der zugeordneten Nutzungsart und Nutzungs dauer.

Eine industrielle Vorrichtung kann dabei beispielsweise eine Maschine einer industriellen Anlage, z. B. mindestens eine Produktionsmaschine, Werkzeugmaschine oder auch ein aus einem oder mehreren Feldgeräten bestehender Teilbereich einer Auto matisierungsanlage sein. Die industrielle Vorrichtung wird durch eine Steuerungskommunikation von einer Steuervorrich tung gesteuert. Die Steuerungsdatenpakete können dabei konti nuierlich, zyklisch in vorgegebenen Zeitintervallen oder durch ein Ereignis ausgelöst erfasst werden.

Dies hat den Vorteil, dass eine Manipulation wesentlich er schwert wird. So genügt es nicht, einen einfachen physikali schen Sensor oder die erfasste Messgröße zu manipulieren. Vielmehr müsste durch einen Angreifer die Steuerungskommuni kation derart verändert werden, dass der gewünschte Betrieb immer noch erfolgt, gleichzeitig aber zu einer unterschiedli chen Nutzungsinformation führt. Im Gegensatz zu einer Sensor basierten Messung ist das Verfahren somit wesentlich komple xer und eine mögliche Manipulation für einen Angreifer oder auch Nutzer der industriellen Vorrichtung mit dem Risiko be haftet, dass die eigentliche Nutzung nicht mehr sicher bzw. zuverlässig möglich ist. Damit ist eine erfolgreiche Manipu lation mit einem hohen Aufwand und Risiko für den Angreifer verbunden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden zum Identifi zieren der Nutzungsinformation die erfassten Steuerungsdaten- pakete nach mindestens einem protokollabhängigen Übertra gungsparameter, insbesondere einer MAC-Adresse, einer IP- Adresse, einer Portnummer oder einer Protokollkennung gefil tert.

Eine Filterung nach protokollabhängigen Übertragungsparame tern ermöglicht es, gezielt relevante Datenpakete aus dem ge samten auf der Kommunikationsverbindung übertragenen Daten strom zu extrahieren und somit eine weitere Identifizierung von relevanter Nutzungsinformation zu erleichtern.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Nutzungsin formation durch ein Ermitteln von Steuerungsprotokollnach richten und/oder Überwachungsprotokollnachrichten in den er fassten Steuerdatenpaketen identifiziert.

Anhand von Steuerprotokollnachrichten kann beispielsweise ein Anstoßen bzw. ein Beenden einer Aktion in der industriellen Vorrichtung erkannt werden. Durch Überwachungsprotokoll nachrichten kann beispielsweise auf einen Status oder eine Leistung der industriellen Vorrichtung geschlossen werden. Dies sind besonders relevante Informationen, aus denen sich bereits Rückschlüsse auf Nutzungsart und Nutzungsdauer ablei ten lassen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Nutzungsin formation durch Auswerten eines Inhalts der Steuerungsproto koll- und/oder Überwachungsprotokoll-nachrichten identifi ziert.

Beispielsweise können durch eine sogenannte „Deep packet in- spection" des Kopf- und/oder des Nutzdatenteils der Steue rungsdatenpakete detaillierte Nutzungsinformationen gewonnen werden. So können aus der Steuerungsprotokollnachricht ein konkreter Steuerbefehl ermittelt werden. So kann aus einem Start- und Stoppbefehl und deren Parametrierung auf eine Nut zungsart, deren Leistung und auch die Nutzungsdauer geschlos sen werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die mindestens eine Nutzungsinformation anhand eines Verkehrsmusters, das aus statistischen Eigenschaften der erfassten Steuerungsda tenpakete ermittelt wird, identifiziert.

Statistische Eigenschaften der erfassten Steuerungsdatenpake te sind beispielsweise ein Datenvolumen, eine Anzahl und eine zeitliche Verteilung der Steuerungsdatenpakete. Durch Ver gleichen des ermittelten Verkehrsmusters mit bekannten Ver kehrsmustern können die Betriebsart und/oder die Betriebsdau er zugeordnet werden. Damit kann auch verschlüsselte Steue rungskommunikation ausgewertet und zur Nutzungsermittlung verwendet werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden anhand eines maschinellen Lernverfahrens, das auf die erfassten Steue rungsdatenpakete angewandt wird, die Nutzungsinformation identifiziert und der Nutzungsart und Nutzungsdauer zugeord net.

Maschinelle Lernverfahren können selbstlernend im laufenden Betrieb neue Muster erkennen und sind somit besonders flexi bel einsetzbar.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden Steuerungsda tenpakete dupliziert und ohne jeglichen Rückfluss von Daten an die industrielle Vorrichtung aus der Kommunikationsverbin dung ausgekoppelt.

Das Erfassen einer zeitlichen Abfolge von Steuerungspaketen erfolgt durch Duplizieren und Auskoppeln, beispielsweise in duktivem Auskoppeln der Steuerungsdatenpakete und Weiterlei ten zur weiteren Auswertung. Dies hat den Vorteil, dass durch die Auskopplung der Steuerungsdatenpakete der Steuerungsda tenverkehr zur industriellen Vorrichtung nicht beeinflusst oder manipuliert werden kann. So kann das Verfahren auch in zulassungspflichtigen und sicherheitskritischen industriellen Anlagen eingesetzt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Steuerungs datenpakete innerhalb der industriellen Vorrichtung erfasst.

Dies erschwert eine Manipulation der Steuerungskommunikation vor dem Abgriff zur Nutzungsermittlung. Dies ist auch dann vorteilhaft, wenn die Steuerungsdatenpakete vor einer krypto- grafischen Behandlung, insbesondere Verschlüsselung der Steu erungsdatenpakete erfasst werden. Der Inhalt der Steuerungs datenpakete ist dann einfach erkennbar und kann damit insbe sondere gut zum Auswerten des Inhalts des Steuerungsdatenpa kets genutzt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden das Identifi zieren und/oder das Zuordnen und/oder das Bereitstellen in der abgesetzten Auswertevorrichtung durchgeführt.

Dies hat den Vorteil, dass insbesondere rechenaufwendige Identifizierungs- und Zuordnungsfunktionen nicht direkt in oder bei der industriellen Vorrichtung durchgeführt werden müssen. Die Betriebsnutzungsermittlung kann somit durch eine einfach strukturierte Nutzungsermittlungsvorrichtung mit ge ringer Rechenleistung durchgeführt werden. Somit kann der Verarbeitungsaufwand in eine zentrale Vorrichtung ausgelagert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die zugeordnete Nutzungsart und -dauer kryptografisch geschützt bereitge stellt.

So können beispielsweise die erfasste Nutzungsart und -dauer verschlüsselt abgespeichert werden und die aufgezeichneten Daten zusätzlich signiert werden. Damit kann die Integrität der Daten überprüft und eine Manipulation der Daten erschwert werden. Des Weiteren können die Daten nur von berechtigten Stellen entschlüsselt und somit gelesen werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden Überwachungsda ten zwischen der Steuervorrichtung und einer übergeordneten Überwachungseinheit erfasst und ausgewertet und gegenüber der Nutzungsinformation und/oder der Nutzungsart und Nutzungsdau er auf Plausibilität überprüft.

Dies hat den Vorteil, dass Fehler bei der Erfassung und Aus wertung von Nutzungsdauer und -art frühzeitig erkannt werden können. So kann insbesondere erkannt werden, wenn die Steue rungskommunikation auf eine Nutzung der industriellen Vor richtung schließen lässt, aber keine entsprechenden Überwa chungsdaten an die übergeordnete Überwachungseinheit übertra gen werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Warnsignal bereitgestellt, wenn in einer vorbestimmten Zeitdauer keine Nutzung und Nutzungsdauer an eine Überwachungsvorrichtung be reitgestellt werden und/oder ein nicht erwartetes Systemver halten erkannt wird.

Dies ermöglicht es, eine Betriebsbereitschaft, auch als „Lifeliness" der industriellen Vorrichtung zu überwachen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden in einem in dustriellen System, das mehr als ein Teilnetz enthält und ein Teilnetz jeweils aus einer industriellen Vorrichtung und ei ner die industrielle Vorrichtung steuernde Steuervorrichtung umfasst, die Nutzungsart und Nutzungsdauer für jedes Teilnetz ermittelt und bereitgestellt.

Dies hat den Vorteil, dass Nutzungsart und Nutzungsdauer für jedes einzelne Teilnetz eines industriellen Systems vorlie gen, sodass feingranular unterschiedliche Nutzungsarten und Nutzungsdauer des gesamten Systems ermittelt werden können.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Nutzungser mittlungsvorrichtung zum Ermitteln von Betriebsnutzungsdaten umfassend eine Datenerfassungseinheit, die mit einer Kommuni kationsverbindung einer industriellen Vorrichtung verbindbar ist und derart ausgebildet ist, eine zeitliche Abfolge von Steuerungsdatenpaketen einer Steuerungskommunikation zu er fassen, eine Identifizierungseinheit, die derart ausgebildet ist, mindestens eine Nutzungsinformation in dem zeitlichen Verlauf der erfassten Steuerungsdatenpakete zu identifizie ren, eine Zuordnungseinheit, die derart ausgebildet ist, eine Nutzungsart sowie eine Nutzungsdauer anhand der mindestens einen identifizierten Nutzungsinformation zuzuordnen und eine Bereitstellungseinheit, die derart ausgebildet ist, die zuge ordnete Nutzungsart und Nutzungsdauer bereitzustellen.

Ein Vorteil der Nutzungsermittlungsvorrichtung ist es, dass die Nutzungsart und Nutzungsdauer aus dem Betrieb der über wachten industriellen Vorrichtung vorhandenen Steuerungsda tenkommunikation bzw. Steuerungsdatenpaketen ermittelt wird, ohne zusätzliche Sensoren dazu zu benötigen. Insbesondere die Identifizierung-, Zuordnungs- und evtl, auch die Bereitstel lungseinheit können abgesetzt von der zu überwachenden in dustriellen Vorrichtung ausgebildet sein, beispielsweise in einem Cloud-Backend, beispielsweise einem Server, der zusätz liche Bearbeitungskapazität bereitstellt. Die Datenerfas sungseinheit erfasst dabei die Steuerungskommunikation inner halb der industriellen Vorrichtung, bevorzugt vor einer kryp- tografischen Bearbeitung der Steuerungskommunikation. Alter nativ kann die Datenerfassungseinheit die Steuerungsdatenpa kete auf einer Kommunikationsverbindung außerhalb der indust riellen Vorrichtung erfassen. Die Datenerfassungseinheit kann zusätzlich eine weitere Erfassungseinheit umfassen, die die Überwachungsdaten zwischen der Steuervorrichtung und einer übergeordneten Überwachungseinrichtung erfasst.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerpro grammprodukt, umfassend ein nicht flüchtiges computerlesbares Medium, das direkt in einen Speicher eines digitalen Compu ters ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeig net sind, die Schritte des Verfahrens durchzuführen. Die jeweiligen Einheiten, z. B. die Datenerfassungseinheit, Identifizierungseinheit, Zuordnungseinheit und/oder Bereit stellungseinheit kann hardwaretechnisch und/oder auch soft waretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechni schen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Vorrich tung oder als Teil einer Vorrichtung z. B. als Computer oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Bei einer softwaretech nischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Compu terprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausge bildet sein.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Nutzungsermittlungsvorrichtung sind in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein industrielles System mit mindestens einer indust riellen Vorrichtung, die von einer Steuervorrichtung gesteuert wird und einer Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Nutzungsermittlungsvorrichtung in Block darstellung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah rens als Flussdiagramm; und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Nut zungsermittlungsvorrichtung in Blockdarstellung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 zeigt ein Anwendungsszenario in Form eines indust rielles Systems 100 in dem das erfindungsgemäße Verfahren durch eine Nutzungsermittlungsvorrichtung 40 ausgeführt wird. Das industrielle System 100 umfasst mindestens ein Teilnetz 50, wobei jedes Teilnetzwerk eine Steuervorrichtung 20, eine industrielle Vorrichtung 10 sowie eine Kommunikationsverbin dung 101 zwischen der Steuervorrichtung 20 und der industri elle Vorrichtungen 10 umfasst. Die industrielle Vorrichtung 10 wird durch Steuerungsdatenpakete gesteuert, die über die Kommunikationsverbindung 101 übermittelt werden. Das Teil netzwerk 50 umfasst eine Nutzerschnittstelle 13 auf der die ermittelte Betriebsnutzungsdaten, d.h. die ermittelten Nut zungsarten und Nutzungsdauer der industriellen Vorrichtung 10 ausgegeben, beispielsweise angezeigt werden können. Das in dustrielle System 100 kann mehrere Teilnetzwerke 50 umfassen, für die jeweils separat Betriebsnutzungsdaten ermittelt wer den.

Die Steuervorrichtung 20 ist über ein Systemkommunikations netzwerk 103 mit einer Überwachungsvorrichtung 30 verbunden. Die Überwachungsvorrichtung 30 kann beispielsweise ein SCADA- System sein, das technischer Prozesse mittels eines Computer systems überwacht und steuert. Des Weiteren kann auch ein Herstellungsausführungssystem im Englischen als Manufacturing Execution System MES verbunden sein. Zwischen der Steuervor richtung 20 und der Überwachungsvorrichtung 30 werden Überwa chungsdaten übertragen, wie beispielsweise Fehlermeldungen der Steuervorrichtung 20 oder ihrer verbundenen industriellen Vorrichtung 10 oder auch Statusnachrichten der industriellen Vorrichtungen und Steuervorrichtung 20.

Die dargestellte industrielle Vorrichtung 10 umfasst bei spielhaft einen Aktor 11, einen Sensor 12 und ein Feldgerät 13 zur Steuerung von analogen Sensoren oder Aktoren.

Zur Ermittlung der Betriebsnutzungsdaten ist die Nutzungser mittlungsvorrichtung 40 zwischen der industriellen Vorrich tung 10 und der Steuervorrichtung 20 mit der Kommunikations verbindung 101 verbunden. Die Nutzungsermittlungsvorrichtung 40 ermittelt anhand der Steuerungskommunikation auf der Kom munikationsverbindung die Betriebsnutzungsdaten der industri ellen Vorrichtung 10. Die Nutzungsermittlungsvorrichtung 40 ist optional mit einem Server 41 verbunden, in dem Teilfunk- tionen zur Ermittlung der Betriebsnutzungsdaten ausführt wer den können. Der Server 41 kann beispielsweise Rechenkapazität und Speicherplatz bereitstellen.

Des Weiteren ist optional eine Erfassungsvorrichtung 42 mit der Nutzungsermittlungsvorrichtung 40 verbunden. Die Erfas sungsvorrichtung 42 koppelt Überwachungskommunikation, die zwischen der Steuervorrichtung 20 und der Überwachungsvor richtung 30 übermittelt wird, aus und übermittelt diese an die Nutzungsermittlungsvorrichtung 40.

Die Kommunikationsverbindung 101 übermittelt Steuerungsdaten eines Steuerungsprotokolls, wie beispielsweise einem indust riellen Internetprotokoll, einem IP-Netzwerk, einem OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture) Protokoll, MQTT (Message Queuing Telemetrie Transport) Protokoll oder auch einem Profinet- oder Profisafe-Protokoll. Um eine ver trauenswürdige Abrechnungsinformation für die erfolgte Nut zung der industriellen Vorrichtung zu erfassen, wird die Steuerkommunikation erfasst und ausgewertet.

Dies wird nun anhand des Flussdiagramms in Fig. 2 näher be schrieben. Im Verfahrensschritt S1 wird eine zeitliche Abfol ge von Steuerungsdatenpaketen, die hier auch als Steuerkommu nikation bezeichnet wird, über die Kommunikationsverbindung 101 erfasst. Im nachfolgenden Verfahrensschritt S2 wird aus der erfassten Abfolge von Steuerungsdatenpaketen mindestens eine Nutzungsinformation identifiziert. Der Verfahrensschritt S3 wird dann anhand der mindestens einen identifizierten Nut zungsinformation eine Nutzungsart sowie eine Nutzungsdauer der jeweiligen Nutzungsart zugeordnet. Diese Nutzungsart und Nutzungsdauer wird im Verfahrensschritt S4 bereitgestellt.

Zum Identifizieren der Nutzungsinformation werden die erfass ten Steuerdatenpakete aufbereitet. Beispielsweise werden die Steuerdatenpakete abhängig von einer MAC-Adresse, einer IP- Adresse, einer Portnummer oder Protokollkennungen vorgefil tert. Dabei kann eine Filterung nach einem oder auch einer Kombination der angegebenen Parameter gefiltert werden. Es können einzelne Steuerungsprotokollnachrichten und/oder Über wachungsprotokollnachrichten in den erfassten Steuerungsda tenpaketen identifiziert werden. Der Inhalt der Steuerungs protokoll- und/oder Überwachungsprotokollnachrichten kann ausgewertet und aus der zeitlichen Abfolge eine Nutzungsin formation identifiziert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Deep Packet Inspection erfolgen. Aus dem Inhalt dieser Protokollnachrichten kann sehr genau und detailliert die Nutzungsinformation gewonnen werden, aus der eine detail lierte Abfolge von Nutzungsart und Nutzungsdauer ermittelt werden kann.

Aus der erfassten Abfolge von Steuerungsdatenpaketen kann aber auch ein Verkehrsmuster aus statistischen Eigenschaften der erfassten Steuerdatenpakete ermittelt werden. Solche sta tistischen Eigenschaften sind beispielsweise die zeitliche Reihenfolge und Zeitabstände zwischen Steuerungsdatenpaketen oder identifizierten unterschiedlichen Steuerungsprotokoll- bzw. Überwachungsprotokollnachrichten.

Nutzungsinformation kann aber auch anhand von mindestens ei nem Datenmuster identifiziert werden, das anhand eines ma schinellen Lernverfahrens wie beispielsweise einem Klassifi zierungsverfahren aus dem Datenstrom der Steuerungsdatenpake ten ermittelt wurde. Dazu wird das maschinelle Lernmodell an hand von bekannten Steuerungsdatenpaketabfolgen trainiert und einer Klasse, die jeweils einer bestimmten Nutzungsart ent spricht, zugeordnet. Die Nutzungsdauer kann anhand der Dauer eines bestimmten Datenmusters zugeordnet werden.

Es können auch selbstlernende Klassifizierungsverfahren ver wendet werden, bei denen neue Nutzungsarten selbstständig durch das maschinelle Lernverfahren identifiziert und einer Nutzungsart zugeordnet werden.

Die Steuerungsdatenpakete können unter Nutzung einer Einweg kommunikationsschnittstelle, wie beispielsweise einer Daten diode rückwirkungsfrei, das heißt ohne jeglichen Rückfluss von Daten in die industrielle Vorrichtung erfasst werden.

Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren auch in sicher- heitskritischen industriellen Vorrichtungen bzw. industriel len Systemen angewandt werden kann. Dabei kann ausgewertet werden, wie häufig und/oder wie lange ein vorgegebenes Ver kehrsmuster beobachtet wurde.

Um die Qualität der zugeordneten Nutzungsart und Nutzungsdau er einschätzen zu können, kann diese Information mit Nut zungsdaten, die mittels separater Sensoren, die physikalische Eigenschaften der industriellen Vorrichtung 10 detektieren, verglichen werden. Des Weiteren können Überwachungsdaten zwi schen der Steuervorrichtung 20 und der übergeordneten Überwa chungsvorrichtung 30 durch die Erfassungsvorrichtung 42 er fasst werden und in der Nutzungsermittlungsvorrichtung mit der Nutzungsinformation bzw. der zugeordneten Nutzungsart und Nutzungsdauer verglichen werden. Darüber können auch zusätz liche Informationen zur industriellen Vorrichtung, wie bei spielsweise eine „Liveliness" überwacht werden, das heißt ob die erwarteten Steuerungsdatenpakete beobachtet werden.

Auch bei Nicht-Nutzung der industriellen Vorrichtung werden im Allgemeinen Steuerungsdaten übertragen, aber andere Steue rungsprotokollnachrichten bzw. Steuerungsdatenpakete mit ei nem anderen Verkehrsmuster oder Datenmuster als bei Benutzung der Maschine. Wenn beispielsweise keines der erwarteten Ver kehrsmuster beobachtet wird, kann auf eine Fehlfunktion bzw. Manipulation geschlossen werden.

Beispielsweise kann ein Warnsignal bereitgestellt werden, wenn in einer vorbestimmten Zeitdauer keine Nutzungsart und Nutzungsdauer bereitgestellt wird bzw. wenn die identifizier te Nutzungsinformation bzw. Nutzungsart und Nutzungsdauer auf der Kommunikationsverbindung 101 zwischen industrieller Vor richtung 10 und Steuervorrichtung 20 nicht mit den Überwa chungsdaten, die zwischen Steuervorrichtung 20 und der über geordneten Überwachungsvorrichtung 30 erfasst werden, über einstimmen . Werden mehrere industrielle Vorrichtungen über separate Kom munikationsverbindungen von der gleichen Steuervorrichtung 20 gesteuert, können deren Nutzungsart und Nutzungsinformation getrennt entsprechend dem beschriebenen Verfahren ermittelt werden. Betriebsnutzungsdaten aus verschiedenen Teilnetzwer ken können in gleicher Weise ermittelt werden und zu einer Gesamtnutzung des industriellen Systems kumuliert werden.

Die Nutzungsermittlungsvorrichtung 40 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, die Steuerungsdatenpakete außerhalb der indust riellen Vorrichtung 10 an der Kommunikationsverbindung 101 erfassen. Alternativ dazu können die Steuerungsdatenpakete an einem innerhalb der industriellen Vorrichtung angeordneten Teil der Kommunikationsverbindung 101 erfasst werden.

In Fig. 3 wird eine Nutzungsermittlungsvorrichtung 140 be schrieben, die die Steuerdatenpakete innerhalb der industri ellen Vorrichtung 110 abgreift.

Die industrielle Vorrichtung 110 ist über eine Kommunikati onsverbindung 113 in Form einer Ethernetverbindung über einen Ethernetswitch 130 mit der Steuervorrichtung 120 verbunden. Die Steuerdatenpakete werden von einer zentralen Prozesso reinheit 111 an eine physische Ausgabeschnittstelle 112 über geben, die die Steuerungsdatenpakete an den Bitübertragungs standard der Ethernetverbindung anpasst. Die Steuerungsdaten pakete werden auf der Kommunikationsverbindung 113 innerhalb der industriellen Vorrichtung, hier zwischen der physischen Ausgabeschnittstelle 112 und einem Ethernetstecker 114 an die Nutzungsermittlungsvorrichtung 140 ausgekoppelt.

Die Nutzungsermittlungsvorrichtung 140 umfasst eine Datener fassungsvorrichtung 142, die hier zu einer rückwirkungsfreien Datenerfassung für jeweils eine Übertragungsrichtung eben falls eine physikalische Ausgabeschnittstelle 141 aufweist und eine rückwirkungsfreie Auskopplung der Steuerungskommuni kation für jede der beiden Übertragungsrichtungen gewährleis tet. Des Weiteren werden die erfassten Steuerungsdatenpakete in der Datenerfassungsvorrichtung 142 für die nachfolgende Analyse aufbereitet, beispielsweise gefiltert. Die Zuord nungseinheit 143 ist derart konfiguriert, die Steuerungspro tokollnachrichten zu identifizieren und auch Überwachungspro tokolldaten, aus denen die Nutzungsart und die Nutzungsdauer abgeleitet werden, zu ermitteln. Die entsprechende Nutzungs art und Nutzungsdauer kann anhand der erkannten Steuerproto kollnachrichten und eines erkannten Verkehrsmusters abgelei tet werden. Beispielsweise können Start- und Stoppbefehle o- der auch eine Parametrierung der industriellen Vorrichtung, wie z. B. Leistungseinstellungen, den Protokollnachrichten entnommen werden. Alternativ können die erfassten Steuerungs datenpakete an einen zentralen Server wie etwa ein Cloud- Backend übertragen und dort identifiziert und zugeordnet wer den.

Werden kryptografisch geschützte Steuerdatenpakete erfasst, so kann insbesondere durch Ermittlung eines Verkehrsmusters oder durch Ermittlung eines Datenmusters, das erfasste Daten volumen oder die Anzahl von verschlüsselten Steuerdatenpake ten auf die Maschinennutzung geschlossen werden. Die ermit telte Nutzungsart und Nutzungsdauer wird anschließend in ei ner Bereitstellungseinheit 144 abgelegt. Die Nutzungsart und Nutzungsdaten können dann von der Bereitstellungseinheit ab gerufen werden oder von der Bereitstellungseinheit 144 in ei nem vorgegebenen Zeitschema oder durch ein Ereignis getrig gert von der Bereitstellungseinheit ausgegeben werden.

Durch das beschriebene Verfahren und die beschriebene Nut zungsermittlungsvorrichtung kann ein Betreiber einer indust riellen Vorrichtung oder eines industriellen Systems Be triebsnutzungsdaten über die Steuerungskommunikation ermit teln. Diese Nutzungsart- und Nutzungsdauerwerte können direkt für die Abrechnung oder zur Plausibilisierung von Abrech nungsdaten verwendet werden. Diese Art der Ermittlung von Be triebsnutzungsdaten hat den Vorteil, dass Nutzungsart und Nutzungsdauer feingranular ausgewertet werden können. Ver kehrsmuster und Protokollnachrichten können herangezogen wer- den, um bestimmte Nutzungsarten abzuleiten, beispielsweise Verarbeitung von harten oder weichen Materialien, und diese entsprechend verrechnen. So kann eine Auswertung nach Ver schleiß der Maschine erfolgen.

Die so gewonnenen Nutzungsdaten können auch herangezogen wer den, um Lizenz- und Haftungsansprüche zu klären. Das Wissen über die Nutzung der industriellen Vorrichtung kann helfen, die Entwicklung von Produkten besser mit dem Bedarf der Kun den abzustimmen. Verfahren zur Identifizierung und Zuordnung der Nutzungsinformation bzw. Nutzungsart und Nutzungsdauer können, da insbesondere als Software realisiert, einfach ak tualisiert und implementiert werden. Durch einen rückwir kungsfreien Abgriff der Steuerungsdatenpakete wird sicherge stellt, dass die industrielle Vorrichtung oder auch das in dustrielle System durch die Ermittlung der Betriebsnutzung nicht negativ beeinflusst werden. Das Verfahren bzw. die Nut zungsermittlungsvorrichtung ist damit insbesondere auch für den Einsatz in kritischen Infrastrukturen oder Kontrollsyste- men geeignet.

Somit stellen das beschriebene Verfahren und die Nutzungser mittlungsvorrichtung eine Lösungsgrundlage zur Ermittlung von Betriebsnutzungsart und -dauer bereit, die ohne den Einsatz zusätzlicher Sensoren zur Erfassung physikalischer Parameter der industriellen Vorrichtung auskommt und stellen somit ein gegenüber einer Sensoren-basierten Benutzungsermittlung weit aus sichereres Verfahren dar.

Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert wer den. Alle beschriebenen Verfahrensmerkmale können durch die Nutzungsermittlungsvorrichtung ausgeführt werden. Die Erfin dung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele be schränkt.