Cyber-Physical Systems Von der Regeltechnik zur System-Orchestrierung

Cyber-Physical Systems nutzen die neuen Möglichkeiten des Internet und der Vernetzung .

Im Dezember 2013 wurde auf Initiative des Weißen Hauses ein Programm aufgelegt, um die Zusammenarbeit der im Bereich der Cyber-Physical Systems forschenden Institutionen und Unternehmen zu verbessern. Im Juni wurden erste Ergebnisse der insgesamt 24 Einzelprojekte vorgestellt.

Cyber-Physical Systems (CPS) ist die Bezeichnung für Systeme aus mehreren über das Internet miteinander vernetzten Geräten (Internet of Things), die sich steuern lassen und/oder mit ihrer physikalischen Umwelt wechselwirken. Das Spektrum der Anwendungen, in denen die Eigenschaften dieser neuen Systemstrukturen erforscht und genutzt werden, umfasst dabei so divergierende Bereiche wie Produktionstechnik, ­Gesundheitswesen, Energie, Transport und Logistik oder Katastrophenschutz. Auf Initiative der „White House Presidential Innovation Fellows“ Geoff Mulligan und Dr. Sokwoo Rhee traten im Dezember 2013 insgesamt 65 Unternehmen, Forschungsstätten und Organisationen zusammen und definierten zwölf CPS-Projekte, mit denen gezeigt werden sollte, wie sich dieser Ansatz nutzen lässt, um einen „sozioökonomischen Nutzen“ zu stiften.

Insgesamt 24 Projekte auf der SmartAmerica Expo

Die ersten Ergebnisse dieser Initiative, deren Arbeitsumfang inzwischen um zwölf weitere Projekte erweitert wurde, konnten bereits Mitte des Jahres auf der SmartAmerica Expo gezeigt. Dabei sind acht der nun insgesamt 24 „Smart America“-Projekte dem Thema „Smart Grid“ gewidmet. So das „Smart Rooftop“-Projekt von Intel und Diaken Applied. Dort rüstet Intel die Klimageräte von Diaken mit neu entwickelten Energiesensoren, einer WLAN-Schnittstelle und einem Controller aus. Der Name „Rooftop“ rührt daher, dass die Dächer amerikanischer Bürogebäude mit HVAC-Geräten (Heating Ventilation & Air Conditioning) bestückt sind, deren Anteil am Energiebedarf des Hauses bis zu 40 % betragen kann. Die Sensordaten werden genutzt, das Klimagerät zu überwachen und die Energieaufnahme zu optimieren. Dazu werden diese komprimiert, verschlüsselt und periodisch in die Cloud für eine weiterführende Analyse übertragen. Aus der Analyse der Betriebsdaten lassen sich dann weitergehende Aussagen ableiten, wie die Erkennung und Vorhersage von Fehlerzuständen (Condition Monitoring). Ein Ziel ist es, neben der Verbesserung des Wirkungsgrades der einzelnen Klimageräte ganze Ensembles der auf den Dächern installierten Geräte mit einem lokalen Netzwerk zusammenzufassen, um deren jeweiligen gemeinsamen Energiebedarf in ein Nachfrage/Angebot-Szenario zu überführen und damit etwa durch eine „Orchestrierung der Ein- und Ausschaltschaltvorgänge“ Bedarfsspitzen zu vermeiden.
Ein weiteres „Smart America“-Projekt mit der Bezeichnung TEM (Transactive Energy Management) wird von einem Team aus IBM- und AT&T-Mitarbeitern durchgeführt, das sich mit dem Übergang der Energieversorgungsnetze von einer zentral gesteuerten Struktur zu einem verteilten System befasst, das aus den unterschiedlichsten Energieanbietern, Zwischenspeichern und Lasten besteht. Die Frage, die hier beantwortet werden muss, lautet: Wie kann die Energie in einer dezentralen Struktur optimal genutzt werden? Mit der ­Methode des transaktiven Energie­managements werden die wirtschaft­lichen und technischen Vorgaben unter den bestehenden Randbedingungen genutzt, um aussagefähige Stellgrößen für ein sich fortlaufend veränderndes System herzuleiten. Dabei soll auch die Zahl der für die Stabilität des Netzes vorzuhaltenden Energiespeicher minimiert werden.

Orchestrierung der Systeme

Ein Projekt zur Fertigungsautomatisierung wird von der Smart Manufacturing Leadership (SMLC) in Zusammenarbeit mit der UCLA (University of California, Los Angeles) durchgeführt. Auch hier spielt wieder der Gedanke der ­Orchestrierung eine wesentliche Rolle: Die zu entwickelnde Smart-Manufacturing-Plattform (SM) soll auf Basis einer robusten, netzwerkbasierten Infrastruktur ein Entwicklungs- und Fertigungssystem etablieren, das eine dynamische Orchestrierung der einzelnen Phasen über unterschiedliche Zeitkonstanten und operative Grenzen ermöglichen soll. Dabei integriert die Plattform die in der Fertigung verwendeten Basiskomponenten in ein Management­system, das an den physikalischen Rahmen in Echtzeit gekoppelt ist und die Arbeitsabläufe steuert. Dieser „Workflow as a Service“ (WfaaS) genannte Ansatz dient dann zur Orchestrierung (im Gegensatz zur klassischen Regelung) der über ein IoT-Netzwerk zusammenwirkenden Einzelsysteme.