Blockchain in der Produktion - Ein Ansatz zur manipulationsfreien sowie dezentralen Speicherung von Daten in der Montage von Morgen

Christian Block und Bernd Kuhlenkötter

Die zunehmende Digitalisierung der Produktion führt zu neuen Anforderungen und einem Komplexitätsanstieg im Datenmanagement, welches ein entscheidender Erfolgsfaktor neuer Digitalisierungs- und Organisationskonzepte sein wird. Daten und Anwendungen werden in Zukunft noch stärker dezentralisiert vorliegen, wobei gleichzeitig die Datensicherheit und die Validität der Daten sichergestellt werden müssen. Mit traditionellen Datenbanken lassen sich diese Anforderungen nur schwer umsetzen. Eine erfolgsversprechende Technologie ist die Blockchain, welche seit einigen Jahren im Kontext von Kryptowährungen, wie z. B. Bitcoins, verwendet wird. Jeder Block bildet dabei eine Sammlung von Datensätzen. Diese Datenblöcke sind mathematisch voneinander abhängig, sodass eine Manipulation der Daten ausgeschlossen werden kann. Gleichzeitig agiert die Blockchain über mehrere Rechnerknoten, sodass die Daten auch dezentral vorliegen. In diesem Beitrag wird die Blockchain in einer industriellen Anwendung im Kontext einer Qualitätsdatenerfassung in der Montage dargestellt.

Eines der großen Ziele heutiger Unternehmen ist die Abbildung einer digitalen Fabrik, in der alle Ressourcen vernetzt sind und miteinander agieren, um effizienter sowie flexibler auf Veränderungen, wie z. B. kurzfristige Bestellungen bzw. Auftragsänderungen, Maschinenausfälle oder Qualitätsprobleme, reagieren zu können. Dazu wurden in den letzten Jahren viele neue Systeme entwickelt und Bestandsysteme erweitert. Weitere entscheidende Schritte der Vernetzung sowie Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation im Kontext von Industrie 4.0 sind die Umsetzungen der zwei Faktoren Dezentralität und Autonomie. Auch hierzu bedarf es neuer Systeme, Anpassungen und einer Weiterentwicklung von bestehenden Installationen sowie der Adaption von Technologien in den industriellen Kontext.
Die größtenteils monolithischen Leitsysteme innerhalb der Automatisierungspyramide, das Enterprise-Resource-Planning (ERP) sowie das Manufacturing-Execution-System (MES), sind aktuell zwar modulare, jedoch zentralisierte Systeme, die in den kommenden Jahren dezentralisiert und durch eine Vielzahl vernetzter Dienste in Form einer Service-orientierten Architektur (SOA) ersetzt werden [1]. Kern dieser Systeme sind die Daten, die in Datenbanken abgelegt werden. Diese Datenbanken können unterschiedlich strukturiert sein, sodass die Beziehung der einzelnen Datenelemente z. B. relational oder graphenbasiert modelliert sind. Auch die Datenbankmanagementsysteme (DBMS), wie z. B. Oracle, SAP HANA oder MySQL, die den Zugriff auf die Datenbanken steuern, unterscheiden sich stark. Jedoch erfüllen alle aktuell sich im Betrieb befindlichen Datenbankmodelle sowie DBMS eine entscheidende Eigenschaft von Industrie 4.0 nicht: Die Systeme sind vorwiegend zentral ausgelegt und nicht dezentral. Es existieren zwar Lösungen zur verteilten oder redundanten Datenhaltung, hierfür werden jedoch wiederum weitere Systeme als zentrale Vermittlerinstanzen benötigt. Eine geforderte Dezentralität ist somit nicht erreichbar.
Des Weiteren besitzen die Systeme zwar Zugriffsregulierungen auf die Daten, durch die zentrale Datenhaltung wird das aktuelle, teils singuläre Datenbild jedoch zu jedem Zeitpunkt als valide betrachtet, sodass die Daten kaum vor Manipulation geschützt sind. Die Blockchain bietet hier wesentliche Vorteile.
Exemplarisch soll in diesem Beitrag das produktionsnahe Computer Aided Quality (CAQ) System, eines der MES-Module nach VDI 5600, als Anwendungsszenario für die Blockchain betrachtet werden. In den folgenden Abschnitten wird zunächst die Blockchain-Technologie allgemein und dann das neu entwickelte dezentrale CAQ System, gefolgt von Erweiterungskonzepten, vorgestellt. Mögliche Potenziale des Systems und der Blockchain im Allgemeinen werden im Fazit zusammengefasst.
 


Bild 1: Das grundsätzliche Blockchain-Prinzip mit x+n Blöcken.

Blockchain

Der Begriff Blockchain, welcher in den letzten Jahren vermeintlich als Synonym für Kryptowährungen wie Bitcoin [2] oder Ether, die Währung der Ethereum-Blockchain [3], genutzt wird, steht für eine dezentrale Datenhaltung (im Gegensatz zu bisherigen zentralen Datenbanken). Die Blockchain ist allerdings kein Produkt der Forschung und Entwicklung digitaler Währungen. Die theoretischen Konzepte sind mitunter 30 Jahre alt (vgl. [4]). Das Synonym für Kryptowährungen ist jedoch teils berechtigt, da diese die häufi gste praktische Anwendung dieser Technologie darstellen. Dies belegt auch die Studie „Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale“ des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik [5], welche einen guten Überblick über die Technologie und die Einsatzgebiete der Blockchain vermittelt. Die Blockchain wird primär verwendet, wenn manipulationssichere Datenstrukturen und Transaktionssysteme, wie im Finanzsektor, benötigt werden. Hierbei wird die Technologie so genutzt, dass Vertrauenspersonen oder Mediatoren entfallen können, indem komplexe autonome Konsensmechanismen aktiv sind. Zusätzlich identifi ziert [5] den öffentlichen Sektor und das Internet der Dinge als möglichen Anwendungsfall der Blockchain.
Grundsätzlich steht die Blockchain für eine Kette von Datensätzen, welche als Blöcke bezeichnet werden. Diese Blöcke stehen in Abhängigkeit zueinander. Bild 1 veranschaulicht die prinzipielle Theorie und stellt den Aufbau einer Blockchain sowie die Abhängigkeit der Datensätze grafi sch dar. Jeder Block beginnt mit dem Hashwert des vorherigen Blocks und endet mit seinem eigenen Hashwert. Ein Hashwert ist dabei eine Art digitaler Fingerabdruck eines bestimmten Datensatzes. Wie die Hashwerte berechnet werden, welche Struktur die Daten und welche Größe die Blöcke haben, ist abhängig von der jeweiligen Implementierung.
Darüber hinaus enthält das Konzept eine dezentrale Datenhaltung, bei dem die Daten nicht auf einem Rechner gespeichert werden, sondern auf allen an der Blockchain teilnehmenden Rechnern (Peers), die in einem wie in Bild 2 dargestellten Peer-to-Peer (P2P) Netzwerk miteinander Daten austauschen. Für diese Datenverteilung und -verwaltung benötigt es ebenfalls eine Art DBMS, welches hier nach [5] als Blockchain-System bezeichnet wird.
Diese zwei Faktoren machen die Blockchain sicher und schützen vor einer Manipulation der Datensätze. Zum einen, weil mit einer Änderung eines Datensatzes dieser und die nachfolgenden Datensätze neu berechnet werden müssten. Daher wird die Aneinanderreihung von Datensätzen innerhalb der Blockchain auch als Chain-of-Trust bezeichnet. Zum anderen sind durch die Verteilung der Daten Kopien vorhanden, die gleichzeitig manipuliert werden müssten [6, 7]. Ein weiterer Sicherheitsaspekt kann durch zusätzliche Aufwände (vgl. z. B. Proof-of-Work in [5]) integriert werden.
Grundsätzlich können zwei Blockchain-Arten unterschieden werden: In einer privaten Blockchain, bei denen die Teilnehmer meist bekannt sind, reichen oft schnelle, standardisierte Hashing- Algorithmen, wie z. B. SHA-512, aus. In öffentlichen Blockchains, wie beim Bitcoin, muss der Konsensmechanismus deutlich komplexer sein, um die Daten nicht manipulieren zu können. Die Berechnung eines Hashwerts wird in diesem Kontext auch als Proof-of-Work bezeichnet. Zusätzlich zum reinen Hashing wird ein weiterer Datenbereich (s. g. Nonce) so geändert, dass der resultierende Hashwert eine bestimmte Form erfüllt (z. B. mit einer bestimmten Anzahl von Nullen beginnt). Mehrere sogenannte Miner konkurrieren um die schnelle Berechnung des nächsten Hashwerts des nächsten Blocks. Im Mining-Prozess wird durch ein spezielles Verfahren ein Hashwert mit einer besonderen Struktur berechnet, welche sich ständig ändert, um die Komplexität den steigenden Leistungsfähigkeiten der Rechner anzupassen.
Zur Umsetzung einer Blockchain existiert eine Vielzahl von Frameworks, wie z. B. Ethereum [3], HYPERLEDGER [8] oder MultiChain [9], wobei die einzelnen Frameworks jeweils besondere Themen fokussieren. Die Etherum-Blockchain integriert unter anderem die Solidity Programmiersprache zur Definition von Smart Contracts [3]. Etherum eignet sich somit ideal im Kontext von neuen digitalen Geschäften. Die MultiChain-Implementierung bietet eine offene Architektur zum Aufbau von dezentralen Systemen auf Basis einer Blockchain.


Bild 2: Das dezentrale P2P Blockchain-System.

Dezentrales CAQ-System

Aufgrund der Eigenschaften einer Blockchain eignet sich die Technologie ideal zur Anforderungserfüllung in einem Qualitätsmanagementsystem. In einem solchen System müssen die Daten sicher und manipulationsfrei bzw. nur mit Revisionen nachvollziehbar gespeichert sowie zu jeder Zeit valide sein. Diese Anforderungen steigen, wenn die Qualität eines Produkts in der gesamten Supply-Chain erfasst und gespeichert werden soll bzw. muss und damit eine zunehmende Anzahl von Geschäftspartnern auf solche Daten zugreifen muss [10].
Im Prototyp des Lehrstuhls für Produktionssysteme (LPS) wird der Montageprozess eines Flaschenverschlusses aufgezeichnet. Dabei werden alle Arbeitsschritte durch die Mitarbeiter selbst sowie mittels in den Montagetischen verbauter Sensoren, wie Bar-/QR-Code- Scanner oder NFC-Reader, protokolliert. Dabei werden die benötigten Zeiten, genutzte Maschinen sowie Werkzeuge und Mitarbeiterbeziehungen aufgezeichnet.
Des Weiteren werden das Schrauben-Anzugsmoment und das Ergebnis einer Maßprüfung durch vernetzte Prüfmittel sowie die finale Endprüfung direkt in die Blockchain geschrieben. Die Grundlage zur Beschreibung der Daten bildet die CMSD (Core Manufacturing Simulation Data) Datenstruktur, welche im BMBF-Verbundprojekt SOPHIE genutzt und erweitert wurde. Der Untersuchungsraum ist in Bild 3 dargestellt.
Die Blockchain selbst wurde im ersten Schritt als private Blockchain mit geringen Anforderungen an das Hashing ausgelegt. Zur softwaretechnischen Umsetzung wurde zunächst nicht auf die oben beschriebenen Frameworks zurückgegriffen, da eine Blockchain auch selbst implementiert sowie auf deutlich schlankeren Referenzimplementierungen aufgebaut werden kann. Dies ist vor allem für die ersten Erfahrungen und Erkenntnisgewinne sowie für KMUs aus Kompetenz- und Kostengesichtspunkten von Vorteil. Die erste CAQ-Blockchain wurde auf der Naivechain [11] aufgebaut. Hierbei handelt es sich um eine freie JavaScript basierte, ca. 200 Zeilen lange Blockchain-Implementierung, welche in der JavaScript Laufzeitumgebung Node.js nahezu plattformunabhängig ausgeführt werden kann. Die Daten werden in der Blockchain zwischen den einzelnen Stationen, die mit einem Raspberry Pi ausgestattet sind, und mit am Netzwerk beteiligten Rechnern, z. B. zur Visualisierung und Datenauswertung, ausgetauscht. Zur Kommunikation werden das HTTP Protokoll sowie Socket-Verbindungen zur P2P-Kommunikation genutzt.
 


Bild 3: CAQ-Blockchain in der Montage.

Autonomes Qualitätsmanagementsystem

Basis des dargestellten Systems sind BDEund MDE-Daten, die im MES-Kontext bereits vielfältig erfasst werden und essentielle Eingangsgrößen für Qualitätsdaten bilden [10]. Daher soll das dargestellte System zunächst auf alle Schritte des Produktionsprozesses erweitert werden. Des Weiteren sollen die Erkenntnisse aus dem ersten Prototypen extrahiert und auf eine MultiChain und auf eine Etherum-basierende Blockchain übertragen werden. Zusätzlich ist ein standortübergreifender Datenaustausch geplant, welcher das Supply- Chain-Szenario validieren soll. Hierfür wird die Blockchain auch geöffnet und zur öffentlichen Blockchain, in der Hersteller ihre Produkte eindeutig identifizieren und mit allen relevanten Qualitätsdaten speichern können.
Diese Erweiterungen sind darüber hinaus auch aufgrund sich ändernder Randbedingungen nötig. Durch sinkende Losgrößen bis auf eine Losgröße von 1 werden aktuelle Stichprobenprüfungen nicht mehr möglich sein und jedes Teil wird geprüft. Auch die Prüfvorbereitung wird deutlich zeitintensiver.
Die Blockchain-Technologie in Verbindung mit Smart Contracts ermöglicht hierbei eine ganzheitliche Unterstützung des Qualitätsmanagements. Prozesse zur Qualitäts-Regelung lassen sich durch intelligente digitale Verträge unterstützen und regeln. Dazu sind nach Möglichkeit alle benötigten Daten und Ressourcen zu integrieren. Als Daten können die Konstruktionsdaten herangezogen werden, um die digitalen Verträge zu erstellen. Die Ressourcen sind alle qualitätserbringungsrelevanten Objekte wie z. B. Prüfmittel. Als darauff olgenden Schritt sollen die per Smart Contract getroff enen Entscheidungen dann unter anderem als Trigger für die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) dienen.
So würde ein autonom agierendes Qualitätsmanagementsystem als Assistenzsystem im Total-Quality-Management (TQM) entstehen, welches Unterstützung bei der Datenverarbeitung mit dem Fokus auf die Qualität der Endprodukte bietet und somit am Ende sogar die Prüfkosten (vgl. [5]) senken kann.

Fazit und Ausblick

Die Blockchain ist ein Datenregister, welches durch Abhängigkeit der einzelnen Blöcke vor Veränderungen geschützt ist. Darüber hinaus werden Daten durch die dezentrale Architektur automatisch an die anderen Systeme übertragen. Nachdem die Blockchain aktuell primär im Fokus von Zahlungsströmen und Geschäftsmodellen steht (vgl. auch [12]), wurde die Blockchain-Technologie im vorliegenden Beitrag auf einen Anwendungsfall in der Produktion übertragen. Dabei wurde die Erfassung und Verarbeitung von CAQ-Daten herausgestellt, da erst die Blockchain alle Anforderungen an das Handling von CAQ-Daten erfüllt. Dazu wurde der Aufbau eines dezentralen CAQ-Systems hin zu einem dezentralen und vor allem sicheren Qualitätsinformationssystem dargestellt. Die Blockchain als dezentrale Datenbank bietet viele Vorteile, wird bestehende Systeme aber zeitnah nicht ablösen. Die Blockchain ergänzt die vorhandenen Systeme um eine neue Klasse. Ein reales Beispiel für CAQ Datenaustausch im industriellen Bereich bzw. in Bezug auf den Produktlebenszyklus bildet das Auto. Beispielsweise könnten alle Qualitätsdaten während der Produktion und später bei Wartungsmaßnahmen in eine Checkheft-Blockchain eingetragen werden.
Die Erfahrungen zeigen, dass die Blockchain- Technologie Potenzial im Industrieumfeld hat und in Zukunft vermehrt verwendet werden wird. Vor allem neue Product- Service-Systeme werden von dieser Technologie profitieren. Hierbei sei vor allem auf die angesprochenen Smart-Contracts verwiesen, welche beispielsweise durch die Etherum- Blockchain-Implementierung und die Solidity- Programmiersprache unterstützt werden.
Solche Systeme werden vom LPS in Zukunft im neuen Forschungszentrum für das Engineering Smarter Produkt-Service Systeme (ZESS) [13] erforscht und entwickelt. Grundsätzlich würde sich eine öff entliche Blockchain für das anonyme Speichern von Maschinendaten anbieten. Nur der Anbieter und Kunde bzw. Betreiber besitzen die Schlüssel, um auf die Daten der jeweiligen Anlage zuzugreifen oder diese zuzuordnen. Das Vertrauen auf die Validität der zentral bei einem der Geschäftspartner gespeicherten Daten würde somit in eine dezentrale Datenbank ausgelagert. Ihr volles Potenzial schöpft die Blockchain jedoch erst bei Operationen mit In- und Output-Beziehungen, wie bei monetären Transaktionen oder in Produktionsprozessen, aus. Erweiterte Anwendung fi ndet die Blockchain als vertrauensvoller sowie dezentraler Speicher von Daten, kombiniert mit smarten Verträgen, dann als Steuerungsinstrument Dezentraler Autonomer Organisationen (DAOs).

Schlüsselwörter:

Blockchain, Dezentralität, CAQ-Daten, manipulationsfreie Datenspeicherung

Literatur:

[1] VDI/VDE-Gesellschaft (GMA): Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation. April 2013.
[2] Nakamoto, S.: Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. 2008. URL: https:// bitcoin.org/bitcoin.pdf, Abrufdatum 30.10.2017.
[3] Ethereum Foundation: Ethereum Project. URL: https:// ethereum.org/, Abrufdatum 30.10.2017.
[4] Haber, S.; Stornetta, W.S.: How to time-stamp a digital document. In: Journal of Cryptology 3 (2), 1991.
[5] Schlatt, V.; Schweizer, A.; Fridgen, G.; Urbach, N.: Blockchain: Grundlagen, Anwendungen und Potenziale. Projektgruppe Wirtschaftsinformatik, Fraunhofer FIT, Bayreuth, 2016.
[6] Drescher, D.: Blockchain basics: A non-technical introduction in 25 steps. New York, 2017.
[7] Tapscott, D.; Tapscott, A.: Blockchain revolution: How the technology behind bitcoin is changing money, business, and the world. New York, 2016.
[8] The Linux Foundation: Hyperledger – Blockchain Technologies for Business. URL: https://hyperledger.org/, Abrufdatum 30.10.2017.
[9] Coin Sciences Ltd: MultiChain: Open source private blockchain platform. URL: https:// www.multichain.com/, Abrufdatum 30.10.2017.
[10] Brüggemann, H.; Bremer, P.: Grundlagen Qualitätsmanagement. Wiesbaden, 2012.
[11] Hartikka, L.: lhartikk/naivechain: A blockchain implementation in 200 lines of code. URL: https://github. com/lhar tikk/naivechain, Abrufdatum 30.10.2017.
[12] Morabito, V.: Business Innovation Through Blockchain: The B³ Perspective. Cham 2017.
[13] Kuhlenkötter, B.: Forschungszentrum für das Engineering Smarter Produkt-Service Systeme (ZESS). URL: http:// www.lps.ruhr-uni-bochum. de/zess/, Abrufdatum 30.10.2017.