Daten-Ökosysteme im Maschinenbau Blockchain-Anwendung für den sicheren Datenaustausch im Wertschöpfungsnetzwerk

Von Prof. Dr. Erich Behrendt*

Aufträge können immer häufiger nicht mehr durch einen einzelnen Mittelständler abgedeckt werden. Kann die Bildung von Wertschöpfungsnetzwerken eine Lösung sein und wie sicher sind die wertvollen Daten der einzelnen Unternehmen in diesen Ökosystemen?

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Erfolgreicher Projektabschluss: eine auf der Blockchain basierte Modulplattform für den sicheren Datenaustausch.
Erfolgreicher Projektabschluss: eine auf der Blockchain basierte Modulplattform für den sicheren Datenaustausch.
(Bild: Nico Piepenstock/Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards)

So reizvoll und teils sogar alternativlos der Ökosystem-Gedanke auch sein mag, ohne vertrauenswürdige Infrastrukturen für Datenaustausch und Datennutzung geht hier gar nichts. Stehen diese jedoch zur Verfügung, können Mittelständler Ressourcen so bündeln, dass die Innovationsführerschaft sichergestellt ist und sogar neue Geschäftsmodelle etabliert werden können. Das Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards führte vor diesem Hintergrund ein Verbundumsetzungsprojekt durch.

Für den Sondermaschinenbauer Wichelhaus GmbH & Co. KG aus Solingen ging es vor allem darum, einen 360°-Blick auf die Produktion zu erhalten. Dazu sollten nicht nur Maschinendaten analysiert werden, sondern auch Daten des ERP-Systems und der Energiekostenabrechnung. Diese Bestrebungen wurden allerdings durch fehlende technische Sicherheitslösungen sowie durch den Mangel an Standards und Normen, die Mechanismen der Zusammenarbeit festlegen und die Interoperabilität und Vernetzung heterogener Systeme ermöglichen, begrenzt.

Im Rahmen eines Verbundumsetzungsprojekts mit dem Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards, einer Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klima, suchte Wichelhaus nach einer auf die besonderen Bedürfnisse kleiner und mittlerer Unternehmen abgestimmte Lösung, die mit einem geringen Implementierungs- und Wartungsaufwand bei höchstmöglicher IT-Sicherheit einhergeht.

Informationen aus ERP-Systemen und Energiekostenabrechnungen werden dabei von dritten Systemen bereitgestellt und enthalten Daten, die über das tatsächlich benötigte Maß hinausgehen, zum Beispiel komplette Stromabrechnungen. Für den Datentransfer wurde im Projekt eine praktikable, plattformunabhängige Lösung für die sichere Datenkommunikation ausgearbeitet. Jörg Demtröder, Geschäftsführer von Wichelhaus & Co. bringt die Projektziele auf den Punkt: „Wir haben immer mehr Daten, die wir vernetzt auswerten müssen. Aber es fehlt das Vertrauen in die IT-Sicherheit. Die Angst, dass Daten abgegriffen werden, ist groß. Der Wert der Maschinen steckt heutzutage hauptsächlich in Software und Daten.“

Ablauf: Nutzung des sicheren Datenraums
Ablauf: Nutzung des sicheren Datenraums
(Bild: Ralf Keuper)

Gewährleistet wird der sichere Datenaustausch durch das Zusammenspiel verschiedener Partner und Lösungen, wie der nachfolgend skizzierte Ablauf zeigt.

Ablauf zur Nutzung des sicheren Datenraums

  • 1. Anmeldung, Verifizierung und Zulassung der berechtigten Personen
  • 2. Upload der Dateien/Anhänge über VPN im Portal durch den Maschinenbetreiber/clientseitige Verschlüsselung
  • 3. Datenübertragung (Textnachrichten) mittels Messenger im Portal durch den Maschinenbetreiber
  • 4. Verschlüsselung der Daten auf dem Server und dem Client
  • 5. Parallel automatische Speicherung in Datencloud
  • 6. Versand und Signatur der Dateien, Speicherung der Hashwerte in einer Blockchain
  • 7. Prüfung der Zugriffsberechtigung und Nutzungsbedingungen
  • 8. Bereitstellung/Abruf der Daten

Sobald, wie im Beispiel, ein Maschinenbetreiber seine Umfeld- und ERP-Daten auf die Plattform hochlädt, werden sie noch auf dem Client verschlüsselt. Bei der Übertragung werden die Daten zusätzlich verschlüsselt und signiert. Beim Datenzugriff werden die Nutzungsbedingungen durch ein in Smart-Contracts hinterlegtes Regelwerk überprüft.

Auf dieser Basis lassen sich mehrere Anwendungsfälle auch in anderen Branchen umsetzen.

Vielfältige Anwendungsfelder im Maschinenbetrieb: Kollaboratives Condition Monitoring

Beim kollaborativen Condition Monitoring werden auf einer Datenbasis, die sich aus den Daten mehrerer Hersteller und Betreiber zusammensetzt, wiederkehrende Muster im Verhalten einzelner Komponenten erkannt. Daraus können dann unter anderem Prognosen zum Verschleiß einer Maschine abgeleitet werden. Der Mehrwert aus den Daten entsteht, wenn durch die Korrelationen zwischen den Daten Zusammenhänge sichtbar werden, die ein Hersteller oder Betreiber allein auf Grundlage seiner Daten nicht hätte erkennen können.

Die Hersteller profitieren davon, dass ihnen angereicherte Daten zum Betriebsverhalten ihrer Geräte zurückgespielt werden, wie beispielsweise Temperatur- oder Umfelddaten. Der Betreiber wiederum kann damit ungeplante Stillstände verhindern, indem er ausfallgefährdete Maschinen und Komponenten rechtzeitig repariert beziehungsweise austauscht. Den Service rechnet der Maschinenhersteller auf Basis eines Pay-per-Use-Modells ab, in Abhängigkeit von der Anzahl der angeschlossenen Maschinen und vom Datenvolumen. Neben Maschinenherstellern und Maschinenbetreibern sind Komponenten- und Sensorhersteller weitere potenzielle Teilnehmer des Wertschöpfungsnetzwerkes.

Produktionsplanung und Nachhaltigkeit

Viele mittelständische Unternehmen wickeln ihre Produktionsplanung immer noch über Excel-Listen ab. Mit der Zunahme des Produktportfolios und der Projekte erweist sich diese Methode als unwirtschaftlich. Nicht selten kommt es zu langen Durchlaufzeiten, Skaleneffekte bleiben ungenutzt. Ohne eine Optimierung des Planungsprozesses und der Produktionsprozesse bleibt es bei diesem unbefriedigenden Zustand.

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Der Produktionsprozess wird durch Sensoren überwacht. Die Daten aus den ERP- und MES-Systemen zur Verfügbarkeit und Produktivität einer Anlage sowie zur Qualität von Produkt und Prozesses werden dabei über den sicheren Datenraum zur weiteren Analyse an Serviceplattformen, wie zum Beispiel Guard 2B von Wichelhaus, übermittelt. Algorithmen ermitteln den effizienten Ablauf und ermöglichen eine durchgängige Orchestrierung der Prozesse. Dadurch können der Material- und Mitarbeitereinsatz optimiert und unnötiger Verschleiß verhindert werden.

Optimales Energiemonitoring

Zu den Energieverbrauchern in der Fertigung gehören Maschinen, Produktionslinien, Förderbänder, Motoren, Heizung und Klimageräte, Warmwassergeräte, Notstromgeneratoren sowie die Beleuchtung. Beim Energiemonitoring werden über Sensoren permanent relevante Maschinendaten erfasst und gespeichert. Dazu zählen der aktuelle Energie- beziehungsweise Stromverbrauch der Maschine, die Maschinentemperatur, die lokale Umgebungstemperatur und weitere maschinenspezifische Kennzahlen. Das Ziel ist es, Verbrauchsspitzen vorauszusagen und Vorschläge zur Erhöhung der Effizienz und zur Senkung des Energieverbrauchs zu machen. Das kann alle Komponenten, Geräte, Maschinen, Anlagen, Fahrzeuge und Gebäudeteile, betreffen, die in irgendeiner Form Energie verbrauchen.

Die Maschinen-, Umfeld-, Energie- und Temperaturdaten werden aus den entsprechenden Systemen, wie MES, SPS, ERP, und Sensoren über den sicheren Datenraum zur weiteren Analyse an Service-Plattformen übertragen. Algorithmen leiten auf Basis dieser Daten Prognosen ab, um den Energieverbrauch zu senken und Stillstandzeiten zu vermeiden. Neben den Betreibern von Service-Plattformen, Maschinenherstellern, Maschinenbetreibern oder Sensorherstellern können weitere Akteure, wie Energieerzeuger und Hersteller von Automatisierungslösungen, hinzukommen.

Fazit: Modulplattform vielseitig einsetzbar

Nach fast einem Jahr Projektlaufzeit zeigt sich Jörg Demtröder zufrieden: „Das Projekt bot uns die Möglichkeit, in einem breiten Fachkreis eine Modulplattform zu erarbeiten, an deren Ende eine einfache, systemunabhängige Anwendung steht, die wir in unserer IOT-Modulreihe unseren Kunden anbieten können. Die hier unter Begleitung des Kompetenzzentrums eStandards entwickelte Lösung kann von beliebigen Anbietern, Partnern, Nutzern in Wertschöpfungsnetzwerken übernommen werden.“

Hintergrundinformation Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards

Das Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards gehört zu Mittelstand-Digital. Mit Mittelstand-Digital unterstützt das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz die Digitalisierung in kleinen und mittleren Unternehmen und dem Handwerk.
Das Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards zeigt kostenlos und anbieterneutral, wie Unternehmen mit Hilfe von Standards nachhaltige und digitale Geschäftsideen entwickeln und in die Praxis umsetzen können. Getragen wird das Kompetenzzentrum von einem Zusammenschluss der Partner der Hagenagentur Ges. für Wirtschaftsförderung, Stadtentwicklung, Tourismus mbH, des Collaborating Centre on Sustainable Consumption and Production gGmbH, des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik (FIT) Sankt Augustin und des Fraunhofer-Zentrums für Internationales Management und Wissensökonomie (IMW) unter der Konsortialführerschaft der GS1 Germany GmbH.

Weitere Informationen

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt erschienen.

* Erich Behrendt ist Fachreferent Evaluation im Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards.

* Ansprechpartnerin: Jana Behr ist Leiterin der Öffentlichkeitsarbeit beim Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum eStandards in 50825 Köln, Tel +49 221 94714 421, behr@kompetenzzentrum-estandards.digital, www.kompetenzzentrum-estandards.digital.

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