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Cyber Physikalische Systeme (CPS und CPPS)

Konvergenz der Technologien

Bereits seit den 1970er Jahren wird Computertechnik in der Fertigung eingesetzt. Aus der anhaltenden Computerisierung der Produktion haben sich bis in die heutige Zeit hochintelligente Fertigungssysteme entwickelt[1]. Zu­neh­mend wird diese Intelligenz durch Vernetzung untereinander zu Cyber-Phy­si­ka­lischen Sys­temen (CPS) weiterentwickelt. Aus der Verbindung der CPS untereinander entstehen in den Fabriken vernetzte Produktionssysteme, die als Cyber-Physikalische Pro­duk­ti­ons­sys­teme (CPPS) beschrieben werden[2]. Parallel haben sich in anderen Bereichen aus der Entwicklung der Computer- und Kommunikationstechnik heraus neue Technologien mit sogenannten Smart Devices[3] und dezentralen Software-Services, den so­ge­nan­nten Cloud-Diensten, entwickelt[4].

Konvergenz der Technologien
Konvergenz der Technologien [5]
Diese Konvergenz[6] setzt sich fort und ist ein maßgeblicher Ver­än­de­rungs­treiber für die Produktionstechnik und schließlich auch für die daran ge­bun­denen Lo­gistikkonzepte.

Vernetzte, eingebettete Systeme

Die fortschreitende Miniaturisierung, bei gleichzeitiger Leistungssteigerung und der fort­währende Preisverfall in der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) machen den Einsatz von Computertechnik in immer mehr Bereichen des Alltagslebens und in der in­dustriellen Fertigung möglich. Dort führte die Computisierung zunächst von einfachen NC-Programmierungen über die Weiter­ent­wicklung zu CNC-Systemen und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), bis hin zu Systemen mit eingebetteter Software[7]. Wesentliches Kriterium der aktuellen Ver­änderungen ist auf der einen Seite die Vernetzung dieser Systeme mittels Internet­technologien unter­ein­ander (z.B. mit Profinet[8]) und auf der anderen Seite auch mit Menschen und Gütern, die sich im Umfeld dieser Systeme bewegen[9]. CPS sind das Ergebnis der Konvergenz von Systemen mit eingebetteter Software (in­tel­ligente eingebettete Systeme) und global ver­fügbaren Datennetzen wie dem Internet[10]. Diese Konvergenz be­gründet den Wandel von mecha­tronischen Systemen mit starrer Kopplung hin zu in­tel­li­genten Systemen[11] mit modifizierbaren Kopplungen von Sensorik und Aktorik[12].

Kommunikationsparadigma Cyber-Physikalischer Systeme (CPS).
Kommunikationsparadigma Cyber-Physikalischer Systeme (CPS)[13].
Damit werden vormals statische, passive Objekte wie Motoren und Sensoren zu „in­tel­li­genten“ Bestandteilen eines vernetzten Systems, die untereinander Informationen aus­tauschen, Informationen über die Umgebung sammeln und weitergeben können[14]. In einem vollständig integrierten Wertschöpfungsprozess geschieht dies ohne Unter­bre­chung über die Grenzen der an der Entwicklung, Herstellung und dem Vertrieb der Pro­dukte beteiligten Unternehmen hinweg[15]. Die „Intelligenz“ der CPS entsteht durch die Vernetzung und die Möglichkeit, das Systemverhalten in den in der Entwicklung vor­weg­ge­dachten Spielräumen zu beeinflussen[16]. Dabei können die Fähigkeiten der CPS in Form von Diensten über Internetplattformen abgebildet werden, gleichzeitig sind die CPS über diese Dienste ansprech- und steuerbar. Die Möglichkeiten vormals ge­schlos­sene autarke Systeme über Internettechnologien zu verbinden wird im Konzeptansatz des „Internet der Dinge“[17] beschrieben. Die Nutzung der Fähigkeiten, also der jeweiligen In­telligenz dieser Systeme über Internetplattformen als sogenannte Dienste wird im Konzeptansatz des „Internet der Dienste“ beschrieben[18]. Zu­sam­men­gefasst wird daher häufig vom „Internet der Dinge und Dienste gesprochen“[19]. Für die Automation ergibt sich daraus ein neues „Kommunikationsparadigma“[20]. CPS stellen damit den Kern der (fertigungs)technischen Veränderungen in der Industrie 4.0 dar.

Für den Automobil- und Maschinenbau stellen CPS eine herausragende Rolle dar. Durch den Einsatz intelligenter Systeme werden komplexe Fertigungssteuerungen und ein hoher Automatisierungsgrad möglich[21]. Gleiches gilt für die Intralogistik, in der CPS die Steu­erung von Materialflüssen und die Identifikation und Nachverfolgung von Gütern über­nimmt (Tracking und Tracing)[22]. Branchenübergreifend gilt, dass von der Re­a­li­sie­rung von CPS-fähigen Systemen eine kostengünstigere, effizientere Produktion erwartet wird, die sich durch geringere Rüstzeiten sowie einen optimierten Energie- und Res­sour­cen­einsatz auszeichnet[23].

Es gibt bislang noch kein allgemeingültiges Verständnis über die Definition von CPS. In Anlehnung an Geisberger[24]  lassen sich Cyber-Physikalische Systeme (CPS) wie folgt definiert werden:

Cyber-Physikalische Systeme (CPS) stellen Systeme mit eingebetteter Software dar, die mittels Sensoren Daten über den Zustand ihrer Umgebung erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwirken. Die erfassten Daten können von diesen Systemen gespeichert und verarbeitet werden. Das System kann aktiv oder reaktiv im Rahmen seiner vorweg programmtechnisch und physikalisch/motorisch definierten Mög­lich­keiten mit seiner Umwelt physisch als auch über Vernetzung digital über Datennetze inter­agieren. Für die Interaktion werden über das Internet erreichbare Daten und Dienste sowie die im System vorhandenen Schnittstellen zur Umgebung (interaktive Bedien­oberflächen, Eingabegeräte, etc.) genutzt.

Literatur

  • ↑ (1) Vgl. Kief, H. B., Roschiwal, H. A.: CNC-Handbuch 2013/2014. München 2013., S. 19f.
  • ↑ (2) Vgl. Bauer, W., Schlund, S., Marrenbach, D., Ganschar, O.: Industrie 4.0 – Volkswirtschaftliches Potenzial für Deutschland. Berlin 2014, online abrufbar unter: http://www.bitkom.org (Stand: 30.07.2014), S. 9
  • ↑ (3) Vgl. Kagermann, H., Wahlster, W., Helbig, J.: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Frankfurt am Main 2013, online abrufbar unter: http://www.plattform-i40.de (Stand: 30.07.2014), S. 17; Gausemeier, J., Dumitrescu, R., Jasperneite, J., Kühn, A., Trsek, H.: Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Lösungen aus dem Spitzencluster it‘s OWL. 2014, online abrufbar unter: http://www.its-owl.de (Stand: 30.07.2014), S. 8
  • ↑ (4) ebenda, S. 7
  • ↑ (5) ebenda, S. 7
  • ↑ (6) ebenda, S. 7f.
  • ↑ (7) Vgl. Kief, H. B., Roschiwal, H. A.: CNC-Handbuch 2013/2014. München 2013., S. 139ff., S. 157
  • ↑ (8) Profinet ist ein auf dem Ethernetstandard basierendes Netzwerkprotokoll, über das die Maschinen bzw. Maschinenteile vernetzt werden. Hiermit lassen sich über IP-Adressen einzelne Bestandteile eines Fertigungssystems adressieren. Vgl. SIEMENS AG: PROFINET, 2013e, online abrufbar unter: http://www.automation.siemens.com (Stand: 03.03.2014), S. 7
  • ↑ (9) Vgl. Geisberger, E.: agendaCPS. München 2012, online abrufbar unter: http://www.acatech.de (Stand: 30.07.2014), S. 22
  • ↑ (10) ebenda, S. 20f.
  • ↑ (11) Vgl. Gausemeier, J., Dumitrescu, R., Steffen, D.: Systems Engineering in der industriellen Praxis. Paderborn 2013b, online (mit Registrierung) abrufbar unter: http://www.unity.de/ (Stand: 30.07.2014), S. 13
  • ↑ (12) ebenda, S. 15
  • ↑ (13) Vgl. Gausemeier, J., Dumitrescu, R., Jasperneite, J., Kühn, A., Trsek, H.: Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Lösungen aus dem Spitzencluster it‘s OWL. 2014, online abrufbar unter: http://www.its-owl.de (Stand: 30.07.2014), S. 6
  • ↑ (14) Vgl. Bauer, W., Schlund, S., Marrenbach, D., Ganschar, O.: Industrie 4.0 – Volkswirtschaftliches Potenzial für Deutschland. Berlin 2014, online abrufbar unter: http://www.bitkom.org (Stand: 30.07.2014), S. 19
  • ↑ (15) ebenda, S. 19
  • ↑ (16) Vgl. Gausemeier, J., Tschirner, C., Dumitrescu, R.: Der Weg zu intelligenten Technischen Systemen. In: Industrie Management 29, 2013a, Nr. 1, online abrufbar unter: http://www.industrie-management.de (Stand: 30.07.2014), S. 49f.
  • ↑ (17) Vgl. Strietzel, T.: Internet der Dinge in Maschinen- und Anlagensteuerungen. Berlin 2013, S. 20
  • ↑ (18) Zur Beschreibung des Internet der Dienste und der Weiterentwicklung zur Vision der Dienste Cloud: Vgl. Weiner, N., Renner, T., Kett, H.: Geschäftsmodelle im “Internet der Dienste“. Stuttgart 2010, online abrufbar unter: http://www.e-business.iao.fraunhofer.de/ (Stand: 31.07.2014), S. 72ff.
  • ↑ (19) Vgl. Kagermann, H., Wahlster, W., Helbig, J.: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Frankfurt am Main 2013, online abrufbar unter: http://www.plattform-i40.de (Stand: 30.07.2014), S. 17ff.
  • ↑ (20) Vgl. VDI/VDE: Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation. 2013, online abrufbar unter: http://www.vdi.de (Stand: 30.07.2014), S. 4f.
  • ↑ (21) ebenda, S. 9
  • ↑ (22) Vgl. acatech, 2011: Cyber-Physical Systems. München 2011, online abrufbar unter: http://www.acatech.de (Stand: 05.08.2014), S. 15
  • ↑ (23) Vgl. VDI/VDE: Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation. 2013, online abrufbar unter: http://www.vdi.de (Stand: 30.07.2014), S. 5
  • ↑ (24) Geisberger, E.: agendaCPS. München 2012, online abrufbar unter: http://www.acatech.de (Stand: 30.07.2014), S. 22

Dieser Text ist Bestandteil meiner 2014 erstellten Masterarbeit „Industrie 4.0 – Eine logistische Herausforderung“. Das vollständige Dokument können Sie hier herunterladen.