Blockchain und Industrie 4.0

Die produzierende Industrie hat bereits drei Revolutionen hinter sich, die mit umfassenden Änderungen und Richtungswechseln einhergingen. Die erste industrielle Revolution ermöglichte die Mechanisierung von Industriebetrieben durch Wasser- und Dampfkraft. Mit der zweiten industriellen Revolution kamen Fließbänder und Massenproduktion in die Betriebe.  Die dritte industrielle Revolution hat die Effektiv der Produktion mit Hilfe von Elektronik und IT verbessert. Beispiele dafür sind programmierbare Steuerungen und Automatisierung.

Mit Industrie 4.0 steht die vierte industrielle Revolution an, die auch mit Blockchain-Technologien vorangetrieben werden kann. Im Fokus der Blockchain steht das vertrauensvolle Zusammenarbeiten von Partnern auf einer Plattform. Am Beispiel von Produktionsbetrieben sind das vor allem Lieferanten, Produktion, Partnerunternehmen, Händler und Kunden. Diese können durch Blockchain-Anwendungen miteinander in Verbindung gebracht werden und sicher Daten austauschen. Dadurch kann der komplette Lebenszyklus von Produkten begleitet und weitgehend automatisiert werden.

Viele Unternehmen wollen die kompletten Abläufe im Unternehmen digital abbilden, sodass für jedes Produkt jederzeit nachvollziehbar ist, in welchem Produktionsschritt es sich befindet. Einfach ausgedrückt, soll innerhalb der IT-Infrastruktur ein digitales Abbild der Produktion geschaffen werden, mit dem Daten und Produktion nachvollzogen werden können. Das soll dabei helfen die Effektivität deutlich zu verbessern. Im folgenden Beitrag gehen wir ausführlicher auf die Möglichkeiten von Industrie 4.0 in Zusammenarbeit mit der Blockchain ein.

Smart Contracts in Industrie 4.0

Smart Contracts sind einer der wichtigsten Einsatzgebiete von Blockchain-Technologien. Innerhalb einer Blockchain können Smart Contracts entwickelt werden. Dabei handelt es sich um automatisch ablaufende Vorgänge, mit denen bestimmte Prozesse auch abgerechnet werden können. Vor allem in Lieferketten, bei denen Waren an verschiedenen Standorten von Partnern produziert, gelagert, transportiert und verarbeitet werden, können Smart Contracts für mehr Sicherheit, Geschwindigkeit und Transparenz sorgen. Wenn an einem Knoten der Lieferkette (Supply Chain) ein bestimmter Wert erreicht wird, löst das in der Blockchain für einen anderen Knoten eine Transaktion aus. Dadurch können auch Frachtbriefe digitalisiert werden. Das ermöglicht das fälschungssichere Speichern von Daten, bei gleichzeitiger Nachverfolgbarkeit der Produkte. Es gibt zwar bereits zum Teil die Möglichkeit Frachtdokumente per Mail oder Cloud auszutauschen, allerdings lassen sich diese nicht transparent, fälschungssicher und effektiv nutzen, um eine komplette Lieferkette abzubilden und vor allem nachverfolgen zu können.

MIt Smart Contracts können alle Schritte in einer Wertschöpfungskette präzise nachverfolgt und fälschungssicher gespeichert werden. Für Audits sind diese Daten jederzeit nachvollziehbar. In der Blockchain entstehen dadurch Partnernetzwerke mit automatisierten Bestell- und Abrechnungsvorgängen. Kleine Transaktionen können dadurch genauso effektiv abgewickelt werden, wie größere Abläufe. Dadurch können Kosten deutlich reduziert werden, bei gleichzeitig verbesserter Transparenz. Smart Contracts können zum Beispiel im Internet-of-Things genutzt werden, um Transaktionen für Geräte abzuwickeln.

Industrie 4.0 treibt die Digitalisierung voran

Industrie 4.0 hat zum Ziel eine starke Digitalisierung in der industriellen Produktion zu erreichen. Der Begriff wurde vor allem in Deutschland geprägt, wird aber immer mehr auch international verwendet. Produktionsmaschinen und IT sollen miteinander verschmelzen und eine Einheit bilden, mit der die Prozesse in der Produktion auf eine neue Ebene gehoben werden. In Smart Factories sollen möglichst viele Prozesse digital ablaufen und alle Geräte miteinander vernetzt sein, Daten austauschen und damit die Abläufe beschleunigen, verbessern und günstiger gestalten.

Die Maschinen in der Produktion können dadurch voneinander lernen, Wartungsaufgaben autonom ausführen, Produktionsgüter selbst bestellen, und die dazugehörigen Prozesse sicher dokumentieren und nachvollziehbar, transparent speichern. Die Technik kann so weit gehen, dass Maschinen automatisch Pausen einlegen, um Defekte zu vermeiden oder Instandhaltungspausen selbst intelligent zu steuern. Durch Machine-zu-Maschine-Prozesse (M2M) kommunizieren die einzelnen Geräte und die Infrastruktur im Unternehmen miteinander und bilden eine gemeinsame Wertschöpfungskette.

Autonome Wartung und Maschine-zu-Maschine-Kommunikation mit Blockchain

Gerade im Bereich der autonomen und intelligenten Wartung von Produktionsmaschinen können Verbesserungen in der Produktion erreicht werden. Produktionsausfälle können auf diesem Weg verhindert und Wartungsfenster intelligenter gesteuert werden. Durch M2M können in Smart Factories Produktionsmaschinen automatisiert Wartungspläne erstellen. Auf der einen Seite werden dadurch zu häufige Wartungen vermieden, auf der anderen Seite erhalten Maschinen auch nicht zu wenig Wartung. Zu häufige Wartung reduziert die Produktionszeiten von Maschinen, bei zu geringer Wartung steigt das Risiko eines unkalkulierbaren Produktionsausfalls.

Durch intelligente Wartungspläne können Unternehmen ihre Effektivität deutlich steigern und gleichzeitig Kosten einsparen. Ein Betrieb wird dadurch zum aktiven Handelnden und nicht zum Reagierenden, wenn zum Beispiel eine Produktionsmaschine ausfällt. Durch das umfassende Erfassen von Produktionsdaten und Informationen von Sensoren in den Maschinen können fundierte Wartungspläne erstellt werden. Sensoren können zum Beispiel in einem Internet-of-Things-Netzwerk verbunden werden und Daten austauschen.

Genau hier spielt die Blockchain ihre Stärken aus. Zuallererst sind hier die Themen Sicherheit und Datenschutz zu berücksichtigen. Wohl keine Technologie ist so umfassend für sicheren Datenaustausch geeignet, wie die Blockchain. Mit Blockchain-Anwendungen können alle Daten in Industrie 4.0 sicher und transparent gespeichert werden. Audits sind dadurch einfacher und sicherer. Die Abläufe sind selbst optimierend, werden ständig weiter entwickelt und manipulationssicher gespeichert.

Durch das Schlagwort „Industrie 4.0“ soll klar werden, dass der Umfang und die Auswirkung genauso umfassend sind, wie bei den ersten drei industriellen Revolutionen. Mithilfe der Lösungen für Industrie 4.0 sollen klassische Industriebetriebe, abseits der Hochtechnologie, für die Zukunft umfassend gerüstet werden. Generell entsprechen die verwendeten Technologien in Industrie 4.0, also vor allem Elektronik und IT, denen der dritten industriellen Revolution.

Allerdings sollen diese durch den enormen technologischen Fortschritt in der Computertechnologie für eine weitere, deutliche Verbesserung bei industriellen Betrieben und deren Partnern sorgen. Beispiele dafür sind Einführung von Lösungen zur künstlichen Intelligenz, maschinelles Lernen, Quantencomputer und umfassende Vernetzung aller Geräte. Prozesse, Produktionsmaschinen, Computer und Sensoren tauschen Daten aus und können von Mitarbeitern digital gesteuert, überwacht und analysiert werden. Dadurch ergeben sich Verbesserungen und automatisierte Vorgänge bei Produktion, aber auch in der Wartung der angebundenen Computer.

Mit Assistenzsystemen, wie Virtual Realität (VR) oder Augmented Reality (AR), Smartphones und Tablets sowie autonomen Geräten, werden Mitarbeiter entlastet, können sicherer und schneller arbeiten und erhöhen gleichzeitig ihre Effektivität.

Produktions- und Lieferkette mit der Blockchain verwalten und überwachen

Von der Beauftragung, bis hin zum Übertragen der Daten zu den Produktionsgeräten, der Überwachung der Produktionsschritte, Bestellung der Teile und Transport können nahezu alle Bereiche der Produktion durch Blockchain-Anwendungen abgewickelt werden. Die Seriennummern von Geräten werden erfasst und ermöglichen dadurch eine Nachverfolgung bis hin zum Kunden.

In den Produktionsabläufen lassen sich mit Blockchain-Technologien auch Unterschritte nachverfolgen, zum Beispiel einzelne Vorgänge bei der Verpackung eines Produktes, inklusive Zeitstempel und weiterer Daten. Dadurch kann auch die Qualitätssicherung verbessert werden, da Materialeigenschaften und der Zustand von Produkten mit Sensoren erfasst und in der Blockchain gespeichert und weiterverarbeitet werden können.

Blockchain bringt Industrie 4.0 weiter voran

Bei der Digitalisierung von Produktionsbetrieben und den angehängten Partnern spielt Blockchain natürlich ebenfalls eine große Rolle, da zum Beispiel die Verwaltung und Absicherung von Lieferketten digitalisiert und deutlich effektiver gestaltet werden können. Der Einsatz von Blockchain-Technologien ist ein treibender Technologietrend in der Industrie.

Durch die Möglichkeit Daten sicher zu transportieren und gleichzeitig auch die Lieferung von Waren nachzuverfolgen, stellt die Blockchain vor allem für Unternehmen im Logistikbereich viele Möglichkeiten zur Verfügung. Bereits 2019 haben 17 % aller Unternehmen mit mehr als 500 Mitarbeiter auf Blockchain-Technologien gesetzt. Kleinere Unternehmen haben hier noch einiges an Nachholbedarf.

Die Blockchain-Technologie ist weit mehr, als die Einführung von Kryptowährungen, wie Bitcoin oder Ether. Bei der Einführung war Blockchain vor allem im Finanzsektor beheimatet. Mittlerweile arbeiten Unternehmen aller Größenordnungen und Branchen mit Blockchain-Technologie, Tendenz steigend.

Produktfälschungen lassen sich mit Blockchain-Anwendungen verhindern, Produkte können in der kompletten Lieferkette nachverfolgt werden, mit Smart Contracts können Abrechnungen schnell, transparent und hochsicher abgewickelt werden. Es gibt viele Möglichkeiten und Szenarien für den Einsatz der Blockchain bei der Digitalisierung.

Blockchain verbessert die Digitalisierung und Prozesse im Unternehmen

Unternehmen, die im Rahmen ihrer Vorbereitung Richtung Industrie 4.0 eine starke Digitalisierung einführen wollen, kommen kaum um die Möglichkeiten von Blockchain herum. Bei der Planung einer optimalen Digitalisierungsstrategie sollten die notwendigen Grundlagen für den Einsatz der Blockchain in jedem Fall mit eingeplant werden.

Eine nachträgliche Einbindung ist zwar jederzeit möglich, allerdings bietet eine frühzeitige Integration von Blockchain-Lösungen viele Vorteile. Hard- und Software können frühzeitig auf Blockchain-Anwendungen vorbereitet werden. Prozesse im Unternehmen können durch eine tiefe Integration der Blockchain extrem verbessert und sicherer gestaltet werden. Dazu kommt die Implementation von Sensoren, Netzwerken, Anwendungen und natürlich auch die Erfahrung der beteiligten Mitarbeiter mit dieser Technologie.

Die Prozesse im Unternehmen können durch den Einsatz von Blockchain vollständig digitalisiert werden. Dazu kommen Möglichkeiten zur Digitalisierung von Prozessen, die bisher offline oder nur mühselig digital abgewickelt werden konnten. Hier ergeben sich Mehrwerte und eine mögliche Verbesserung der Wertschöpfungskette, bei gleichzeitiger Kostenreduktion.

Blockchain ist die ideale Technologie, wenn es darum geht unternehmensübergreifende Prozesse in einer Liefer- und Produktionskette zu steuern und zu überwachen. Die Transparenz und Sicherheit von Blockchain-Technologien lassen sich mit herkömmlichem Datenaustausch kaum bis gar nicht erreichen. Dazu kommen nachfolgende Abläufe einer Lieferkette, also wenn Produkte bis zum Kunden nachverfolgt werden können.

Der Lebenszyklus von Produkten und das Internet of Things mit Blockchain verbessern

Mit Blockchain kann der komplette Lebenszyklus von Produkten begleitet und verbessert werden. Das ist natürlich wiederum ideal für Internet-of-Things-Szenarien (IoT). Vor allem hier spielen Transaktionen und Datenaustausch eine wichtige Rolle. Hier kann mit Blockchain-Anwendungen eine sicherere, transparente und kostengünstige Infrastruktur geschaffen werden. Auch Sensoren können Daten mit Blockchain-Technologien austauschen.

Dazu gehören auch Messwerte, die verarbeitet und gespeichert werden müssen. Ein Beispiel dafür ist die Nachverfolgbarkeit der Kühlkette von Produkten oder das Nachverfolgen der Lagerstationen von Medikamenten im Pharmabereich. In den USA werden auf diesem Weg zum Beispiel Medikamente von Krankenhäusern gekauft, deren kompletter Lebenszyklus durch Blockchain-Technologien nachverfolgt werden können.

Auch in der Produktion spielt IoT eine wichtige Rolle. In vielen Produktionsmaschinen sind Sensoren verbaut, deren Daten häufig nicht umfassend und meistens nicht optimal genutzt und gespeichert werden. Blockchain-Anwendungen können die vorhandenen Sensoren mit Informationen von neuen Sensoren und anderen Daten intelligent vernetzen und dadurch Informationen für eine Optimierung des Produktionsbetriebes gewinnen.

Immer mehr Produktionsmaschinen und Geräte in der Wertschöpfungskette sind mit Sensoren ausgestattet und tauschen Daten aus, die mit maschinellem Lernen (ML) und damit künstlicher Intelligenz (KI) verarbeitet werden. Mit Smart Contracts zwischen diesen Maschinen können Transaktionen durchgeführt und überwacht werden, um die Vernetzung in der Produktionskette weiter voranzubringen.

Neue Business Cases und Geschäftsmodelle mit Blockchain in Industrie 4.0

Durch die Verbreitung der Blockchain im Unternehmen gibt es natürlich neue Business Cases und Geschäftsmodelle. Die Implementation der Blockchain-Technologien erfolgt nicht automatisiert, sondern die Prozesse müssen auf Blockchain-Kompatibilität umgestellt werden. Die notwendige IT-Infrastruktur muss ebenfalls geschaffen und eingerichtet werden.

In vielen Fällen wird beim Einsatz von Blockchain-Technologien mit hybriden- oder public-Cloud-Infrastrukturen gearbeitet. Smart Contracts müssen programmiert, Blockchain-Anwendungen müssen im Unternehmen implementiert werden. Auf der anderen Seite können Unternehmen mit Smart Contracts und Kryptowährungen wie IOTA den Zahlungsablauf bei Mikro-Transaktionen durchführen. Das ist beim Einsatz von IoT-Infrastrukturen besonders sinnvoll, da hier viele Geräte miteinander kommunizieren müssen und mit Smart Contracts auch Transaktionen in großer Anzahl abgewickelt werden können.

Durch den Einsatz der Blockchain-Technologie können Unternehmen vertrauensvoll miteinander zusammenarbeiten. Dadurch können neue Partnerschaften entstehen, da die Basis für den Datenaustausch unabhängig, transparent und sicher erfolgen kann. Es sind keine komplexen Abstimmungsprozesse notwendig, sondern neue Partner müssen lediglich in die Blockchain-Infrastruktur mit eingebunden werden.

Es wird auch erwartet, dass im Rahmen der Einführung von Industrie 4.0 immer mehr Unternehmen die Leistung einer Maschine berechnen. Als Grundlage für die Produktionskapazität einer Maschine dient das Messen der Leistung über Sensoren, die mit Blockchain-Technologien Daten austauschen sollen. Die Verrechnung dieser Arbeitsleistung kann automatisiert erfolgen und wird über Smart Contracts abgewickelt. Dadurch wird schnell klar, dass Blockchain-Technologien nicht nur auf einen einzelnen Bereich und eine Branche begrenzt sind, sondern innerhalb einer Wertschöpfungskette an nahezu allen Bereichen sinnvoll eingesetzt werden kann. Je mehr Digitalisierung ein Unternehmen anstrebt, umso höher ist der Nutzen der Blockchain für den Aufbau einer sicheren Kommunikation.

Der Umweltschutz und die Blockchain

Ein weiteres Beispiel für diesen Bereich sind Projekte der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW). Hier wird zum Beispiel ein Projekt mit der Bezeichnung „Hamburger Ei“ entwickelt. Dabei handelt es sich um einen schwimmenden Sensor, der in den Abwasserleitungen der Hansestadt zusammen mit Sensoren, die in den Leitungen verbaut sind, überprüft, wie der Zustand der Rohre ist, der Füllstand, die Temperatur und vieles mehr. Hier steht die Vorsorge im Vordergrund sowie die Wartung der Abwasseranlagen der Stadt. An der HAW Hamburg werden, parallel zu diesem Projekt, weitere Blockchain-Projekte vorangetrieben, mit denen Blockchain-Technologien auch für die Allgemeinheit sinnvoll und wert bringend eingesetzt werden sollen.

Fazit

Die Digitalisierung schreitet in Unternehmen aller Größen und Branchen immer mehr voran. Durch den Ansatz von Industrie 4.0 werden möglichst viele Geräte miteinander vernetzt und tauschen Daten aus, um die Zusammenarbeit weiter zu verbessern. Erfolgt der Datenaustausch über Blockchain-Technologien gewinnen Unternehmen enorm an Vertrauen, da die Sicherheit und Transparenz schon wegen dem Einsatz der Blockchain enorm verbessert werden.

Es lohnt sich bei der Planung und Optimierung der Digitalisierung einen Blick auf die Möglichkeit der Blockchain zu werfen. Im Internet finden sich viele Einsatzszenarien und viele Produkte stehen in diesem Bereich als Open Source zur Verfügung. Das reduziert Lizenzkosten und schafft Unabhängigkeit von Anbietern.