Cyber-physische Systeme: Der treibende Motor hinter Industrie 4.0

Das Kernprinzip der Implementierung von Industrie-4.0-Lösungen ist es, Fertigungsunternehmen zu befähigen, die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Abteilungen zu verbessern, indem die richtigen Informationen den richtigen Personen in Echtzeit zur Verfügung stehen. Ziel: Richtige Entscheidungen zum richtigen Zeitpunkt ermöglichen, Effizienz und Produktivität steigern.

Cyber-physische Systeme (CPS)

Das Schlüsselelement der Industrie-4.0-Umsetzung ist die Idee der cyber-physischen Systeme (CPS). Der Begriff wurde von Helen Gill bei der National Science Foundation (USA) geprägt.

Laut NIST Special Publication 1500-201 Framework for Cyber-Physical Systems: Volume 1, Overview sind cyber-physische Systeme intelligente Systeme, die konstruierte, interagierende Netzwerke physischer und computergestützter Komponenten umfassen. Die Publikation hebt hervor, dass diese hochvernetzten und integrierten Systeme neue Funktionalitäten bieten, um Lebensqualität zu verbessern und technologische Fortschritte in kritischen Bereichen zu ermöglichen: personalisierte Gesundheitsversorgung, Notfallmanagement, Verkehrsflussmanagement, Smart Manufacturing, Verteidigung und Homeland Security, Energieversorgung und -nutzung. CPS haben großes Potenzial für innovative Anwendungen und Auswirkungen auf多个经济领域 weltweit.

Acatech (Nationale Akademie der Wissenschaften und Ingenieurwesen, Deutschland) beschreibt CPS in seinem Bericht Cyber-Physical Systems wie folgt: CPS sind Systeme mit eingebetteter Software (als Teil von Geräten, Gebäuden, Verkehrsmitteln, Verkehrswegen, Produktionssystemen, medizinischen Prozessen, Logistikprozessen, Koordinations- und Managementprozessen). Cyber-physische Systeme:

• Erfassen physische Daten direkt über Sensoren und beeinflussen physische Prozesse über Aktoren

• Werten aus und speichern erfasste Daten und interagieren aktiv oder reaktiv mit der physischen und digitalen Welt

• Sind vernetzt miteinander und in globalen Netzen über digitale Kommunikationsinfrastruktur

• Nutzen global verfügbare Daten und Dienste

• Verfügen über dedizierte, multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen

Das Ergebnis: ein Reichtum an weitreichenden Lösungen und Anwendungen für alle Lebensbereiche.

Fertigung und cyber-physische Systeme

Aus Fertigungssicht ist ein cyber-physisches System eine internetfähige physische Entität – z. B. Pumpe oder Kompressor – mit eingebetteten Computern und Steuerkomponenten aus Sensoren und Aktoren. Eine solche, IP-adressierte Entität ist fähig zu Selbstüberwachung, Informationsgenerierung über die eigene Funktion und Kommunikation mit anderen assoziierten Entitäten oder nach außen. Es ist ein selbstregulierender, autonomer Betrieb.

In den kommenden Jahren, während sich die vierte industrielle Revolution entfaltet, werden Industrieunternehmen die CPS-Prinzipien zunehmend nutzen, um operative Exzellenz durch Produktivitätssteigerungen, effizienten Einsatz aller Ressourcen (Material, Personal), Kundenerfüllung und Shareholder-Value-Steigerung zu erreichen. Klaus Schwab, Gründer und Vorsitzender des Weltwirtschaftsforums, prägte „Vierte Industrielle Revolution“ für diesen Trend.

Das Fundament für Industrie 4.0 wurde in der dritten industriellen Revolution gelegt, gekennzeichnet durch umfangreiche Anwendung von Elektronik und Computern zur Automatisierung industrieller Produktionsprozesse. Die expandierende Nutzung von Elektronik und Computern führte zu sinkenden Preisen, Miniaturisierung und Robustheit von Computern und massiv gesteigerter Rechenleistung. Digitale und Kommunikationstechnologien begannen zu konvergieren. Wir erlebten erste Entwicklungsstadien von Edge/Cloud Computing, IIoT, KI, autonomen Robotern u. a. Die Integration digitaler mit industriellen Technologien wird Fertigung transformieren und die Industrie-4.0-Vision verwirklichen.

Der Grundsatz von Industrie 4.0: Ein Fertigungsunternehmen erreicht höhere Effizienz, Produktivität und autonomen Betrieb von Produktionsprozessen, indem sichergestellt wird, dass Maschinen/Anlagen, Logistiksysteme, Fertigungsbauteile und andere Elemente (einschließlich Menschen) direkt miteinander kommunizieren, um Kollaboration zu erreichen. Ein Unternehmen, das seine Vision mit Industrie 4.0 ausrichtet, muss Schritte unternehmen, bestehende physische Entitäten in cyber-physische Systeme umzuwandeln.

Basierend auf eigener Bewertung muss jedes Unternehmen Maschinen, Anlagen oder andere physische Systeme seines Werks identifizieren, die maximalen Wert liefern können. Es muss diese mit Cybersystemen integrieren und zu einem Netzwerk von CPS weiterentwickeln. Beispiel Raffineriekomplex: On-site und Off-site Tankfarmen mit Pipelines, Regelventilen, Pumpstationen, verbunden mit Hauptanlage. Tankfarm-Instandhaltung erfolgt heute meist manuell und periodisch – teuer und ineffizient. Durch Umwandlung in CPS mit passender Analytics-Software wechselt die Raffinerie zu Remote Monitoring und Predictive Maintenance.