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Definition Was ist ein Cyber-physisches System (CPS)?

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Nico Litzel

In einem Cyber-physischen System (cyber-physical system, CPS) sind mechanische Komponenten über Netzwerke und moderne Informationstechnik miteinander verbunden. Sie ermöglichen die Steuerung und die Kontrolle von komplexen Systemen und Infrastrukturen. Für die Industrie 4.0 spielen Cyber-physische Systeme eine zentrale Rolle.

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(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Cyber-physische Systeme, oft mit CPS abgekürzt, bestehen aus mechanischen Komponenten, Software und moderner Informationstechnik. Durch die Vernetzung der einzelnen Komponenten über Netzwerke wie das Internet lassen sich komplexe Infrastrukturen steuern, regeln und kontrollieren. Der Austausch von Informationen der miteinander vernetzten Gegenstände und Systeme kann in Echtzeit drahtlos oder kabelgebunden erfolgen.

Zu den Bestandteilen der Cyber-physischen Systeme gehören sowohl mobile Einrichtungen als auch stationäre Maschinen, Anlagen und Roboter. Für die Industrie 4.0 übernehmen die Cyber-physischen Systeme eine zentrale Rolle. Technologische Grundlagen für das CPS liefern Wissenschaften wie die Informatik, Mathematik, Maschinenbau, Elektrotechnik und Robotik.

Das Funktionsprinzip basiert auf Sensoren, Aktoren und vernetzter Software. Sensoren liefern Messdaten aus der physischen Welt und melden sie über Netzwerke an eine Software weiter, die sie verarbeitet. Daraus ergeben sich die Steuerdaten, die die Software über das Netz an Aktoren weitergibt. Cyber-physische Systeme zeichnen sich durch eine hohe Komplexität aus und kommen beispielsweise für die Realisierung intelligenter Stromnetze, moderner Produktionsanlagen oder in der Medizintechnik zum Einsatz.

Die wichtigsten Eigenschaften von Cyber-physischen Systemen

Bei Cyber-physischen Systemen handelt es sich um vernetzte Komponenten, die ihre physischen Aktionen untereinander abstimmen. Sie können autonom agieren und tauschen die für den Betrieb und die Steuerung benötigten Daten untereinander aus. Eingebettete Systeme sind in der Lage, ihre Umgebung wahrzunehmen und sie über Aktoren aktiv zu beeinflussen. Die eingebetteten Systeme kommunizieren über drahtlose oder kabelgebundene Netzwerke mit Rechnern, die Speicher- und CPU-Ressourcen bereitstellen und mit geeigneter Software ausgestattet sind.

Häufig sind die einzelnen Komponenten in eine Cloud-Architektur eingebunden. Menschen können auf die Cyber-physischen Systeme einwirken, indem sie über Benutzeroberflächen Abläufe konfigurieren, steuern, kontrollieren oder Informationen abrufen. Grafische Benutzeroberflächen sind häufig browserbasiert. Die Cyber-physischen Systeme lösen die herkömmlichen lokal geschlossenen Systeme ab, die keine übergreifende Kommunikationsfähigkeit besitzen.

Technologische Grundlagen und Komponenten von Cyber-physischen Systemen

Damit Cyber-physische Systeme ihre Aufgaben erfüllen können, sind zahlreiche unterschiedliche Komponenten und Technologien erforderlich. Zu diesen zählen zum Beispiel:

  • Sensoren
  • Aktoren
  • eingebettete Systeme
  • Netzwerkinfrastrukturen
  • Server mit Rechen- und Speicherkapazität
  • Software für autonomes Computing
  • Echtzeit-Datenverarbeitung
  • Datenbanken
  • grafische Benutzeroberflächen
  • drahtlose Vernetzungstechnologien

Einsatzbereiche für Cyber-physische Systeme

Cyber-physische Systeme kommen in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz und decken ein enormes Spektrum möglicher Funktionen ab. Anwendungsgebiete ergeben sich in der Logistik, in der Industrieproduktion, in der Umwelttechnik, der Medizintechnik, in der Verteidigungstechnik oder in der Verkehrstechnik. Oft decken sich die Anwendungsbereiche mit denen der Industrie 4.0. Ziel der Systeme ist es, für eine höhere Effizienz, niedrigere Kosten und schnellere Bearbeitung von komplexen Vorgängen zu sorgen. Beispiele für für Cyber-physische Systeme sind:

  • Smart Grid (intelligente Stromnetze)
  • Tsunami- oder Erdbeben-Warnsysteme
  • militärische Drohnen oder Flugabwehrsysteme
  • Fahrer-Assistenzsysteme und autonome Fahrzeuge

Vor- und Nachteile Cyber-physischer Systeme

Cyber-physische Systeme sorgen für zahlreiche Vorteile bei der Steuerung und im Betrieb komplexer Systeme. Sie sind extrem anpassungs- und wandlungsfähig und tragen zur Effizienzsteigerung bei. Prozesse laufen weitgehend autonom und automatisiert ohne den Bedarf des menschlichen Eingriffs ab. Oft erfüllen Menschen nur noch Kontroll- und Steuerungsfunktionen. Auch die Arbeitssicherheit und die Geschwindigkeit von Abläufen lässt sich mit den Cyber-physischen Systemen steigern.

Dem gegenüber stehen einige Nachteile, die sich aus der Komplexität der Technik ergeben. So können die Strukturen und Abläufe sehr anfällig sein. Zudem entstehen Abhängigkeiten, die beim Ausfall einzelner Komponenten oder Infrastrukturteile Gesamtprozesse lahmlegen können. Arbeiten die Systeme überwiegen autonom, kann es dazu kommen, dass falsche Entscheidungen getroffen werden oder auf unvorhergesehene Ereignisse nicht passend reagiert wird. Schäden an Maschinen oder Menschen sind unter Umständen die Folge.

Eine weitere Gefahr besteht durch die bewusste Manipulation von Cyber-physischen Systemen durch Hacker oder Angreifer. Aufgrund der vernetzten Strukturen sind die Systeme gegen Angriffe oder feindliche Übernahmen besonders zu schützen.

Cyber-physische Systeme und die Industrie 4.0

Cyber-physische Systeme decken die zentralen Themenfelder der Industrie 4.0 wie Logistik, Produktion, Mobilität und Energie ab. Sowohl die Industrie 4.0 als auch CPS sind durch einen hohen Grad an Vernetzung gekennzeichnet und arbeiten in großen Teilen autonom. Eine große Herausforderung besteht darin, Standards zu schaffen, die eine Interoperabilität Cyber-physischer Systeme ermöglichen. Nur durch das reibungslose Zusammenspiel verschiedener Technologien und Hardware- oder Softwarekomponenten kann die Industrie 4.0 ihr Potenzial voll ausschöpfen. Zur Steuerung komplexer Anlagen und Prozesse ist die unternehmensübergreifende Vernetzung von Cyber-physischen Systemen notwendig.

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