Cyber-Physical-Systems in der Industrie 4.0. Herausforderungen und Chancen für die Zukunft

Inhaltsverzeichnis

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG
1.1 PROBLEMSTELLUNG UND ZIELSETZUNG
1.2 VORGEHENSWEISE

2 INDUSTRIELLE REVOLUTIONEN IM ÜBERBLICK
2.1 DIGITALE REVOLUTION UND IHRE TREIBER

3 INDUSTRIE
3.1 DEFINITION CYBER-PHYSICAL SYSTEME

4 WIE ENTSTEHEN CYBER- PHYSICAL SYSTEMS?
4.1 VERSCHIEDENE SICHTEN DES INTERNETS
4.2 DER WEG ZUM CYBER- PHYSISCHEN PRODUKTIONSSYSTEM
4.3 WO KOMMEN CPS ZUM EINSATZ?
4.4 GEFAHREN VON CPS IN BEZUG AUF DIE IT-SICHERHEIT

5 PRIVACY BY DESIGN
5.1 TRANSPARENZ
5.1.1 INTERVENIERBARKEIT
5.1.2 NICHTVERKETTBARKEIT
5.2 FOLGERUNGEN FÜR DIE ENTWICKLUNG VON CYBER-PHYSICAL SYSTEMS

6 HERAUSFORDERUNGEN DURCH CYBER-PHYSICAL SYSTEMS
6.1 WISSENSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNGEN
6.2 TECHNOLOGISCHE HERAUSFORDERUNGEN
6.3 WIRTSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNGEN
6.4 POLITISCHE HERAUSFORDERUNGEN
6.5 GESELLSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNGEN

7 CHANCEN UND ZUKUNFT
7.1 ÖKONOMISCHE CHANCEN
7.2 ÖKOLOGISCHE CHANCEN
7.3 SOZIALE CHANCEN

8 WIE SEHEN CYBER-PHYSICAL SYSTEMS IN DER ZUKUNFT AUS?

9 UMSETZUNG VON CYBER- PHYSICAL SYSTEMS IN UNTERNEHMEN

10 FAZIT

11 LITERATURVERZEICHNIS

1 Einleitung

Unabhängig von der Branche erleben nahezu alle Unternehmen in der heutigen Zeit der Digitalisierung und Automatisierung einen Wandel der Industrie.

Nach der ersten, zweiten und dritten industriellen Revolution, ist aktuell die Rede von ,,Industrie 4.0‘‘, auch genannt als vierte industrielle Revolution bei der durch den Einsatz von Informationstechnologie industrielle Produktionsanlagen und- prozesse weiterentwickelt werden.

Es stellt eine wichtige Voraussetzung für die Industrie und damit für Unternehmen dar um stark individualisierte Produkte nach Kundenwünschen in kleinen Stückzahlen zu produzieren und dies bei einer hohen Ressourcenproduktivität und mit einer entsprechenden Geschwindigkeit zu vollbringen.

Das Schlagwort hierzu ist die sogenannte ,,Smart Factory‘‘, in der Cyber-Physical Systems zum Einsatz kommen.

Es ist also eine Digitalisierung der Industrie von Nöten, die dazu beiträgt Kundenwünschen gerecht zu werden, wie die starke Individualisierung der Produkte, die Lieferfähigkeit und die Komplexität der Produkte zu gewährleisten.

Die Rede ist von sogenannten ,,intelligenten Fabriken‘‘, die in der Lage sind, sich selbst zu organisieren, in dem Menschen, Maschinen und Ressourcen miteinander Informationen austauschen und mittels Cloudtechnologie im Internet kommunizieren können, wobei auch die Produktionsanlagen Diagnose- und Reparaturfähigkeiten haben.

Dabei lässt sich sagen, dass Cyber-Physical Systems (CPS), die unter anderem in diesen Fabriken bei der Produktion zum Einsatz kommen, den Kern der Industrie 4.0 bilden.

Das sind eingebettete Systeme, die kommunikationsfähig sind, Internetdienste nutzen und die über das Internet kommunizieren können.

Außerdem sind diese auch in der Lage ihre Umwelt unmittelbar mit ihrer entsprechenden Sensorik zu erfassen, mit Hilfe weltweit verfügbarer Daten und Dienste auszuwerten, zu speichern und sie mit Hilfe von Aktoren auf die physikalische Welt einzuwirken (Bauernhansl et al. 2014, S. 15f).

Dabei hat der Mensch auch eine zentrale Rolle und ist über multimodale MenschMaschine- Schnittstellen mit diesen CPS verbunden und kann diese durch Sprache oder Touch Displays steuern (Bauernhansl et al. 2014, S. 15f).

1.1 Problemstellung und Zielsetzung

Ausgehend von diesen Sachverhalten wird diese Seminararbeit uns die Thematik der ,,Industrie 4.0‘‘ und damit auch ,,Cyber-Physical Systems‘‘ näher bringen und die Definitionen, Eigenschaften, Herausforderungen, Chancen und Risiken in diesem Kontext präsentieren.

Dabei werden auf viele Begrifflichkeiten eingegangen und erläutert, die im Zusammenhang mit diesem Thema essentiell sind.

Einige Beispiele hierfür ist das ,,Internet der Dinge‘‘, ,,Smarte Fabrik‘‘, die in diesem Sachverhalt kaum wegzudenken sind.

Außerdem wird die Rolle des Menschen analysiert und die Zukunft der CyberPhysical Systems dargestellt.

1.2 Vorgehensweise

Als Erstes werden die verschiedenen industriellen Revolutionen dargestellt, um dann zur sogenannten vierten industriellen Revolution auch genannt als ,,Industrie 4.0‘‘ anzuknüpfen.

Hierbei werden auf die Treiber der digitalen Revolution eingegangen.

Anschließend werden auf die Definitionen von ,,Industrie 4.0‘‘ und auf ,,CyberPhysical Systems‘‘ eingegangen.

Danach wird die Frage beantwortet wie Cyber-Physical Systems entstehen um anschließend die verschiedenen Sichten des Internets und den Weg zu einem cyberphysischen Produktionssystem darzustellen.

Im Anschluss darauf wird beschrieben wo CPS zum Einsatz kommen und es wird auf die Gefahren von CPS in Bezug auf die IT- Sicherheit aufmerksam gemacht.

Dabei wird das ,,Privacy by Design‘‘ erklärt und die Privatsphärenschutzmittel aufgezählt und definiert.

Außerdem werden im Anschluss Umsetzungsbeispiele gezeigt, wie CPS in der ,,Smarten Fabrik‘‘ zum Einsatz kommen.

Des Weiteren werden dann die Folgerungen für die Entwicklung von CPS abgeleitet, um am Schluss auf die Herausforderungen, Chancen und die Zukunft von CPS einzugehen.

2 Industrielle Revolutionen im Überblick

Bevor man darauf eingeht die vierte industrielle Revolution näher zu verstehen, muss man sich darüber im Klaren sein, was in den vergangenen drei Revolutionen geschehen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1 Quelle: (Dr. Jochen Schlick 2012)

Die erste industrielle Revolution startete Ende des 18. Jahrhunderts mit der Entwicklung der Dampfmaschine.

Ab diesem Zeitpunkt an erlebten wir Menschen verschiedene Phasen der industriellen Revolution, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.

Zu Beginn der ersten industriellen Revolution konnten Arbeits- und Kraftmaschinen die Industrialisierung ermöglichen und auch Hungerkatastrophen entgegenwirken.

Es entstand ein zentralisiertes, arbeitsteiliges und teilmechanisiertes Fabriksystem in der Textil-, Eisen- und Stahlindustrie.

Um 1870 kam die Phase der zweiten industriellen Revolution, wo ein Wohlstand durch elektrische Energie und arbeitsteilige Massenproduktion gegeben war.

Damit kam es zu einem Bevölkerungswachstum.

Des Weiteren gab es eine großindustrielle Massenproduktion in Elektro-, Chemie- und Automobilindustrie.

Die Gewerkschaften gewannen für Menschen immer mehr von Bedeutung und es entstand das erste Fließband in der Produktion.

Die dritte industrielle Revolution begann zu Beginn der 70er Jahre, wo zunächst die Elektronik und später die Informations- und Kommunikationstechnologie eine variantenreiche Serienfertigung ermöglichten.

Es war in Deutschland die Zeit des Wirtschaftswunders (Bauernhansl et al. 2014,S.5ff). Die dritte industrielle Revolution gilt als radikaler Fortschritt in der Automatisierung von Produkten und Produktion durch den Einsatz der speicherprogrammieren Steuerung (SPS) ab der Mitte der Siebzigerjahre (Sendler 2013, S. 6).

Heute ist die Rede von Industrie 4.0, auch genannt als vierte industrielle Revolution auf Basis von Cyber-Physical Systemen.

Für viele Menschen stellt die vierte industrielle Revolution keine wirkliche Revolution dar, weil in Frage gestellt wird, ob der Begriff ,,Revolution‘‘ gerechtfertigt ist oder ob es nicht sinnvoller wäre von einer ,,Evolution‘‘ zu sprechen (Sendler 2013, S. 7).

Diese Frage ist allerdings für den Industriestandort Deutschland und auch für Zentraleuropa weniger von Bedeutung.

Vielmehr ist es wichtig, dass sich Unternehmen sich positionieren und sich entscheiden, ob sie die Rolle des Revolutionärs oder Evolutionäres annehmen wollen und wie sie die Umsetzung, wenn sie sich denn dafür entscheiden vollbringen sollen (Sendler 2013, S. 7f).

Wenn man sich nun dagegen entscheidet und den technologischen Anschluss an andere Länder, Regionen oder Branchen verpasst übernehmen diese die führende Rolle und sind damit in Zukunft für unterschiedliche sich verändernde Situationen besser ausgerüstet (Sendler 2013, S. 8).

2.1 Digitale Revolution und ihre Treiber

Was ist eigentlich die sogenannte ,,Digitale Revolution‘‘ und warum ist es zu beobachten, dass es so eine schnelle Verbreitung in den letzten Jahren vollzogen hat?

Mit dieser Frage beschäftigt sich dieser Abschnitt und versucht einen Grund vorzustellen, der unter anderem dafür Sorge trägt, dass dieses Thema in den letzten Jahren so dermaßen eine große Bedeutung bekommen hat.

Zunächst lässt sich sagen, dass die digitale Technik sich sehr schnell verändert und weiterentwickelt.

Des Weiteren kann man auch die Beobachtung machen, dass die Ausbreitung sehr rasant von statten geht (Broy 2010, S. 19).

Aufgrund dessen, dass Firmen wie Microsoft, SAP oder Google sich zu Weltkonzernen entwickelt haben lässt die Aussage und damit den Begriff der ,,Digitalen Revolution‘‘ bestätigen (Broy 2010, S. 19).

Diesen Erfolg haben die Unternehmen der digitalen Informationsverarbeitungen zu verdanken (Broy 2010, S. 19).

Das Thema der digitalen Revolution ist genauestens zu analysieren und zu verstehen bevor die Rede von Industrie 4.0 und Cyber-Physical Systems ist.

Unsere Welt verändert sich und wir uns auch, was das Verlangen an neuen Produkten und Dienstleistungen erhöht.

Die digitale Technik und damit auch alle Komponenten dieser Technik haben unser Leben in den letzten Jahren sehr verändert.

Wir haben ein Bedürfnis nach individualisierten Produkten und auch Dienstleistungen und Services, die wir per Knopfdruck komfortabel z.B. mit einem Mobiltelefon steuern möchten.

Diese digitale Revolution bewegt uns alle zum Umdenken.

Damit sind nicht nur Menschen also Privatnutzer damit gemeint, sondern auch die Wirtschaft und auch die Politik, die diese digitale Revolution zu einem Begriff der vierten industriellen Revolution bzw. Industrie 4.0 zusammenfasst.

Genau hier haben wir die Verbindung und die Schnittstelle, wie essentiell es ist diese digitale Revolution erst einmal zu verstehen, um dann zu den Begrifflichkeiten, die in Zusammenhang mit ,,Industrie 4.0‘‘ und ,,Cyber-Physical Systems‘‘ stehen zu kommen.

Einen weiteren wichtigen Beitrag zu Verbreitung der digitalen Revolution stellt das Gesetz von Moore dar.

Man muss sich die Situation vorstellen, dass wir nicht vor allzu langer Zeit ein Produkt namens ,,Computer‘‘ hatten, der sehr teuer war.

Dieses Produkt wird heute oftmals von uns genannt als ,,PC‘‘ und hat sich zu einem Massenprodukt entwickelt, das im Verhältnis zur damaligen Zeit sehr günstig zu erwerben ist (Fleisch und Mattern 2005, S. 42).

Das Mooresche Gesetz ist also als zentraler Treiber der digitalen Revolution zu sehen und beruht auf der Beobachtung, dass durch die Fortschritte in der Halbleitertechnik ein schneller Leistungszuwachs bei sinkenden Preisen erreicht wurde (Broy 2010, S. 19).

Hierbei prognostiziert das Mooresche Gesetz einen Leistungszuwachs um Faktor 100 in 10 Jahren und einen Faktor um 10000 in 20 Jahren (Broy 2010, S. 19).

Mit diesen Zahlen alleine wird deutlich, mit was für einer Geschwindigkeit die Entwicklung und Ausbreitung geschieht und weiter geschehen wird.

3 Industrie 4.0

,,Industrie 4.0‘‘ als Schlagwort hat sich in den letzten Jahren in Deutschland aber auch auf der ganzen Welt schnell verbreitet und hat einen regelrechten Trendstatus erreicht (Sendler 2013, S. 6).

Dies ist in Deutschland vor allem der Fall, da auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung Projekte gestartet hat, die den Begriff ,,Industrie 4.0‘‘ und die damit verbundene Notwendigkeit und Chance für die Wirtschaft zu illustrieren (Redaktion: Referat LS 4 - Öffentlichkeitsarbeit und Internet 2015).

Es ist also zu beobachten, dass die Wirtschaft, Wissenschaft, Politik und Gesellschaft diese industrielle Revolution zusammen gestalten.

Viele Unternehmen stellen ihre Produkte und Dienstleistung in Anlehnung an dieses Thema vor, um bei den Kunden anzukommen.

Dabei versprechen diese Unternehmen, dass ihre Produkte das wiederspiegeln, was in Industrie 4.0 steckt (Sendler 2013, S. 6).

Es ist also zu vermuten, dass ,,Industrie 4.0‘‘ als Schlagwort eine große marketingtechnische Bedeutung bei den Menschen hat (Sendler 2013, S. 6).

Doch wie kommt es dazu, dass der Begriff ,,Industrie 4.0‘‘ sich so schnell verbreitet hat und dass es heute in aller Munde ist?

Dazu muss man in die Vergangenheit gehen und sich die Begriffe wie ,,Web 2.0‘‘ und ,,Web 3.0‘‘ näher vor Augen führen.

Reagieren wir Menschen von Natur aus neugierig auf etwas Neues, was momentan aktuell im Trend liegt? Um die Aussage zu verdeutlichen und es in Einklang mit dem Thema ,,Industrie 4.0‘‘ zu bringen kann man als Beispiel eine fraktale Fabrik sehen mit all den Maschinen, Menschen, Produkten, Prozessen und der Arbeitsweise.

Gegen dieses Bild von einer herkömmlichen Produktion, die wir alle in unseren Köpfen haben, steht die moderne intelligente Fabrik, wo nicht nur Maschinen und Arbeitskräfte in traditioneller Form agieren. Die Rede ist von Software, Internet, Mobilität und Echtzeitfähigkeit der Maschinen und damit auch die Einbindung des Kunden in die Geschäftsprozesse und eine auf jeden Kunden speziell angepasste und individualisierte Produktion.

Genau hier haben wir die Antwort bereits, warum dieser Begriff so eine Wirkung bei uns hat und auch in Zukunft haben wird, auch wenn es ein großes Thema ist, wo sich viele Menschen darunter nicht allzu viel vorstellen können, da es für sie schwer ist sich mit der Thematik zu beschäftigen und es zu ergreifen.

Nichtdestotrotz lässt sich sagen, dass es ein regelrechter Hype daraus entstanden ist vor allem auch bedingt durch Medien, Messen und Kongressen (Sendler 2013, S. 5) und dass es sich noch weiter ausbreiten wird, je mehr man sich mit der Materie dieses Themas beschäftigen wird, desto schneller wird auch die Verbreitung geschehen (Sendler 2013, S. 6).

Dadurch kann man auch gegen einige Herausforderungen entgegenwirken und diese meistern (Sendler 2013, S. 5).

Auf Dauer wird es mit bereits bekannten und alten Methoden nicht möglich sein der wichtigsten Herausforderung der Komplexität der Produkte im positiven Sinne zu realisieren (Sendler 2013, S. 5).

Die Komplexität beginnt mit dem Schritt von der Fraktalen Fabrik zur smarten lernenden Fabrik.

Hierbei lassen sich Begriffe wie Lieferfähigkeit, Preiselastizität, Verlässlichkeit als komplexitätstreibende Faktoren nennen, die mit der Notwendigkeit der individualisierten Produktion in Einklang gebracht werden können (Bauernhansl et al. 2014, S. 14).

Daher hat in Deutschland aber auch in Zentraleuropa die Industrie die herkömmlichen Mittel, Methoden und Strukturen in Frage gestellt und zum Nachdenken über vernetzte innovative eingebettete Systeme gebracht, damit die Produktion eine effiziente schnelle und wirtschaftliche Gestaltung annimmt (Sendler 2013, S. 5).

3.1 Definition Cyber-Physical Systeme

Cyber-Physical Systems sind wichtige Bestandteile um die Industrie 4.0 in der Wirtschaft umzusetzen.

Es entstehen ganz neue Produktionsumgebungen, in der Menschen und Maschinen in einer ganz anderen Art und Weise eingebunden sind und interagieren.

Wenn diese Systeme in der Produktion und damit in der Fabrik eingesetzt werden und zum Einsatz kommen ist der Schritt von einer fraktalen Fabrik zu einer sogenannten smarten Fabrik vollbracht.

Die Frage wie man zu der oben genannten ,,smarten Fabrik‘‘ gelangen kann, stellen ,,Cyber Physical Systems ‘‘ (CPS) dar.

Eine Definition sieht wie folgt aus:

,,Cyber-Physical Systems sind hoch vernetzte eingebettete Systeme (Embedded Systems), die über Sensoren die Umwelt erfassen und Aktionen auslösen können‘‘ (Hansen und Thiel 2012, S. 26).

Diese Definition kann man verstehen, in dem man z.B. sich ein Haus vorstellt, wo sich die Rollladen bei einer Unwetterwarnung automatisch und selbständig hochfahren.

Eine weitere Definition besagt:

,,CyberPhsical Sysems adressieren die enge Verbindung eingebetteter Systeme zur Überwachung und Steuerung physikalischer Vorgänge mittels Sensoren und Aktuatoren über Kommunikationseinrichtungen mit den globalen digitalen Netzen‘‘ (Broy 2010, S. 17).

Also kann CPS als eine Zusammenführung von ,,Cyber‘‘, also Vernetzung, ,,Physical‘‘ als Anbindung an die echte Welt und ,,Systems‘‘ als Zusammenführung dieser Dinge in Form von eingebetteten Systemen sehen.

Diese enthalten eingebettete Systeme, die kommunikationsfähig gemacht werden und in der Lage sind Internetdienste zu nutzen, um unmittelbar ihre Umwelt mit ihrer entsprechenden Sensorik zu erfassen, sie mit Hilfe weltweit verfügbarer Daten und Dienste auszuwerten, speichern und mit Hilfe von Aktoren auf die physikalische Welt einzuwirken (Springer Vieweg et al, S.16).

Der Mensch ist hierbei über Schnittstellen mit diesen CPS verbunden und kann sie zum Beispiel über Sprache oder Touch Displays steuern.

Die Systeme können dann selbstständig aber auch in Zusammenarbeit mit dem Menschen Probleme lösen, indem sie Netzwerke aufbauen und sich selbstständig optimieren (Springer Vieweg et al. 2014, S.16).

Es gibt eine Reihe von wichtigen Charakteristiken der CPS, die erwähnenswert sind, um die Bedeutung dieser Systeme zu verdeutlichen.

Zunächst lässt sich allgemein sagen, dass diese eine direkte Verbindung zwischen der physikalischen und digitalen Welt eingehen und neuartige Systemfunktionen durch Informations-, Daten- und Funktionsintegration bieten.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Systeme ist auch die Tatsache, dass der Zugriff über Netze überregional und ortsungebunden stattfindet und dass die Systeme Langzeitbetrieb tauglich sind (Broy 2010, S. 22).

Wenn man über Cyber-Physical Systems redet ist die Echtzeitfähigkeit eine wichtige Eigenschaft, die man erwähnen muss.

Die Echtzeitfähigkeit insbesondere was die zur Verfügung Stellung der Daten anbelangt, sorgt dafür, dass die reale Welt mit der virtuellen Welt verschmelzen kann.

So kann dafür gesorgt werden, dass ein virtuelles Abbild der Realität permanent mit Hilfe der Echtzeitdaten aktualisiert wird.

Somit entstehen verschiedene Möglichkeiten für neue Geschäftsmodelle.

Man kann damit auch nun drei Perspektiven auf das Internet definieren: ,,Das Internet der Menschen‘‘, ,,Das Internet der Dinge‘‘, ,,Das Internet der Dienste‘‘ und diese miteinander verbinden.

Wie man auch schon von den unterschiedlichen Namen entnehmen kann, lassen sich allgemein diese Perspektiven so erklären, dass zum einen Menschen in sozialen Netzwerken sich vernetzen, aber auch Maschinen dies tun, in dem diese kommunikationsfähige und smarte Objekte und serviceorientierte Dienste im Internet nutzen.

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