Cyber-Physical Systems:Der Kern von Industrie 4.0

Die Grundidee hinter der Implementierung von Industrie 4.0-Lösungen ist es, produzierende Unternehmen in die Lage zu versetzen, die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Abteilungen zu verbessern , indem die richtigen Informationen den richtigen Personen in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden. Ziel ist es, die richtige Entscheidungsfindung zum richtigen Zeitpunkt zu erleichtern und dadurch die Effizienz und Produktivität zu steigern.

Cyber-Physische Systeme

Schlüsselelement bei der Umsetzung der Konzepte von Industrie 4.0 ist die Idee der Cyber-Physical Systems (CPS) . Der Begriff "Cyber-Physical Systems" wurde von Helen Gill von der National Science Foundation in den Vereinigten Staaten geprägt.

Gemäß NIST Special Publication 1500-201 Framework for Cyber-Physical Systems:Volume 1, Overview, cyber-physische Systeme sind intelligente Systeme, die konstruierte interagierende Netzwerke aus physischen und rechnerischen Komponenten beinhalten . Die Veröffentlichung hebt hervor, dass diese stark vernetzten und integrierten Systeme neue Funktionalitäten bieten, um die Lebensqualität zu verbessern und technologische Fortschritte in kritischen Bereichen wie personalisierte Gesundheitsversorgung, Notfallmaßnahmen, Verkehrsflussmanagement, intelligente Fertigung, Verteidigung und innere Sicherheit sowie Energieversorgung zu ermöglichen und verwenden. Daher haben CPS ein großes Potenzial, innovative Anwendungen zu ermöglichen und mehrere Wirtschaftssektoren in der Weltwirtschaft zu beeinflussen.

Acatech (Nationale Akademie der Technikwissenschaften, Deutschland), in ihrem Bericht Cyber-Physical Systems, beschreibt CPS wie folgt:Cyber-Physical Systems sind Systeme mit eingebetteter Software (als Bestandteil von Geräten, Gebäuden, Transportmitteln, Transportwegen, Produktionssystemen, medizinischen Prozessen, Logistikprozessen, Koordinationsprozessen und Managementprozessen). Cyber-physische Systeme:

• Physische Daten direkt erfassen mit Sensoren und beeinflussen physikalische Prozesse mit Aktuatoren

• Auswerten und speichern aufgezeichnete Daten und aktiv oder reaktiv sowohl mit dem Physischen als auch mit dem Digitalen interagieren Welt

• Sind verbunden untereinander und in globalen Netzwerken über digitale Kommunikationseinrichtungen

• Weltweit verfügbar verwenden Daten und Dienste

• Haben Sie eine Reihe dedizierter, multimodaler Mensch-Maschine-Schnittstellen

Das Ergebnis ist eine Fülle von weitreichenden Lösungen und Anwendungen für alle Bereiche unseres täglichen Lebens.

Fertigung und Cyber-Physical Systems

Aus Sicht der Fertigungsindustrie ist ein cyber-physisches System eine internetfähige physische Einheit , wie z. B. eine Pumpe oder ein Kompressor, eingebettet in Computer und Steuerkomponenten, die aus Sensoren und Aktuatoren bestehen. Eine solche Einheit, der eine IP-Adresse zugewiesen ist, ist in der Lage, sich selbst zu überwachen, Informationen über ihre eigene Funktionsweise zu generieren und mit anderen verbundenen Einheiten oder sogar außerhalb zu kommunizieren. Es ist ein selbstregulierender und autonomer Betrieb.

In den kommenden Jahren, während sich die vierte industrielle Revolution entwickelt, werden Industrieunternehmen damit beginnen, die CPS-Grundsätze immer mehr zu nutzen, um durch Produktivitätsverbesserungen und den effizienten Einsatz aller Ressourcen operative Exzellenz zu erreichen (einschließlich materieller und menschlicher), Kundenzufriedenheit und Steigerung des Shareholder Value. Klaus Schwab, Gründer und Executive Chairman des World Economic Forum, hat diese Entwicklung mit dem Begriff „Vierte Industrielle Revolution“ beschrieben.

Der Grundstein für Industrie 4.0 wurde während der dritten industriellen Revolution gelegt, die durch den umfassenden Einsatz von Elektronik und Computern zur Automatisierung industrieller Produktionsprozesse gekennzeichnet war.Der zunehmende Einsatz von Elektronik und Computern stark> trugen zu deren sinkenden Preisen, der Miniaturisierung und Robustheit von Computern sowie einer massiven Steigerung der Rechen- und Verarbeitungsleistung bei. Digitale und Kommunikationstechnologien begannen zusammenzuwachsen. Wir haben die ersten Entwicklungsstadien von Edge/Cloud Computing, Industrial Internet of Things (IIoT), künstlicher Intelligenz (KI), autonomen Robotern und anderen miterlebt. Die Integration digitaler Technologien mit industriellen Technologien wird die Fertigung verändern und dazu beitragen, die Vision von Industrie 4.0 zu verwirklichen.

Der Grundsatz von Industrie 4.0 ist, dass ein produzierendes Unternehmen eine höhere Effizienz, Produktivität und den autonomen Betrieb von Produktionsprozessen erreichen kann, indem es dafür sorgt, dass Maschinen/Anlagen, Logistiksysteme, Arbeits- In Bearbeitung befindliche Komponenten und solche anderen Elemente (einschließlich Personen) kommunizieren direkt miteinander, um eine Zusammenarbeit zu erreichen . Ein produzierendes Unternehmen, das seine Vision an der von Industrie 4.0 ausrichten möchte, muss Schritte unternehmen, um vorhandene physische Einheiten in cyber-physische Systeme umzuwandeln .

Jedes Unternehmen muss auf der Grundlage seiner eigenen Bewertung Maschinen, Ausrüstungen oder andere physische Systeme seiner Industrieanlage identifizieren, die das Potenzial haben, maximalen Wert zu liefern. Das Unternehmen muss weiter vorgehen, um sie zu integrieren mit Cyber-Systemen und entwickeln sich zu einem Netzwerk aus cyber-physischen Systemen. Ein Raffineriekomplex kann beispielsweise Tanklager vor Ort und außerhalb mit Rohrleitungen, Steuerventilen und Pumpstationen haben, die sie mit der Hauptanlage verbinden Bei der Instandhaltung von landwirtschaftlichen Betrieben stellt die derzeitige Praxis in der Regel eine manuelle Inspektion und regelmäßige Wartung dar, die teuer und nicht effizient ist.Durch die Umwandlung dieser Anlagen in CPS und deren Unterstützung mit geeigneter Analysesoftware kann die Raffinerie auf Fernüberwachung und vorausschauende Wartung umsteigen profitieren können.