Was ist ein Cyber-physisches System?
Cyber-Physical Systems (CPS) sind mechanische Plattformen, die von Computeralgorithmen verwaltet werden und eng mit dem Internet sowie mit ihren Nutzern verbunden sind. CPS bestehen aus Hardware, digitaler Software und Netzwerkelementen, mit denen sie Rechen-, Kommunikations- und Steuerungsfähigkeiten mit physikalischen Abläufen und Elementen kombinieren. Zahlreiche Branchen nutzen diese Strukturen für intralogistische Zwecke, beispielsweise für die Fertigung, für den Transport, im Gesundheitswesen und im Bereich Energie. Für die Echtzeitüberwachung und -steuerung physikalischer Prozesse ist häufig die Integration von Sensoren, Aktoren und anderen Geräten in Steuerungssystemen und Netzwerken erforderlich. Dadurch können Unternehmen ihre Prozesse rationalisieren und deren Effektivität und Zuverlässigkeit verbessern.
Beispiele für CPS sind industrielle Steuerungssysteme, Smart Grids und autonome Fahrzeuge. Dabei kann es sich um komplexe Einheiten handeln, die mehrere Technologien und Komponenten integrieren. Wichtig sind Kontrollmöglichkeiten, um das Verhalten dieser Systeme zu beaufsichtigen, zu verstehen und eventuell auftretende Probleme oder Engpässe zu identifizieren. Durch die Implementierung von Überwachungs- und Analysetools können Unternehmen Einblick in deren Leistung und Verhalten gewinnen und Maßnahmen zur Verbesserung ergreifen.
Cyber-Physical Systems: Welche Vorteile bieten sie?
Der Einsatz Cyber-physischer Systeme bietet eine Reihe von Vorteilen:
- Mehr Produktivität und Stabilität: CPS können Abläufe optimieren und die Effizienz und Zuverlässigkeit steigern. Beispielsweise ist ein industrielles Steuerungssystem in der Lage, Produktionsprozesse in Echtzeit zu beobachten und zu lenken, wodurch beispielsweise Abfall reduziert wird.
- Mehr Sicherheit: Ein Cyber-physisches System überwacht und steuert Prozesse in Echtzeit. So lassen sich bei Bedarf frühzeitig Maßnahmen zur Risikominderung ergreifen. Ein CPS kann etwa ein autonomes Fahrzeug dank Sensoren und Steuerungssystemen vor Kollisionen und anderen Gefahren bewahren.
- Mehr Flexibilität: CPS bieten Reserven bei der Gestaltung und beim Betrieb von Systemen unterschiedlicher Art. Beispielsweise kann ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) damit widerstandsfähiger und anpassungsfähiger auf volatile Energieanforderungen und -bedingungen reagieren.
- Mehr Kontrolle: CPS ermöglichen eine Echtzeitüberwachung und -steuerung physischer Prozesse. Das hilft Unternehmen dabei, Probleme schneller zu erkennen und zu lösen. Dies stärkt die Zuverlässigkeit und erhöht die Leistung.
- Mehr Daten: Die von CPS gesammelten digitalen Informationen lassen sich analysieren und können so Einblicke in Muster, Trends und Anomalien gewähren. Von diesen Erkenntnissen können operative Entscheidungen abgeleitet werden.
Wo und wie lassen sich CPS verwenden?
Es gibt viele Branchenanwendungsfälle für Cyber-physische Systeme. Hier einige Beispiele.
- In der Intralogistik beschleunigen sie beispielsweise die Bereitstellung und die weitere Verarbeitung von Werkstücken bis hin zur Kommissionierung.
- In der Fertigung optimieren sie Produktionsabläufe und damit die Effizienz von Maschinen und Anlagen.
- Beim Transport unterstützen sie die Entwicklung autonomer Fahrzeuge, die mittels Sensoren und Steuerungssystemen navigieren – unter anderem in öffentlichen Verkehrssystemen wie Bussen und Zügen.
- Im Gesundheitswesen kontrollieren CPS medizinische Geräte wie Beatmungsgeräte oder steuern Patientenüberwachungssysteme. Sie lassen sich auch für den Betrieb ganzer Krankenhäuser und anderer Gesundheitseinrichtungen einsetzen.
- Im Energiebereich optimieren sie den Betrieb von Energiesystemen und helfen Unternehmen dabei, sich an ändernde Energieanforderungen und -bedingungen anzupassen. Das betrifft beispielsweise erneuerbare Energiesysteme wie Solar- und Windparks.
- In der Landwirtschaft organisieren sie Bewässerungssysteme oder überwachen das Wachstum und die Entwicklung von Nutzpflanzen.
Wie lassen sich Cyber-Physical-Systems integrieren?
Zunächst müssen die spezifischen Anforderungen an das CPS festgelegt werden. Dies sollte die Analyse aktueller Prozesse und die Identifizierung von Bereichen umfassen, in denen Potenzial zur Verbesserung von Effizienz, Zuverlässigkeit oder Sicherheit besteht.
Anschließend sind die Art und der Umfang der Umsetzung innerhalb des Unternehmens zu prüfen. Dabei sind Faktoren wie die Implementierungskosten, die Verfügbarkeit der erforderlichen Technologie und des notwendigen Fachwissens sowie etwaige regulatorische oder rechtliche Überlegungen zu berücksichtigen. Danach müssen die spezifischen Anforderungen an das System ermittelt werden. Das umfasst unter anderem die wesentlichen Komponenten (Hardware und Software) sowie deren gewünschte Leistung und Zuverlässigkeit. Darauf basierend kann die Auswahl und Integration geeigneter Hardware sowie die Gestaltung der Steuerungs- und Kommunikationssysteme beginnen, welche die physischen Prozesse beaufsichtigen. Im Anschluss an die Planungsphase ist das CPS einzurichten und zu prüfen. Dies kann mittels Pilottests oder Simulationen geschehen, um so die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems zu validieren.
Sobald das Cyber-physische System implementiert und getestet wurde, ist regelmäßig zu kontrollieren, ob es wie erwartet funktioniert. Die Überwachungs- und Analysetools helfen dabei, die Leistung des CPS zu beurteilen und zu optimieren.
