Cyber-physisches System

Ein cyber-physisches System (CPS) verbindet physische Komponenten und Prozesse mit informationsverarbeitenden Funktionen. Sensoren erfassen Zustände, Software verarbeitet die Informationen, und das Gesamtsystem reagiert beispielsweise über Aktoren auf seine Umgebung. Charakteristisch ist das abgestimmte Zusammenwirken der digitalen und physischen Bestandteile. In der Produktion kann ein CPS eine einzelne Funktion, eine Maschine oder einen Verbund mehrerer Anlagen umfassen.

Was bedeutet cyber-physisch?

„Cyber“ bezeichnet in diesem Zusammenhang die informationsverarbeitende Seite, „physisch“ die reale technische Welt. Beide werden gemeinsam betrachtet. Ein Motor besitzt beispielsweise mechanische und elektrische Eigenschaften. Eine Steuerung verarbeitet Messwerte und gibt Stellgrößen vor. Erst im Zusammenspiel entsteht das gewünschte Verhalten einer geregelten Bewegung.

NIST beschreibt CPS als Systeme aus zusammenwirkenden digitalen, analogen, physischen und menschlichen Komponenten. Das verdeutlicht, dass Menschen nicht grundsätzlich außerhalb der Systembetrachtung stehen. Eine Bedienentscheidung oder ein organisatorischer Ablauf kann für die Gesamtfunktion ebenso relevant sein wie ein Sensorwert.

Wie ist ein cyber-physisches System aufgebaut?

Bestandteil	Aufgabe	Beispiel
Physischer Prozess	Reale Wirkung erzeugen	Werkstück transportieren oder bearbeiten
Sensorik	Zustände und Ereignisse erfassen	Position, Temperatur oder Anwesenheit messen
Informationsverarbeitung	Daten bewerten und Verhalten bestimmen	Freigabe prüfen oder Geschwindigkeit berechnen
Kommunikation	Informationen zwischen Komponenten austauschen	Belegungsstatus an die nächste Station melden
Aktorik	Auf den physischen Prozess einwirken	Antrieb, Ventil oder Greifer betätigen
Menschliche Interaktion	Ziele setzen, überwachen oder eingreifen	Auftrag freigeben und Störungen bearbeiten

Die Bestandteile müssen nicht in einem Gehäuse sitzen. Funktionen können auf Steuerungen, Industriecomputern und übergeordneten Anwendungen verteilt sein. Die Architektur muss jedoch zum Prozess passen. Eine Funktion, die innerhalb einer festgelegten kurzen Frist reagieren muss, darf nicht von einer unzuverlässigen oder zu langsamen Verbindung abhängig gemacht werden.

Rückkopplung und zeitliches Verhalten

Ein wichtiger Zusammenhang ist die Rückkopplung: Das System erfasst eine Wirkung und berücksichtigt sie bei weiteren Entscheidungen. Ein Antrieb erhält beispielsweise einen Sollwert. Die tatsächliche Position wird gemessen und mit dem gewünschten Zustand verglichen. Daraus kann die Regelung eine korrigierte Stellgröße ableiten.

Nicht jede Funktion eines CPS arbeitet als geschlossener Regelkreis. Ein System kann auch überwachen, Ereignisse melden oder Entscheidungen vorbereiten. Die gemeinsame Betrachtung von Rechenvorgängen und physischem Prozess bleibt wesentlich. Eine rechnerisch richtige Entscheidung kann praktisch ungeeignet sein, wenn sie zu spät eintrifft.

Deshalb sind Zeitstempel, Reaktionszeiten und gültige Zustände Teil der Auslegung. Ein früher korrektes Signal kann inzwischen überholt sein. Bei verteilten Komponenten muss außerdem geklärt werden, wie sie mit fehlenden oder widersprüchlichen Informationen umgehen.

Praxisbeispiel: Werkstückträger auf einer Förderstrecke

Das folgende Beispiel ist fiktiv. Eine Förderstrecke transportiert Werkstückträger zwischen zwei Montagestationen. Sensoren erfassen, ob Übergabeposition und Zielbereich belegt sind. Eine Steuerung verarbeitet diese Zustände und die Auftragsinformation. Nur bei erfüllten betrieblichen Bedingungen wird ein Transport ausgelöst.

Die nachgelagerte Station meldet ihre Aufnahmebereitschaft. Der Antrieb bewegt den Träger, und ein weiterer Sensor bestätigt dessen Ankunft. Bleibt die erwartete Bestätigung aus, muss der Ablauf einen definierten Ausnahmefall behandeln. Die Software darf nicht einfach unterstellen, dass der physische Transport erfolgreich war.

Bei einer angenommenen Geschwindigkeit von 0,5 Metern pro Sekunde legt ein Träger in 200 Millisekunden bereits 0,1 Meter zurück. Dieses einfache Rechenbeispiel zeigt, warum Verzögerungen für eine technische Funktion relevant sein können. Die Werte sind keine Auslegungs- oder Sicherheitsvorgabe. Zulässige Reaktionszeiten ergeben sich aus der konkreten Maschine und ihrer fachlichen Bewertung.

Das CPS umfasst hier mehr als die Fördermechanik oder das Steuerungsprogramm allein. Entscheidend sind deren Zusammenwirken, die Zustandsmeldungen und das festgelegte Verhalten bei Abweichungen. Eine Bedienperson kann beispielsweise einen blockierten Ablauf prüfen und anschließend nach dem vorgesehenen Verfahren wieder freigeben.

Abgrenzung zu IoT, SPS und digitalem Zwilling

Das Industrial Internet of Things betont häufig die Vernetzung industrieller Geräte und die Nutzung ihrer Daten. CPS betont besonders die gemeinsame Funktion von Informationsverarbeitung und physischer Welt. Die Begriffe überschneiden sich; NIST weist ausdrücklich auf eine Annäherung ihrer Definitionen hin. Eine starre Grenze ist daher wenig hilfreich.

Eine SPS kann die Steuerungsfunktion eines CPS übernehmen. Sie ist aber eine Komponente beziehungsweise technische Plattform, während CPS das Zusammenwirken des Gesamtsystems beschreibt. Auch klassische automatisierte Anlagen können entsprechende Eigenschaften besitzen. Der Begriff setzt keine bestimmte Neuheit oder ein bestimmtes Produkt voraus.

Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Repräsentation eines realen Bezugsobjekts mit einem definierten Zusammenhang zu diesem Objekt. Er kann die Entwicklung, Beobachtung oder Analyse eines CPS unterstützen. Das CPS ist dagegen das gekoppelte System selbst. Ein digitales Modell allein ist nicht mit der realen Anlage samt Informationsverarbeitung gleichzusetzen.

Welche Rolle spielen Edge und Cloud?

Mit Edge Computing können Daten nahe an der Maschine verarbeitet werden. Das kann für lokale Auswertungen oder geringe Übertragungsvolumen geeignet sein. Übergeordnete Anwendungen können zusätzlich Informationen mehrerer Systeme zusammenführen.

Cloud Computing ist dabei eine mögliche Bereitstellungsform für bestimmte Funktionen, keine Voraussetzung für ein CPS. Welche Aufgabe wo ausgeführt wird, hängt unter anderem von Zeitverhalten, Verfügbarkeit und Datenzugriff ab. Bei einer verlorenen Verbindung muss feststehen, welche Funktionen lokal weiterlaufen und welche angehalten oder eingeschränkt werden.

Entwicklung und Prüfung

Die Auslegung beginnt mit der gewünschten Gesamtfunktion. Mechanik, Elektrotechnik, Software und Bedienablauf sollten aufeinander abgestimmt entwickelt werden. Eine rein getrennte Optimierung kann zu einem System führen, dessen Einzelkomponenten funktionieren, dessen Zusammenarbeit aber unzureichend ist.

1. Systemgrenze festlegen: Beteiligte Komponenten, Menschen und externe Anwendungen bestimmen.
2. Betriebsfälle beschreiben: Normalbetrieb, Anfahren, Wechsel, Störung und Wiederanlauf berücksichtigen.
3. Schnittstellen definieren: Zustände, Befehle, Einheiten und zeitliche Anforderungen abstimmen.
4. Fehlerverhalten planen: Sensorausfall, Kommunikationsverlust und widersprüchliche Signale behandeln.
5. Zusammenspiel prüfen: Funktion und Zeitverhalten unter realistischen Bedingungen testen.
6. Änderungen bewerten: Software- oder Hardwareanpassungen auf das Gesamtsystem beziehen.

Die virtuelle Inbetriebnahme kann ausgewählte Abläufe mit einem Modell prüfen, bevor alle realen Komponenten verfügbar sind. Das unterstützt die Fehlersuche, ersetzt jedoch nicht jede Prüfung am realen System. Das Modell besitzt Annahmen und Grenzen, die für die Interpretation der Ergebnisse bekannt sein müssen.

Grenzen und Verantwortlichkeiten

Mehr Vernetzung kann zusätzliche Abhängigkeiten schaffen. Ein fehlerhafter Zeitbezug oder eine missverstandene Zustandsmeldung kann Auswirkungen auf den realen Prozess haben. Interoperabilität betrifft deshalb nicht nur die Datenübertragung, sondern auch die übereinstimmende Bedeutung der Informationen.

Funktionale Anforderungen, Schutz vor unberechtigten Eingriffen und gegebenenfalls erforderliche Sicherheitsfunktionen müssen abgestimmt betrachtet werden. Eine gewöhnliche Netzwerkverbindung oder ein analytisches Modell ist nicht automatisch für sicherheitsbezogene Aufgaben geeignet. Die Bezeichnung CPS stellt weder einen Sicherheitsnachweis noch eine Konformitätsaussage dar.

Häufige Fragen zu cyber-physischen Systemen

Braucht ein CPS eine Internetverbindung?

Nein. Entscheidend ist das funktionale Zusammenwirken digitaler und physischer Komponenten. Dieses kann innerhalb einer Maschine oder eines lokalen Netzes stattfinden. Eine Internetverbindung ermöglicht zusätzliche Dienste, ist aber kein notwendiges Definitionsmerkmal. Für konkrete Funktionen muss geprüft werden, welche Kommunikationsverbindungen erforderlich und welche Abhängigkeiten vertretbar sind.

Sind cyber-physische Systeme immer autonom?

Nein. Sie können vollständig vorgegebene Abläufe ausführen oder Menschen bei Entscheidungen unterstützen. Der Grad der Selbstständigkeit ist eine zusätzliche Eigenschaft. Ein System wird nicht allein dadurch autonom, dass es Sensoren und Software besitzt. Gerade bei Störungen können menschliche Bewertung und geregelte Freigaben ausdrücklich Teil des Konzepts sein.

Welche Bedeutung hat Echtzeitfähigkeit?

Bei zeitkritischen Funktionen muss ein Ergebnis innerhalb einer bestimmten Frist vorliegen. Entscheidend ist deshalb nicht nur eine hohe durchschnittliche Geschwindigkeit, sondern das erforderliche zeitliche Verhalten unter den vorgesehenen Bedingungen. Welche Frist gilt, hängt vom Prozess ab. Eine langsame Zustandsauswertung und eine schnelle Bewegungsregelung haben sehr unterschiedliche Anforderungen.

Ist künstliche Intelligenz erforderlich?

Nein. Viele Funktionen lassen sich mit klar definierten Steuerungs- und Regelungsalgorithmen umsetzen. KI kann zusätzliche Aufgaben übernehmen, etwa die Auswertung komplexer Muster. Sie muss jedoch ebenso in die Gesamtfunktion eingebunden und überprüft werden. Der Einsatz eines lernenden Modells ist weder Voraussetzung noch automatischer Qualitätsnachweis eines CPS.

Warum müssen Änderungen gemeinsam bewertet werden?

Weil eine Anpassung an einer Komponente das Verhalten anderer Bestandteile beeinflussen kann. Ein neuer Sensor kann andere Verzögerungen besitzen; ein Softwareupdate kann Zustandsfolgen verändern. Die Einzelprüfung reicht dann unter Umständen nicht aus. Dokumentierte Schnittstellen und geeignete Systemtests helfen, die beabsichtigte Zusammenarbeit auch nach Änderungen zu erhalten.

Verwandte Begriffe

• Industrie 4.0
• IIoT
• Digitaler Zwilling
• Interoperabilität
• Edge Computing

Quellen und weiterführende Informationen

• NIST SP 1500-201: Framework for Cyber-Physical Systems, Volume 1: Overview, 2017.
• NIST SP 1900-202: Cyber-Physical Systems and Internet of Things, 2019.

Stand: Oktober 2026. Fördertechnikbeispiel und Zahlenwerte sind fiktiv und dienen ausschließlich der Erläuterung.