M2M-Kommunikation – wenn Maschinen miteinander sprechen

Anja Wilde und Mathias Eiber

Kooperative Wertschöpfung, orchestriert über eine Blockchain: Am Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Ilmenau wird ein Demonstrator entwickelt, der eine vernetzte Fertigung von der Auftragserstellung bis zum fertigen Produkt ermöglicht. Der Demonstrator koppelt das additive Lichtbogenschweißen mit Thermografie und 3D-Scanverfahren, um eine spanende CNC-Nachbearbeitung produktindividuell zu optimieren. Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Fertigungsprozessen erfolgt dabei auf Basis von Smart Contracts. Smart Contracts steuern den Fertigungsablauf und ermöglichen eine Kommunikation der Maschinen untereinander. Die Daten sind in der Blockchain vor Verlust oder Manipulation geschützt, aber dennoch permanent über das Internet verfügbar. Variable Zugriffsrechte erlauben die Weitergabe der Daten auch an Firmen in einem Partnernetzwerk, so dass eine Fertigung in kooperativen, unternehmensübergreifenden Netzwerken ermöglicht wird.

Industrieunternehmen in Deutschland steht zunehmend starke internationale Konkurrenz gegenüber, die ihre Wettbewerbsposition mittelfristig gefährden kann. Volatile Märkte, knappe Ressourcen und steigende Energiepreise führen zur Notwendigkeit einer Digitalisierung, um Prozesse durch Informations- und Kommunikationstechnologien effizienter zu gestalten [1]. Doch es geht um mehr als die Absicherung der Wettbewerbsfähigkeit. Es geht um die Art, wie wir zukünftig Informationen und Wissen austauschen. Es geht um Vernetzung. In diesem Zusammenhang bietet die Vision der Industrie 4.0 Chancen für eine flexible Produktion und die Verschmelzung der physischen mit der realen Welt [2].

Im Rahmen des Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrums Ilmenau wird eine Demonstrationsumgebung entwickelt, welche eine vernetzte, unternehmensübergreifende Kooperation am Beispiel einer Fertigungskette darstellt. Produkt- und fertigungsbezogene Daten sollen dabei sowohl zwischen den beteiligten Unternehmen, als auch zwischen den einzelnen Prozessen auf Basis der Blockchain-Technologie ausgetauscht werden. Ziel des Demonstrators ist es, die additive Fertigung, einen der Stützpfeiler und Hoffnungsträger der Industrie 4.0 [3], als Teil einer automatisierten Prozesskette darzustellen. Additive Fertigung ist bislang vor allem durch die Notwendigkeit einer spanenden Nachbearbeitung geprägt, um eine Oberflächenqualität vergleichbar zu klassischen Fertigungsverfahren zu erreichen. Diese Nachbearbeitung muss individuell für jedes Werkstück geplant werden, wodurch die eigentliche Stärke der additiven Fertigung – die wirtschaftliche Fertigung in Losgröße Eins – bei der erforderlichen Nacharbeit zum Kostentreiber wird.

Daher wird in der Fertigungskette des Demonstrators eine first-time-right-Fertigung angestrebt. Um dies zu erreichen, müssen Prozessdaten zwischen Maschinen ausgetauscht werden, welche nicht zwangsläufig in demselben Unternehmen stehen müssen. Dazu verwendet der Demonstrator die Blockchain-Technologie als Kommunikations- und Übertragungsmedium.

Bild 1:  Prinzip der Blockchain-Technologie


Die Blockchain als Kommunikationsbasis

Allgemein beinhaltet die Blockchain-Technologie eine dezentrale Datenbank, die eine stetig wachsende Liste von Transaktionsdatensätzen enthält. Diese Datenbank wird immer wieder um eine bestimmte Menge an Transaktionen erweitert. Die Transaktionen oder Daten liegen dabei immer in einem Block. Werden die Blöcke miteinander verbunden, entsteht eine Kette. Somit entsteht der Begriff einer Blockkette bzw. im englischen Blockchain. Ist ein Block vollständig, wird der nächste erzeugt und an die bestehende Kette gehängt. Jeder Block ist dabei über eine Referenz (Hash) mit dem vorherigen Block verbunden (Bild 1).

Da alle Transaktionen in der Blockchain unwiderruflich gespeichert sind, können diese jederzeit zurückverfolgt werden. Das dezentrale Netzwerk zeichnet sich durch Manipulationssicherheit über die Unternehmensgrenzen hinweg aus. Es existieren in dem verteilten Netzwerk (Distributed Ledger) mehrere Duplikate der Blockchain. Diese Duplikate liegen auf jedem Netzwerkknoten. Die Lösung vermeidet Informationsverluste und reduziert die Bearbeitungszeit, was die Folgen von den zwangsläufigen Medienbrüchen einer herkömmlichen Fertigungskette wären.

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