Kann‑Liste – Kernkompetenzen
Schwierigkeitsgrad markiert: 1 leicht, 2 mittel, 3 anspruchsvoll, 4 schwer.
Bestandteile eines CPS nennen Mittel
- Sensoren (Umwelt erfassen)
- Aktoren (auf Umwelt einwirken)
- Steuerung/Regler (Mikrocontroller, Embedded)
- Kommunikation (z. B. WLAN, BLE, LoRa, 5G)
- Software/Adaption (Datenverarbeitung, Updates, ML)
Absicherung eines CPS beschreiben Anspruchsvoll
- Starke Passwörter, 2FA, Zertifikate
- Verschlüsselung: TLS/SSL/DTLS; sichere Protokolle (MQTTS/HTTPS)
- Netzwerksegmentierung (IoT‑VLAN), Firewalls, Zero Trust
- Least Privilege, Härtung, Secure Boot
- Updates/Patching, Logging/Monitoring, physische Sicherheit
Unterschied Regelung vs. Steuerung erklären Mittel
- Steuerung: ohne Rückkopplung (z. B. Lichtschalter)
- Regelung: mit Rückkopplung, Soll‑Ist‑Vergleich (z. B. Thermostat)
IoT, CPS, Industrie 4.0 erklären; Felder & Entwicklung Mittel
- IoT: vernetzte Objekte, APIs, Dashboards, Sensordaten
- CPS: physisch + digital, Sensoren/Aktoren/IT
- Industrie 4.0: Smart Factory, Effizienz/Qualität
- Felder: Energie/Gebäude, Smart Factory, Automotive, Health, Cities, Consumer
- Entwicklung: Gerätezahl 2015→15B, 2020→30B, 2025→75B
Regelkreis entwerfen Schwer
- Sollwertgeber (Führungsgröße), Regler, Stellglied/Aktor
- Strecke, Sensor/Messung (Rückkopplung), Störgrößen
- Begriffe: Regelgröße (Ist), Stellgröße, Störgröße
- Beispiel: Gewächshaus 24°C – Sensor misst, Regler vergleicht, Lüfter regelt
WAN vs. LAN erläutern; Eigenschaften Mittel
- LAN/WLAN: lokal, hohe Datenraten, geringe Latenz, kleine Reichweite
- WAN: weiträumig, diverse Techniken (LTE/5G/DSL/Glas/Sat), laufende Kosten
OSI‑Schichtenmodell vervollständigen Mittel
1 Physisch · 2 Sicherung · 3 Netzwerk · 4 Transport · 5 Sitzung · 6 Darstellung · 7 Anwendung
Kommunikationstechnologien zuordnen Anspruchsvoll
- WLAN (Wi‑Fi 4/5/6/6E/7), BLE, Zigbee, LoRa, NB‑IoT, 5G
- Ethernet Cat5e–8 (1–40 Gbit/s je nach Kategorie/Länge)
- Eigenschaften: Reichweite, Datenrate, Energie, Einsatzgebiet
MQTT‑Teilnehmer zuordnen und erklären Mittel
- Broker: Vermittlung
- Publisher: sendet an Topic
- Subscriber: abonniert Topic
- QoS 0/1/2, Retained, Wildcards
Automatisierungspyramide vervollständigen Mittel
- Feld → Steuerung (SPS) → Prozessleit → Betriebsleit → Unternehmensleit
Lastenheft beschreiben Leicht
Was wird gefordert? Ziele/Anforderungen des Auftraggebers (Muss/Kann, Rahmen).
Pflichtenheft beschreiben Leicht
Wie wird umgesetzt? Technisches Konzept/Umsetzung durch Auftragnehmer.
DevOps erklären & Kreislauf Leicht
- DevOps: Zusammenarbeit Dev & Ops für schnelle, stabile Auslieferung
- Zyklus: Plan → Code → Build → Test → Release → Deploy → Operate → Monitor → Feedback
- Praktiken: CI/CD, IaC, Observability, Automatisierung
Cyber‑Physische Systeme (CPS) und CPPS
CPS verknüpfen physische Komponenten mit digitaler Datenverarbeitung. CPPS sind CPS in der Produktion.
- Bestandteile: Sensoren, Aktoren, Embedded/MCU, Server/Cloud, Kommunikation, Software
- Beispiele: Fahrerassistenz, autonome Fahrzeuge, Smart Home, Roboterfertigung
- CPPS: Produktionsanlagen + Dateninfrastruktur, Roboter, MES/ERP‑Anbindung
Einflussfaktoren:
- Technologie: bessere Sensorik, Rechenleistung, Konnektivität
- Wirtschaft: Effizienz, Predictive Maintenance, Qualität
- Gesellschaft: Komfort, Assistenz, Nachhaltigkeit
- Regulierung: DSGVO, ISO 27001, KritIS
IoT und Industrie 4.0
- IoT: globale Vernetzung, APIs, Dashboards, Sensordaten
- Gerätewachstum: 2015 ~15B → 2020 ~30B → 2025 ~75B
- Industrie 4.0 Ziele: Verfügbarkeit, Energieeffizienz, Werkzeugmanagement, M2M/H2M, Qualität
Anwendungsfelder
Energie & Gebäude
Smart Factory
Automotive
Smart Health
Smart Cities
Consumer
Chancen
- Effizienz, Flexibilität, Wettbewerbsvorteile, Personal‑Unterstützung
Risiken
- Komplexität, Security, Change‑Management, Skill‑Anforderungen
Steuerung vs. Regelung
Steuerung (offen)
- Keine Ist‑Wert‑Messung, keine Rückkopplung
- Beispiele: Lichtschalter, Wasserhahn
Regelung (geschlossen)
- Mit Rückkopplung, kontinuierlicher Soll/Ist‑Vergleich
- Beispiele: Thermostat, CPU‑Lüfter, Spurhalteassistent
Zu starkes Regeln → Schwingen/Instabilität. Zu schwach → Soll wird nicht erreicht.
Regelkreis – Bausteine
- Sollwertgeber (Führungsgröße)
- Regler (berechnet Stellgröße)
- Stellglied/Aktor (setzt Stellgröße um)
- Strecke (wirkt auf die Regelgröße)
- Sensor/Messung → Rückkopplung an Regler
- Störgrößen (z. B. Umgebung, Lastwechsel)
Gewächshaus‑Beispiel: 24°C halten – Regler vergleicht Tist mit Tsoll, steuert Lüfter.
Automatisierungspyramide
- Feldebene: Sensoren/Aktoren
- Steuerungsebene: SPS, Maschinensteuerung
- Prozessleitebene: Überwachung/SCADA, Datenerfassung
- Betriebsleitebene: Produktionsnahe Planung (MES)
- Unternehmensleitebene: ERP, Controlling, Aggregation
LAN/WLAN vs. WAN
WLAN
- Reichweite: 20–100 m; Standards: Wi‑Fi 4/5/6/6E/7
- Typische Raten: 100–500 Mbit/s (real)
- Vorteile: geringe Latenz, einfache Einrichtung, keine Datenkosten
- Nachteile: begrenzte Reichweite, Störungen, Standortgebunden
Ethernet (LAN)
- Cat5e bis 1 Gbit/s, Cat6/6a bis 10 Gbit/s, Cat8 bis 25–40 Gbit/s (kurz)
WAN
- Techniken: LTE/5G, NB‑IoT, LoRaWAN, DSL/VDSL, Glasfaser, Satellit, MPLS/SD‑WAN
- Trade‑offs: Kosten/Verfügbarkeit vs. Reichweite/Datenraten
OSI‑Schichten & IoT‑Protokolle
- 7 Anwendung: MQTT, CoAP, HTTP
- 6 Darstellung: TLS, CBOR, JSON, XML
- 5 Sitzung: TLS‑Session, DTLS
- 4 Transport: TCP, UDP
- 3 Netzwerk: IPv6, 6LoWPAN, RPL
- 2 Sicherung: IEEE 802.15.4, Zigbee, BLE
- 1 Physisch: LoRa, NB‑IoT, WLAN, Bluetooth
Merke: Sicherheit (TLS/DTLS) schützt Transport/Anwendung und spannt Schichten 5/6/7.
MQTT – Rollen und Konzepte
- Broker: zentrale Vermittlungsinstanz
- Publisher: sendet an Topic (z. B. sensors/temp)
- Subscriber: abonniert Topics; erhält passende Nachrichten
- QoS: 0 (at most once), 1 (at least once), 2 (exactly once)
- Retained Messages, Wildcards (+, #), Sessions, Auth
Sicherheit im IoT – Best Practices
- Passwort‑Policy, 2FA, Zertifikatsbasierte Authentifizierung
- Verschlüsselung: TLS/SSL, DTLS, sichere Cipher Suites
- Segmentierung: eigenes IoT‑Netz, Zero Trust, Firewall‑Regeln
- Updates/Patch‑Management, Härtung, Secure Boot
- Monitoring/Logging, physische Sicherheit
Häufige Risiken: Standardpasswörter, offene Ports, unsichere Updates, unverschlüsselter Traffic.
Smart Home vs. Smart Factory
- Smart Home: Komfort/Sicherheit/Energie – kleine Skala, Consumer‑Tech
- Smart Factory: Produktivität/Qualität/Skalierung – hohe Datenmengen, IIoT, Robotik, KI
Lasten‑ und Pflichtenheft
- Lastenheft (Kunde): Was ist gefordert? Ziele, Anforderungen, Randbedingungen
- Pflichtenheft (Auftragnehmer): Wie wird umgesetzt? Architektur, Schnittstellen, Tests
DevOps – Konzept & Zyklus
DevOps verbindet Entwicklung und Betrieb zur schnellen, stabilen Wertlieferung.
- Zyklus: Plan → Code → Build → Test → Release → Deploy → Operate → Monitor → Feedback
- Kern: Automatisierung, CI/CD, IaC, Observability, Kultur der Zusammenarbeit
Sensoren – Beispiele
- Temperatur, IR, Feuchte, Ultraschall, Präsenz/PIR, CO2, Licht, Luftdruck, Vibration, Kraft
- Einsatz: Klima/Heizung, Füllstand, Zugang, Qualität, Reinräume, Predictive Maintenance
Mikrocontroller vs. Einplatinencomputer
- MCU (Arduino/ESP32): stromsparend, Echtzeit‑nah, direkte IO – ideal für Sensor/Aktor
- SBC (Raspberry Pi): OS, hohe Rechenleistung, Netzwerk/GUI – ideal für Edge/Server
Industriezeitalter
- 1.0 Mechanisierung (Dampf)
- 2.0 Massenproduktion (Elektrifizierung)
- 3.0 Automatisierung (Elektronik/IT)
- 4.0 CPS/IoT/Smart Factory
Schnell‑Lernplan bis zur Klausur
- Tag 1: CPS/CPPS/IoT/Industrie 4.0, Anwendungsfelder + Sicherheits‑Basics
- Tag 2: Regelung vs. Steuerung, Regelkreis mit Beispielskizze
- Tag 3: LAN/WAN, WLAN‑Standards, WAN‑Techniken; OSI‑Schichten
- Tag 4: IoT‑Protokolle je OSI‑Schicht; MQTT Rollen/QoS
- Tag 5: Automatisierungspyramide; Lasten-/Pflichtenheft; DevOps‑Zyklus
- Tag 6: Wiederholungsfragen, Karteikarten, Mini‑Quiz erstellen
Üben: Regelkreis „Serverraum‑Kühlung“, OSI‑Zuordnung für IoT‑Protokolle, MQTT‑Ablauf (Pub → Broker → Sub) skizzieren.
Self‑Check – Mini‑Quiz
- Was unterscheidet CPS und CPPS? Nenne 2 Beispiele.
- Erkläre Regelung vs. Steuerung an einem Alltagsbeispiel.
- Vervollständige die Automatisierungspyramide von unten nach oben.
- Nenne für jede OSI‑Schicht ein passendes IoT‑Protokoll.
- Ordne WLAN‑Standards (4/5/6/6E/7) und nenne Besonderheiten.
- Welche Rollen gibt es bei MQTT? Was bedeutet QoS 1?
- 3 Maßnahmen zur Absicherung eines IoT‑Geräts im Heimnetz.
- Unterschied Lasten‑ vs. Pflichtenheft in einem Satz.
- Nenne 3 WAN‑Technologien und je einen typischen Einsatzfall.