CPS sind ein Netzwerk vieler verschiedener Technologien, die dazu dienen, die reale mit der virtuellen Welt zu verbinden. Technisch professioneller ausgedrückt ist damit ein Verbund von mechanischen Systemen gemeint, die von einem computerbasierten Ablauf gesteuert und kontrolliert werden.
Die verschiedenen Technologien dienen dazu, kontextabhängige Prozesse wahrzunehmen, zu messen und zu benennen – und daraus die passende Vorgangsweise abzuleiten und umzusetzen. Das geschieht maschinenübergreifend über ein Netzwerk.
Da muss natürlich die passende Technologie her – das Schöne ist, diese ist bereits erfunden und im Einsatz! CPS sind insbesondere deshalb das Rückgrat der Industrie 4.0, weil aufgrund ihrer Entwicklungen überhaupt erst eine vernetzte Produktionsumgebung theoretisch denkbar wurde.
Jetzt wird es etwas kompliziert: Die im Einsatz befindlichen Technologien bilden eigentlich selbst schon Systeme. Die oben besprochenen „Embedded Systems“ als Teil von CPS beispielsweise heißen nicht umsonst so – CPS kann man sich also eher als eine Art „Übersystem“ von kleineren Subsystemen vorstellen.
Das folgende Beispiel soll das besser erklären:
Beispiel
Ein System der Systeme
Ein Bürogebäude hat in jedem seiner Räume ein eigenes System für den Brandfall installiert. Jedes dieser Systeme besteht aus einem Sensor, der einen Feuerausbruch erkennt, einem Alarm, der im Falle eines Brandes läutet und einem Feuerlöschsystem an der Decke.
Angenommen in Raum A beginnt der Mistkübel zu brennen – der Sensor erkennt dies, der Alarm läutet und das Feuerlöschsystem fängt an, Wasser zu versprühen. Raum B im nächsten Stock bekommt davon allerdings noch nichts mit.
Sind nun aber die Systeme in Raum A und Raum B miteinander verbunden, kann Sensor A dem Sensor B melden: „Bei uns brennt es!“ Sensor B kann nun zeitnah entscheiden, den Alarm auszulösen, damit auch dieser Raum evakuiert wird, allerdings das Feuerlöschsystem nicht zu aktivieren – denn in Raum B brennt es ja (noch) nicht.
So wurde systemübergreifend eine kontextabhängige Entscheidung automatisiert und in Echtzeit durchgeführt.
Die erforderlichen Technologien lassen sich in drei Kerntechnologien einteilen:
Kontrolle (Control)
Kommunikation (Communication)
Verarbeitung (Computation).
Folgende Grafik zeigt, wie diese zusammenhängen:
Ein solches Modell bringt natürlich herzlich wenig, wenn man nicht auch die einzelnen Bestandteile versteht:
Physische Elemente – zwischen Kontrolle und Verarbeitung
Hier handelt es sich im Wesentlichen um die erwähnten Embedded Systems, also Subsysteme. Diese bestehen aus:
Aktoren: Das sind zumeist Bauteile der Antriebstechnik – damit ist nicht unbedingt gemeint, dass etwas fährt, sondern dass zumindest etwas bewegt Ein Roboterarm, der ein Bauteil umdreht, braucht beispielsweise einen Motor, mit dem er bewegt wird. Wesentlich ist, dass so ein Aktor von einem elektrischen Signal angesteuert werden kann.
Sensoren: Diese sind das Gegenstück zu den Aktoren – sie „erfühlen“ ihre Umgebung nach physikalischen oder chemischen Eigenschaften (z. Druck, Wärme, Helligkeit etc.) und stellen diese anhand einer Messgröße dar (Bsp.: Temperatur des Werkstücks = 10 Grad Celsius). Diese Messgröße kann als elektrisches Signal weiterverarbeitet werden.
Mikrocontroller: Das Gehirn eines Embedded Systems – auch „Chip“ genannt, übernimmt der Mikrocontroller Rechenaufgaben wie ein Computer. Er überwacht, steuert und transferiert Prozesse automatisch, je nach seiner
Cyber Elemente – zwischen Kontrolle und KommunikationSiehe da: eigentlich ist die Kombination der physischen Elemente nichts weiter als ein Roboter! Er erfühlt seine Umgebung mit seinen Sensoren, bewegt und handelt entsprechend mit seinen Aktoren und das genauso, wie es sein Mikrocontroller vorschreibt. Wichtig ist, dass dynamisch auf die Umwelt reagiert werden kann und Aktionen und Messungen parallel ausgeführt werden können.
Die Cyberelemente dienen der virtuellen Welt von Datentransfer und Datenverarbeitung. Hier entsteht aus Daten Information und aus Information Wissen. Dafür wird vor allem eines benötigt – eine ordentliche Netzwerktechnik!
Internet: Bei solchen Datenmengen in Echtzeit muss ein superschnelles Breitband-Internet vorhanden sein. Aber auch neue Mobilfunkstandards wie z. B. 5G können beim Datentransfer helfen.
Adressraum: Jedes Element braucht auch eine eigene Neue, umfangreichere Internetprotokolle wie IPv6, die viel mehr verschiedene Internetadressen ermöglichen, können dafür sorgen, dass jedes Element seine eigene, unmissverständliche Adresse hat.
Cloud-Computing: Um die Datenmengen schnell weiterzuverarbeiten, braucht man eine große Computerleistung – dabei kann man auf externe Server zugreifen, welche Rechenleistung übernehmen und zusätzlich Speicherplatz für Datenbanken zur Verfügung stellen.
Daten müssen in Echtzeit ankommen, berechnet und in einen Kontext gesetzt werden. Aufgrund dieses Wissens muss nun eine Entscheidung über die weitere Vorgehensweise der Produktionsumgebung
getroffen werden (Erinnern Sie sich an das Brandmelder-Beispiel) und diese an die entsprechenden Subsysteme weitergeleitet werden. Diese setzen dann um – und dann geht alles wieder von vorne los.
Systemische Elemente – zwischen Kommunikation und Verarbeitung
Hier geht es schließlich um die Verbindung und Anwendung eines großen Systems – das ist eher theoretischer Natur. Dabei hilft die Disziplin des sog. „Systems Engineering“. Hier werden die Ansprüche an das CPS definiert und dementsprechende Maßnahmen gesetzt:
Anforderung: Was soll überhaupt gemacht werden? Welche Maschinen müssen wie zueinander aufgestellt werden, damit sie miteinander arbeiten können (z. B. in einer Fertigungsstraße)?
Systemintegration: Welche Schnittstellen brauchen die einzelnen Systeme, um in das größere integriert zu werden? Welche Software wird verwendet?
Qualitätssicherung: Wie werden Fehler analysiert? Wie werden diese ausgebessert? Welche Fehlertoleranz hat ein einzelnes Subsystem im Vergleich zum gesamten System?
Merken
CPS generieren Daten, Information und Wissen aus physikalischen Vorgängen. Diese werden in Echtzeit verarbeitet, steuern dynamisch Prozesse und sind über ein Netzwerk miteinander verbunden.
Dazu braucht es drei Kerntechnologien: Control, Computation und Communication. Diese werden über folgende technologische Bausteine und Konzepte erfüllt:
Physische Elemente: Aktoren, Sensoren und Mikrocontroller
Cyber Elemente: Netzwerk-Technologien wie das Internet
Systemische Elemente: Eine den Anforderungen entsprechende Konzeptualisierung des Gesamtsystems mit „Systems Engineering“
CPS sind nichts anderes als Übersysteme von verschiedenen Subsystemen mit diesen technologischen Bausteinen.
CPS sind ein Netzwerk vieler verschiedener Technologien, die dazu dienen, die reale mit der virtuellen Welt zu verbinden. Technisch professioneller ausgedrückt ist damit ein Verbund von mechanischen Systemen gemeint, die von einem computerbasierten Ablauf gesteuert und kontrolliert werden.
Die verschiedenen Technologien dienen dazu, kontextabhängige Prozesse wahrzunehmen, zu messen und zu benennen – und daraus die passende Vorgangsweise abzuleiten und umzusetzen. Das geschieht maschinenübergreifend über ein Netzwerk.
Da muss natürlich die passende Technologie her – das Schöne ist, diese ist bereits erfunden und im Einsatz! CPS sind insbesondere deshalb das Rückgrat der Industrie 4.0, weil aufgrund ihrer Entwicklungen überhaupt erst eine vernetzte Produktionsumgebung theoretisch denkbar wurde.
Jetzt wird es etwas kompliziert: Die im Einsatz befindlichen Technologien bilden eigentlich selbst schon Systeme. Die oben besprochenen „Embedded Systems“ als Teil von CPS beispielsweise heißen nicht umsonst so – CPS kann man sich also eher als eine Art „Übersystem“ von kleineren Subsystemen vorstellen.
Das folgende Beispiel soll das besser erklären:
Beispiel
Ein System der Systeme
Ein Bürogebäude hat in jedem seiner Räume ein eigenes System für den Brandfall installiert. Jedes dieser Systeme besteht aus einem Sensor, der einen Feuerausbruch erkennt, einem Alarm, der im Falle eines Brandes läutet und einem Feuerlöschsystem an der Decke.
Angenommen in Raum A beginnt der Mistkübel zu brennen – der Sensor erkennt dies, der Alarm läutet und das Feuerlöschsystem fängt an, Wasser zu versprühen. Raum B im nächsten Stock bekommt davon allerdings noch nichts mit.
Sind nun aber die Systeme in Raum A und Raum B miteinander verbunden, kann Sensor A dem Sensor B melden: „Bei uns brennt es!“ Sensor B kann nun zeitnah entscheiden, den Alarm auszulösen, damit auch dieser Raum evakuiert wird, allerdings das Feuerlöschsystem nicht zu aktivieren – denn in Raum B brennt es ja (noch) nicht.
So wurde systemübergreifend eine kontextabhängige Entscheidung automatisiert und in Echtzeit durchgeführt.
Die erforderlichen Technologien lassen sich in drei Kerntechnologien einteilen:
Folgende Grafik zeigt, wie diese zusammenhängen:
Ein solches Modell bringt natürlich herzlich wenig, wenn man nicht auch die einzelnen Bestandteile versteht:
Physische Elemente – zwischen Kontrolle und Verarbeitung
Hier handelt es sich im Wesentlichen um die erwähnten Embedded Systems, also Subsysteme. Diese bestehen aus:
Cyber Elemente – zwischen Kontrolle und KommunikationSiehe da: eigentlich ist die Kombination der physischen Elemente nichts weiter als ein Roboter! Er erfühlt seine Umgebung mit seinen Sensoren, bewegt und handelt entsprechend mit seinen Aktoren und das genauso, wie es sein Mikrocontroller vorschreibt. Wichtig ist, dass dynamisch auf die Umwelt reagiert werden kann und Aktionen und Messungen parallel ausgeführt werden können.
Die Cyberelemente dienen der virtuellen Welt von Datentransfer und Datenverarbeitung. Hier entsteht aus Daten Information und aus Information Wissen. Dafür wird vor allem eines benötigt – eine ordentliche Netzwerktechnik!
Daten müssen in Echtzeit ankommen, berechnet und in einen Kontext gesetzt werden. Aufgrund dieses Wissens muss nun eine Entscheidung über die weitere Vorgehensweise der Produktionsumgebung
getroffen werden (Erinnern Sie sich an das Brandmelder-Beispiel) und diese an die entsprechenden Subsysteme weitergeleitet werden. Diese setzen dann um – und dann geht alles wieder von vorne los.
Systemische Elemente – zwischen Kommunikation und Verarbeitung
Hier geht es schließlich um die Verbindung und Anwendung eines großen Systems – das ist eher theoretischer Natur. Dabei hilft die Disziplin des sog. „Systems Engineering“. Hier werden die Ansprüche an das CPS definiert und dementsprechende Maßnahmen gesetzt:
Merken
CPS generieren Daten, Information und Wissen aus physikalischen Vorgängen. Diese werden in Echtzeit verarbeitet, steuern dynamisch Prozesse und sind über ein Netzwerk miteinander verbunden.
Dazu braucht es drei Kerntechnologien: Control, Computation und Communication. Diese werden über folgende technologische Bausteine und Konzepte erfüllt:
CPS sind nichts anderes als Übersysteme von verschiedenen Subsystemen mit diesen technologischen Bausteinen.
-
Add a note