{"id":60,"date":"2017-02-06T18:40:57","date_gmt":"2017-02-06T17:40:57","guid":{"rendered":"http:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/?p=60"},"modified":"2017-02-06T18:40:57","modified_gmt":"2017-02-06T17:40:57","slug":"von-der-mechatronik-zu-cyber-physikalischen-systemen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/2017\/02\/06\/von-der-mechatronik-zu-cyber-physikalischen-systemen\/","title":{"rendered":"Von der Mechatronik zu Cyber-physikalischen Systemen"},"content":{"rendered":"<p>Mit Industrie 4.0 steht nicht nur die n\u00e4chste industrielle Revolution vor der T\u00fcr, sondern es findet ebenso, von der breiten \u00d6ffentlichkeit nahezu unbemerkt, eine Revolution im Bereich der Hard- und Software statt. Gerade eben erst haben sich Mechatronische Systeme als Einheiten aus Mikroprozessoren, Sensoren und Aktoren in Haushaltsger\u00e4ten, Autos, Flugzeugen, medizinischen Ger\u00e4ten und Produktionsanlagen etabliert, da spricht man bereits \u00fcber den n\u00e4chsten Entwicklungssprung. Nicht nur einzelne, intelligente aber nahezu voneinander isolierte mechatronische Einheiten machen die neuen Systeme aus, sondern die uneingeschr\u00e4nkte Kommunikation dieser Einheiten \u00fcber das Internet wird k\u00fcnftig das entscheidende Merkmal sein. Diese sog. Cyber-physikalischen Systeme (CPS), welche die physikalische Welt mit dem Internet &#8211; dem Cyberspace &#8211; verbinden, sind Schl\u00fcsselkomponenten bei der Umsetzung von Industrie 4.0.<\/p>\n<p>CPS werden das Wettbewerbsumfeld und die Art und Weise wie Unternehmen untereinander und mit den Kunden interagieren auf eine neue Basis stellen. Durch sie werden neue Dienstleistungen m\u00f6glich, neue Wertsch\u00f6pfungsketten werden entstehen und klassische Branchen wie die Automobilindustrie, der Energiesektor und die Fertigungs- und Produktionstechnik werden sich grundlegend ver\u00e4ndern.<\/p>\n<p>W\u00e4hrend mechatronische Systeme (Abbildung 1) mit eingebetteten Prozessoren und Software (als Teil von Ger\u00e4ten, Maschinen, Geb\u00e4uden, Transportsystemen, Produktionssystemen, medizinischen Systemen, logistischen Prozessen, usw.) im Wesentlichen in der Lage sind, physikalische Daten mittels Sensoren zu erfassen, physikalischen Prozesse \u00fcber Aktoren zu beeinflussen, drahtlos und \/ oder drahtgebunden lokal untereinander und mit Menschen \u00fcber eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle zu kommunizieren, verf\u00fcgen CPS \u00fcber folgende, entscheidende weitere F\u00e4higkeiten:<\/p>\n<ul>\n<li>sie k\u00f6nnen die aufgezeichneten Daten auswerten und speichern und entweder aktiv oder reaktiv sowohl mit der physischen als auch der digitalen Welt interagieren,<\/li>\n<li>sie sind drahtlos und \/ oder drahtgebunden nicht nur lokal, sondern auch global miteinander und mit globalen Netzwerken verbunden,<\/li>\n<li>sie k\u00f6nnen damit weltweit verf\u00fcgbare Daten und Dienste nutzen und<\/li>\n<li>sie verf\u00fcgen \u00fcber verschiedene, multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Die Kommunikationsf\u00e4higkeit von technischen Systemen ist in der Automatisierungstechnik nicht neu und wird bereits seit den 70er Jahren praktiziert. Was ist also wirklich neu und revolution\u00e4r an CPS? Wirklich neu ist die Tatsache, dass die Vernetzung Cyber-physikalischer Systeme \u00fcber das Internet, also \u00fcber ein offenes, globales Netz stattfindet (Abbildung 2).<\/p>\n<p>Dies hat in der Praxis immense Auswirkungen, denn damit werden jegliche im Internet verf\u00fcgbaren Daten, Informationen und auch damit zusammenh\u00e4ngende Dienste f\u00fcr CPS verf\u00fcgbar. Ebenso k\u00f6nnen von CPS generierte Daten im Internet (bzw. einem daf\u00fcr vorgesehenen Speicherort wie z.B. einer Cloud oder einer mehr maschinennahen Speicherung in einem sog. Fog) bereitgestellt werden. Dar\u00fcber hinaus ist eine weltweite Vernetzung von CPS untereinander und mit weiteren Systemen m\u00f6glich. Eine solche Vernetzung muss nicht statisch sein, sondern kann sich lokal uns\/oder global dynamisch an die Anforderungen anpassen.<\/p>\n<p>Aufgrund dieser Eigenschaften entstehen f\u00fcr CPS grunds\u00e4tzlich neue Anforderungen.<\/p>\n<ul>\n<li>Eine der wesentlichen Fragen ist die Frage nach der Sicherheit solcher Systeme im weltweiten Netz. K\u00fcnftige L\u00f6sungen m\u00fcssen zwingend den f\u00fcr heutige Systeme geltenden hohen Sicherheitsanforderungen gen\u00fcgen, ansonsten ist eine Akzeptanz in den hochsensiblen Bereichen verschiedenster Automationsl\u00f6sungen nicht gew\u00e4hrleistet.<\/li>\n<li>CPS m\u00fcssen \u00fcber eine h\u00f6here Eigenintelligenz verf\u00fcgen als bisherige mechatronische Systeme. Die M\u00f6glichkeit auf verschiedenste Umgebungsbedingungen und Anforderungen entsprechend zu reagieren l\u00e4sst sich nicht mit einer &#8222;einfachen&#8220; Regelung realisieren. Assoziative und (sp\u00e4ter) kognitive Algorithmen m\u00fcssen Teil der embedded Software eines CPS sein. Ein CPS muss \u00fcber das Wissen seiner eigenen Funktionalit\u00e4t (self-awareness), seiner Partner (self-coordination), seines Umfeldes (self-organisation), seines aktuellen Zustandes (self-optimization) und der M\u00f6glichkeit zur Ver\u00e4nderung seines Zustandes (self-healing) verf\u00fcgen.<\/li>\n<li>CPS m\u00fcssen die Durchg\u00e4ngigkeit von Konstruktions-, Produktions- und Betriebsdaten unterst\u00fctzen und auf der anderen Seite service- und produktivit\u00e4tsrelevante Daten an entsprechende Einheiten (remote service und remote maintenance) liefern k\u00f6nnen.<\/li>\n<li>Mensch-Maschine Schnittstellen von CPS m\u00fcssen auf die ge\u00e4nderten Bedingungen angepasst werden. Menschen und CPS m\u00fcssen in Automatisierungs- und Produktionsprozessen durch verschiedene Interaktionen effizient miteinander kommunizieren k\u00f6nnen.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Das f\u00fchrt zur Aufl\u00f6sung der bisher in der klassischen Automatisierungstechnik bekannten Automatisierungspyramide. Vielmehr ergibt sich eine Netzstruktur, in dem die einzelnen Knoten dynamisch miteinander kommunizieren k\u00f6nnen (Abbildung 3). Da jedem Knoten theoretisch \u00fcber dynamische Verkn\u00fcpfungen jede im Netz verf\u00fcgbare Information zur Verf\u00fcgung gestellt werden kann, ist einerseits die sogenannte &#8222;self-X&#8220; Funktionalit\u00e4t (self-awareness, self-coordination, \u2026) von CPS und andererseits die multimodale, auf die jeweiligen Bed\u00fcrfnisse zugeschnittene Mensch-Maschine Schnittstelle von besonderer Bedeutung. Hier zeigt sich f\u00fcr k\u00fcnftige Anwendungen der besondere Vorteil der CPS: der Automatisierungsgrad kann deutlich gesteigert werden, trotz allgemeinem Trend zur Produktindividualisierung und im Wesentlichen auch ohne den im Zusammenhang mit Industrie 4.0 oftmals diskutierten Verlust von Arbeitspl\u00e4tzen.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>Insbesondere werden auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) k\u00fcnftig bei der Entwicklung neuer M\u00f6glichkeiten der cyber-physischen Systeme eine wichtige Rolle spielen. Einerseits als Anbieter individueller technischer L\u00f6sungen, andererseits aber besonders auch als Anbieter von neuen Dienstleistungen auf der Basis der globalen Kommunikationsf\u00e4higkeit von CPS. In einer hierarchielosen und dynamisch vernetzten Struktur k\u00f6nnen KMUs aufgrund ihrer Kundenn\u00e4he und Flexibilit\u00e4t spezifische Kernkompetenzen aufbauen und damit den Aufbau neuer Wertsch\u00f6pfungsstrukturen sehr effizient unterst\u00fctzen.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone wp-image-62\" src=\"http:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_1.jpg\" alt=\"\" width=\"1191\" height=\"396\" srcset=\"https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_1.jpg 1416w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_1-300x100.jpg 300w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_1-768x255.jpg 768w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_1-1024x341.jpg 1024w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_1-676x225.jpg 676w\" sizes=\"auto, (max-width: 1191px) 100vw, 1191px\" \/><\/p>\n<p>Abbildung 1: Mechatronisches System<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone wp-image-64\" src=\"http:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_2.jpg\" alt=\"\" width=\"1133\" height=\"656\" srcset=\"https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_2.jpg 1427w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_2-300x174.jpg 300w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_2-768x445.jpg 768w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_2-1024x593.jpg 1024w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_2-676x391.jpg 676w\" sizes=\"auto, (max-width: 1133px) 100vw, 1133px\" \/><\/p>\n<p>Abbildung 2: Cyber-physikalisches System<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone size-full wp-image-65\" src=\"http:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_3.jpg\" alt=\"\" width=\"1416\" height=\"523\" srcset=\"https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_3.jpg 1416w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_3-300x111.jpg 300w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_3-768x284.jpg 768w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_3-1024x378.jpg 1024w, https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/files\/2017\/02\/Abbildung_3-676x250.jpg 676w\" sizes=\"auto, (max-width: 1416px) 100vw, 1416px\" \/><\/p>\n<p>Abbildung 3: Aufl\u00f6sung der Automationspyramide zur Netzstruktur<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.zhaw.ch\/de\/ueber-uns\/person\/vhns\/\">Hans Wernher van de Venn<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Mit Industrie 4.0 steht nicht nur die n\u00e4chste industrielle Revolution vor der T\u00fcr, sondern es findet ebenso, von der breiten \u00d6ffentlichkeit nahezu unbemerkt, eine Revolution im Bereich der Hard- und Software statt. 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