{"id":3839,"date":"2023-12-21T09:48:00","date_gmt":"2023-12-21T09:48:00","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.zeiss.com\/digital-innovation\/de\/?p=3839"},"modified":"2024-02-07T10:14:27","modified_gmt":"2024-02-07T10:14:27","slug":"cyber-physics","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.zeiss.com\/digital-innovation\/de\/cyber-physics\/","title":{"rendered":"Cyber-physikalische Systeme als eine S\u00e4ule von Industrie 4.0"},"content":{"rendered":"\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Was ist das?<\/h2>\n\n\n\n<p>Ein Cyber-physikalisches System (CPS) steuert einen physikalisch-technischen Prozess und vereint dazu Elektronik, komplexe Software und Netzwerkkommunikation z.B. \u00fcber das Internet. Charakteristisch ist, dass alle Elemente einen untrennbaren Beitrag zur Funktionsweise des Systems leisten. Daher w\u00e4re es falsch, jedes Ger\u00e4t mit etwas Software und einem Netzwerkanschluss zu einem CPS zu erkl\u00e4ren.<\/p>\n\n\n\n<p>Gerade im Fertigungsumfeld sind CPS oft mechatronische Systeme, z.B. vernetzte Roboter. Embedded Systems stehen im Kern dieser Systeme, werden durch Netzwerke miteinander verbunden und durch zentrale Softwaresysteme z.B. in der Cloud erg\u00e4nzt.<\/p>\n\n\n\n<p>Cyber-physikalische Systeme sind durch ihre Vernetzung in der Lage, auch Infrastrukturen automatisch zu steuern, die \u00fcber gr\u00f6\u00dfere Entfernungen oder viele Orte verteilt sind. In der Vergangenheit waren diese nur begrenzt automatisierbar. Beispiele daf\u00fcr sind dezentral gesteuerte Stromnetze, Logistikabl\u00e4ufe und verteilte Produktionsprozesse.<\/p>\n\n\n\n<p>Im Fertigungsumfeld erm\u00f6glichen CPS durch ihre Automatisierung, Digitalisierung und Vernetzung eine hohe Flexibilit\u00e4t und Autonomie der Produktion. Dadurch werden z.B. Matrix-Produktionssysteme m\u00f6glich, die hohe Variantenvielfalt f\u00fcr gro\u00dfe und kleine St\u00fcckzahlen unterst\u00fctzen <a href=\"#[1]\">[1]<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<p>Es hat sich bisher keine einheitliche Definition durchgesetzt, da der Begriff breite und unspezifische Anwendung findet und manchmal auch utopisch-futuristische Konzepte damit vermarktet werden&nbsp;<a href=\"#[2]\">[2]<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:10px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Woher kommt der Begriff?<\/h2>\n\n\n\n<p>Innovationen im Bereich der IT, Netzwerktechnik, Elektronik etc. erm\u00f6glichten in den vergangenen Jahren komplexe, automatisierte und vernetzte Steuerungssysteme. Akademische Disziplinen wie die Steuerungs- und Regeltechnik sowie die Informationstechnik boten kein passendes Konzept f\u00fcr den neuen Mix aus technischen Prozessen, komplexen Daten und Software. Daher wurde ein neues Konzept mit einem passenden Namen n\u00f6tig.<\/p>\n\n\n\n<p>Der Begriff steht in enger Verwandtschaft zum Internet of Things (IoT). Au\u00dferdem bilden Cyber-physikalische Systeme den technischen Kern f\u00fcr viele Innovationen, die das Label \u201esmart\u201c im Namen tragen: Smart Home, Smart City, Smart Grid etc.<\/p>\n\n\n\n<p>\u00dcbrigens wird der deutsche Begriff nicht einheitlich verwendet, die alternative Schreibweise Cyber-physische Systeme wird z.B. durch den Verein Deutscher Ingenieure (VDI) in seinen Normen propagiert. In der Fachliteratur hat sich diese Schreibweise aber bisher nicht durchgesetzt.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:10px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Merkmale von CPS<\/h2>\n\n\n\n<p>Wie bereits erw\u00e4hnt gibt es keine allgemein anerkannte Definition. Aus der Vielzahl von Definitionen lassen sich aber folgende Merkmale destillieren:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Im Kern steht ein physikalischer oder technischer Prozess.<\/li>\n\n\n\n<li>Es gibt Sensoren und Modelle, um den Zustand des Prozesses digital zu erfassen.<\/li>\n\n\n\n<li>Es gibt komplexe Software, um auf Basis des Zustands eine (teil-)automatische Entscheidung zu treffen. Dabei ist ein menschlicher Eingriff m\u00f6glich, aber nicht zwingend n\u00f6tig.<\/li>\n\n\n\n<li>Es gibt technische Mittel, um die getroffene Entscheidung umzusetzen.<\/li>\n\n\n\n<li>Alle Elemente des Systems sind vernetzt, um Informationen auszutauschen.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<div style=\"height:10px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<p>Ein Modell f\u00fcr den Aufbau eines CPS ist das Schichtenmodell nach <a href=\"#[2]\">[2]<\/a><\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:10px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1000\" height=\"447\" src=\"https:\/\/blogs.zeiss.com\/digital-innovation\/de\/wp-content\/uploads\/sites\/2\/2023\/12\/Pyramide_DE.svg\" alt=\"\" class=\"wp-image-3942\" style=\"width:700px\"\/><\/figure>\n\n\n\n<p><em>Abbildung 1: Schichtenmodell f\u00fcr den inneren Aufbau von Cyber-physikalischen Systemen<\/em><\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:10px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Beispiele von Cyber-physikalischen Systemen<\/h2>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Selbststeuernde Fertigungsmaschinen und -prozesse (Smart Factory)<\/li>\n\n\n\n<li>Dezentrale Steuerung von Stromerzeugung und -verbrauch (Smart Grids)<\/li>\n\n\n\n<li>Geb\u00e4udeautomatisierung im Haushalt (Smart Home)<\/li>\n\n\n\n<li>Verkehrssteuerung in Echtzeit, durch zentrale oder dezentrale Steuerung mit Verkehrsleitsystemen oder Apps (Element der Smart City)<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<div style=\"height:10px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Beispiel f\u00fcr ein Cyber-physikalisches System in der Industrie<\/h2>\n\n\n\n<p>In diesem Beispiel wird eine Fertigungsmaschine vorgestellt, die durch Software und Vernetzung weitgehend autonom agieren kann und dabei Leerlauf- Ausfall- und Wartungszeiten minimiert. F\u00fcr unser Beispiel nehmen wir an, dass es sich um eine Werkzeugmaschine f\u00fcr die Zerspanung handelt.<\/p>\n\n\n\n<p>Vernetzte Elemente des Systems:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Werkzeugmaschine mit\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>QR-Code-Kamera zur Werkst\u00fcck-Identifikation<\/li>\n\n\n\n<li>RFID-Leser zur Werkzeug-Identifikation<\/li>\n\n\n\n<li>Automatische Vorrats\u00fcberwachung<\/li>\n\n\n\n<li>Verschlei\u00dferkennung und Wartungsvorhersage<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n\n\n\n<li>Zentrales IT-System f\u00fcr Konstruktionsdaten und Werkzeugparameter (CAM)<\/li>\n\n\n\n<li>MES\/ERP-System<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Die Fertigungsmaschine in unserem Beispiel ist in der Lage, das Werkst\u00fcck und das Werkzeug zu identifizieren. Daf\u00fcr k\u00f6nnen die g\u00e4ngigen Technologien RFID oder QR-Code verwendet werden. Ein zentrales IT-System verwaltet Konstruktions- und Vorgabedaten, z.B. bei CNC-Maschinen ein Computer-aided Manufacturing-System (CAM). Die Fertigungsmaschine ruft mit der ID von Werkst\u00fcck und Werkzeug alle Daten aus dem zentralen System ab, die f\u00fcr die Bearbeitung n\u00f6tig sind. Damit entf\u00e4llt die manuelle Eingabe von Parametern, die Daten werden durchg\u00e4ngig digital verarbeitet. Die Identifikation erm\u00f6glicht die Verbindung von physikalischer Schicht und Datenschicht eines Cyber-physikalischen Systems.<\/p>\n\n\n\n<p>Die digitalisierten Daten f\u00fcr Werkst\u00fccke, Maschinen und weitere Elemente einer Fertigung k\u00f6nnen unter dem Begriff Digitaler Zwilling zusammengefasst werden, der im <a href=\"https:\/\/blogs.zeiss.com\/digital-innovation\/de\/digitaler-zwilling-saeule\/\">Blogartikel \u201eDer digitale Zwilling als eine S\u00e4ule von Industrie 4.0\u201c von Marco Grafe<\/a> vorgestellt wurde. <\/p>\n\n\n\n<p>Basierend auf den Konstruktions- und Vorgabedaten werden die einger\u00fcsteten Werkzeuge und die in der Maschine vorhandenen Material- und Ressourcenvorr\u00e4te \u00fcberpr\u00fcft. Bei Bedarf benachrichtigt die Maschine das Personal. Durch diese Validierung vor Bearbeitungsbeginn kann Ausschuss vermieden und die Auslastung erh\u00f6ht werden.<\/p>\n\n\n\n<p>Die Maschine \u00fcberwacht ihren Zustand (in Betrieb, Leerlauf, St\u00f6rung) und meldet diesen digital an ein zentrales System, mit dem Auslastung und weitere Betriebskennzahlen erfasst werden. Solche Funktionen zur Zustands\u00fcberwachungen sind typischerweise in ein Manufacturing Execution System (MES) integriert und mittlerweile weit verbreitet. F\u00fcr eine h\u00f6here Autonomie ist die Maschine in unserem Beispiel zus\u00e4tzlich in der Lage, den eigenen Verschlei\u00df zu messen, daraus Wartungsbedarf vorherzusagen und zu melden. Diese Funktionen sind unter dem Stichwort Predictive Maintenance bekannt. Diese Ma\u00dfnahmen erh\u00f6hen die Maschinenverf\u00fcgbarkeit und erleichtern Wartung und Arbeitsplanung.<\/p>\n\n\n\n<p>Durch den Einsatz von Elektronik und Software ist unser fiktive Fertigungsmaschine in der Lage, weitgehend autonom zu arbeiten. Die Rolle des Menschen wird auf Beschickung, R\u00fcsten, Entst\u00f6rung und Wartung reduziert, er unterst\u00fctzt damit nur noch die Maschine im Fertigungsprozess.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:70px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Literatur<\/h3>\n\n\n\n<p id=\"[1]\">[1] Forschungsbeirat Industrie 4.0, \u201eExpertise: Umsetzung von cyber-physischen Matrixproduktionssystemen,\u201c acatech \u2013 Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, M\u00fcnchen, 2022.<\/p>\n\n\n\n<p id=\"[2]\">[2] P. H. J. Nardelli, Cyber-physical systems: theory, methodology, and applications, Hoboken, New Jersey: Wiley, 2022.<\/p>\n\n\n\n<p id=\"[3]\">[3] P. V. Krishna, V. Saritha und H. P. Sultana, Challenges, Opportunities, and Dimensions of Cyber-Physical Systems, Hershey, Pennsylvania: IGI Global, 2015.<\/p>\n\n\n\n<p id=\"[4]\">[4] P. Marwedel, Eingebettete Systeme: Grundlagen Eingebetteter Systeme in Cyber-Physikalischen Systemen, Wiesbaden: Springer Vieweg, 2021.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:100px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Was ist das? Ein Cyber-physikalisches System (CPS) steuert einen physikalisch-technischen Prozess und vereint dazu Elektronik, komplexe Software und Netzwerkkommunikation z.B. \u00fcber das Internet. Charakteristisch ist, dass alle Elemente einen untrennbaren Beitrag zur Funktionsweise des Systems leisten. Daher w\u00e4re es falsch, jedes Ger\u00e4t mit etwas Software und einem Netzwerkanschluss zu einem CPS zu erkl\u00e4ren. 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