Zwei Hände, die vor einem dunklen Himmel leuchtende abstrakte Symbole halten.
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Cyber-physische Systeme (CPS): So funktionieren sie, das steckt dahinter

Smarte Sensoren sind das Rückgrat der sogenannten Industrie 4.0. In Produktion und Logistik kommunizieren Maschinen miteinander und führen autonom Handlungen aus. Doch diese umfangreiche Architektur benötigt eine leistungsstarke Software, die Daten aus der physischen Welt in digitale Werte übersetzt. Diese Verknüpfung bezeichnen Expert:innen als Cyber-physisches System.

Wie Cyber-physische Systeme (CPS) funktionieren und warum sie für eine an das Internet of Things (IoT) angeschlossene Produktion unverzichtbar sind, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Inhaltsverzeichnis

Cyber-physische Systeme: Was sind CPS?

Ein Cyber-physisches System (CPS) verbindet in einer Produktions- und Logistikumgebung mechanische Komponenten mit einer Software. Dazu benutzt das CPS moderne Informationstechnik. Es ermöglicht die Steuerung und Kontrolle von komplexen industriellen Fertigungs- und Logistikstrukturen. Expert:innen bezeichnen das CPS daher als „Herz“ der sogenannten Industrie 4.0.
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Cyber-physische Systeme in der Industrie 4.0

In einer sogenannten Smart Factory (übersetzt: „schlaue Fabrik“) sind Maschinen über das IoT miteinander und mit der Außenwelt vernetzt. Sowohl Produktionsmaschinen als auch Beförderungseinheiten arbeiten mit IoT-Sensoren.
Diese Sensoren sammeln Daten aus der physischen Welt und senden sie an eine CPS-Analysesoftware. Diese kann sowohl in einer weit entfernten Cloud als auch in unmittelbarer Nähe der Maschinen arbeiten – der sogenannten Edge. Nach Analyse der Daten gibt die CPS-Software die Anweisungen an sogenannte Aktoren weiter. Das können Roboter, Drohnen, Fließbäder oder autonom fahrende Transportsysteme sein. Die Übertragung zwischen Software und Aktor erfolgt kabellos, zum Beispiel über 5G. Voraussetzungen für den Einsatz von CPS sind:
  • smarte IoT-Sensoren
  • Aktoren (Roboter, Fließbänder, Transporter)
  • eine moderne Netzwerkinfrastruktur
  • Server mit hoher Rechen- und Speicherkapazität
  • ein übersichtliches grafisches Interface
  • schnelle drahtlose Vernetzungstechnologien

Anwendungsbeispiel von Cyber-physischen Systemen

Cyber-physische Systeme finden in zahlreichen verschiedenen Bereichen Verwendung. Zum Einsatz kommen sie unter anderem in diesen Bereichen:
  • Produktion
  • Logistik
  • eHealth
  • Umwelttechnik
  • Energieversorgung
  • (allgemein) der sogenannten Smart City
In den genannten Bereichen sollen Cyber-physische Systeme dabei helfen, die Effizienz zu erhöhen, Kosten zu senken und die Bearbeitung von komplexen Vorgängen zu beschleunigen. Ein gutes Beispiel für den Einsatz cyber-physische Systeme ist das sogenannte Smart Grid.
 

CPS als Rückgrat von Smart Grids

Expert:innen sehen in intelligenten Stromnetzen (übersetzt: „Smart Grids“) die Schlüsseltechnologie, die die Energiewende ermöglichen wird. Neben den großen Stromerzeugern werden immer mehr dezentrale Erzeuger Teil einer Smart-Grid-Struktur. Dies können sowohl Unternehmen als auch Privathaushalte sein, die etwa mithilfe einer Wärmepumpe oder Photovoltaikanlage (PV-Anlage) (überschüssigen) Strom in ein Netz einspeisen.
Strom, der aus einer PV-Anlage stammt, wird selten gleichbleibend stark erzeugt. Hier sind die Erzeuger vom Wetter abhängig. Für die Betreiber eines Smart Grid ergibt sich daraus die Herausforderung, das Gesamtnetz immer gleichbleibend mit Strom zu versorgen. Hier helfen intelligente Messgeräte, die den Netzbetreibern rund um die Uhr mit Daten aus allen stromerzeugenden Bestandteilen des Smart Grid versorgen.
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Diese IoT-Sensoren melden regelmäßig, welcher Standort welche Menge Strom erzeugt und welche Menge der Erzeuger ins Smart Grid einspeisen kann. Sensoren ermitteln darüber hinaus Wetterdaten, die in die CPS-Software des Netzbetreibers einfließen. Eine konstante Datenanalyse gibt Aufschluss, zu welchem Zeitpunkt mit welcher Strommenge aus welchen Bereichen des Netzes zu rechnen ist.
Wie in allen Cyber-physischen Systemen fließen auch im Smart Grid Daten in beide Richtungen: Der Netzbetreiber kann von seiner Zentrale aus veranlassen, dass beispielsweise Strom aus privaten Wärmespeicheranlagen zum Ausgleich von Stromschwankungen „abgezogen“ wird.
 

CPS als Rückgrat einer modernen Logistik

Auch in der modernen Logistik spielen CPS eine zentrale Rolle. Grundlage der sogenannten Logistik 4.0 sind der Einsatz smarter Sensortechnik sowie eine cloudbasierte Datenverarbeitung. Die in der Logistik integrierten Geräte kommunizieren autonom miteinander.
Wie bei Smart Grids sind IoT-Sensoren die „Augen“ einer smarten Logistikinfrastruktur. In Produktions- und Beförderungsmaschinen integriert, senden sie unentwegt Daten an die CPS-Software. Diese interpretiert die Daten und zieht daraus entweder Schlüsse für ein sofortiges Handeln oder archiviert die Daten für sogenannte Predictive-Maintenance-Analysen.
Predictive Maintenance (übersetzt: „vorrausschauende Wartung“) ermöglicht es Ihrem Unternehmen, durch die Analyse großer Datenmengen Schlüsse auf das zukünftige Verhalten einer Maschine oder eines logistischen Prozesses zu ziehen. So überwachen IoT-Sensoren zum Beispiel den Warenfluss innerhalb eines Industriekomplexes (Stichwort: Intralogistik).
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Um den Warenfluss und den gesamten intralogistischen Ablauf so effektiv wie möglich zu gestalten, müssen Unternehmen immer genau wissen, wo sich welche Waren zu welchem Zeitpunkt befinden. Dies gilt sowohl für „unfertige“ Materialien als auch für das fertige Produkt auf dem Weg zum Kunden.
Entdecken Sensoren, dass an einem bestimmten Punkt der Lieferkette Baustücke fehlen, melden sie diesen Umstand sofort an das CPS. Der temporäre Ausfall einer innerbetrieblichen Lieferkette kann die vertraglich zugesicherte Auslieferung eines Produktes in Gefahr bringen. Es ist daher wichtig, ein „Stocken“ im Warenfluss zu verhindern. Ein CPS steuert in diesem Fall also nicht nur die Produktion, sondern garantiert auch eine möglichst kostengünstige Produktion.
 

CPS und Big Data in der Logistik

Cyber-physische Systeme funktionieren nicht ohne große Datenmengen, die Sensoren auf der physischen Ebene sammeln. In folgenden Bereichen steuern CPS die Erfassung und Auswertung von Daten und helfen dadurch bei der Optimierung von Produktion und Logistik:
Versandhandel: Unternehmen mit eigenen Webshops sammeln durchgängig Daten über das Nutzungs- und Einkaufsverhalten ihrer Kunden. Dadurch wissen sie, welche Waren wann besonders gefragt sind.  Dank dieser Analyse können die Anbieter immer ausreichend Lagerraum sowie Materialien für weitere Liefergüter bereithalten.
Optimale Routenführung: CPS erfassen Verkehrsdaten aus dem Internet. Kommt es auf wichtigen Versandrouten zu schweren Verkehrsbehinderungen, können Logistiker:innen schnell neue Fahrtrouten für die LKW erstellen. Dadurch vermeidet das Unternehmen Verzögerungen in der Auslieferung. In die Routenplanung fließen auch Wetterdaten mit ein.

Vor- und Nachteile Cyber-physischer Systeme

Vorteile

Die Arbeit mit einem Cyber-physischen System bietet Ihrem Unternehmen zahlreiche Vorteile. Die wichtigsten Vorzüge sind:
Flexibilität: CPS sind gut skalierbar. Kommen beispielsweise neue Maschinen in Ihrer Produktionsstraße zum Einsatz, können Sie diese unkompliziert in Ihr System integrieren. Zuvor sollten Sie jedoch darauf achten, dass alle Schnittstellen der Maschine mit Ihrem System kompatibel sind.
Arbeitssicherheit: CPS stellen nicht nur den reibungslosen Fortlauf der Produktion sicher. Sensoren überwachen in vielen Unternehmen auch die Umgebung der Produktionsstraßen. Das CPS wertet diese Daten ununterbrochen aus und schlägt Alarm, wenn Temperatur oder Luftzusammensetzung in einer Halle die Gesundheit der Mitarbeitenden gefährden. Manuelle Messungen durch Fachpersonal werden dadurch obsolet.
Prozessoptimierung: Im Bereich der Intralogistik helfen CPS, Lieferketten auf eventuelle Fehler hin zu untersuchen. Eine konstante Überwachung von Bestückung und Entnahme von Bauteilen aus dem Lager oder der korrekten Funktion von Beförderungsmaschinen hilft Ihnen, Produktionsprozesse zu optimieren und Kosten zu sparen.

Herausforderungen im CPS-Umfeld

Sicherheit: Cyber-physische Systeme funktionieren nicht ohne ein hohes Maß an Vernetzung. Nahezu alle Komponenten in Ihrer Produktionsanlage kommunizieren miteinander und senden Daten an die CPS-Software. Über 5G etwa sind die smarten Maschinen mit dem Internet of Things verbunden. Diese nach außen offene Struktur macht die CPS jedoch anfällig für cyberkriminelle Angriffe.
Daher sollten Sie bereits bei der Planung einer smarten Fertigungsanlage umfangreiche Maßnahmen zur Cybersicherheit einplanen. Dazu gehören neben modernen Antivirenprogrammen und Firewalls auch regelmäßige Schulungen Ihres Personals: Immer wieder versuchen Kriminelle sich mithilfe sogenannter Phishing-Angriffe Zugang zu Unternehmensdaten zu verschaffen. Ihre Mitarbeitenden sollten wissen, an wen sie sich wenden können, wenn sie beispielsweise verdächtige E-Mails erhalten.
Wie Sie Ihr IoT-basiertes CPS gegen Cyberkriminelle schützen, erfahren Sie in unseren Beiträgen zu den Themen IoT und Cybersicherheit hier im V-Hub.
Datenströme: Abhängig von der Größe einer Produktionsstraße senden teils hunderte Sensoren ununterbrochen Daten an Ihre CPS-Software und empfangen Daten in Echtzeit. Um diese „Datenflut“ in der angemessenen Geschwindigkeit weiterleiten zu können, benötigen Sie leistungsstarke Möglichkeiten zur Datenübertragung – zum Beispiel ein 5G-Campus-Netzwerk.
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  • Lokale Datenverarbeitung

Cyber-physische Systeme: Das Wichtigste in Kürze

  • Cyber-physische Systeme sind das Herzstück der sogenannten Industrie 4.0.
  • Sie verbinden mechanische Komponenten und Software in einer Produktions- und Logistikumgebung miteinander.
  • Die „Augen“ des CPS sind IoT-Sensoren. Sie sammeln Daten aus der physischen Welt und senden sie an eine CPS-Analysesoftware.
  • CPS helfen, Effizienz zu erhöhen, Kosten zu senken und die Bearbeitung von komplexen Vorgängen zu beschleunigen.
  • CPS funktionieren nicht ohne die Erhebung großer Datenmengen.
  • CPS sind gut skalierbar und ermöglichen zum Beispiel eine schnelle Integration neuer Maschinen.
  • Bei der Planung einer smarten Fertigungsanlage sollten Sie die Cybersicherheit im Blick haben. Sie benötigen unter anderem moderne Antivirensoftware und regelmäßige Schulungen Ihres Personals in Sicherheitsfragen.
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