Brug af en samlet cybersikker platform til at understøtte omfattende Industri-4.0-konnektivitet

En samlet og cybersikker implementering af Industri-4.0 kræver flere niveauer af konnektivitet. Det første niveau af konnektivitet starter på fabriksgulvet med styringen af individuelle enheder, herunder maskiner og robotter, sensorer og sporbarhedsløsninger. Det andet niveau af konnektivitet strækker sig til automatisering på mellemniveau med menneske-maskine-grænseflader (HMI'er) og maskine-til-maskine-kommunikation. Det højeste niveau af konnektivitet er forbundet med virksomhedens informationsteknologi- (IT) og driftsteknologi- (operations technology/OT) systemer for at koordinere den overordnede logistik og maksimere effektiviteten og produktiviteten.

For at opfylde forskellige konnektivitetsbehov kræves en automatiseringsplatform, der understøtter flere åbne protokoller som EtherCAT, Sikkerhed over EtherCAT (også kaldet Fejlsikret - FailSafe - over EtherCAT eller FSoE), EtherNet Industriprotocol (EtherNet/IP), almindelig industriprotokol (Common Industrial Protocol/CIP) sikkerhed, og IO-Link til tilslutning af maskiner, maskinstyringer, sensorer, visionssystemer, sikkerhedsanordninger og HMI'er.

Forenet-arkitektur-protokollen for åben-platform-kommunikationer (Open Platform Communications Unified Architecture/OPC UA) er nødvendig for at understøtte datakonsolidering, deling og sikker synlighed på tværs af virksomheden. Endelig er der brug for en softwareplatform, der integrerer konfiguration, programmering, simulering og overvågning med en intuitiv grænseflade, så ingeniører kan styre processtyring, bevægelse, sikkerhed, vision og robotteknologi i ét system.

Denne artikel præsenterer først et diagram over konnektivitet i Industri-4.0-automatiseringssystemer (figur 1). Derefter bruges produkteksempler fra Omron Automation til at gennemgå de forskellige automatiseringsniveauer fra IO-Link og intelligent sensorik til EtherCAT til visionssystemer og maskinstyring i realtid, EtherNet/IP til fabriksautomatiseringsnetværk, og hvordan OPC UA forbinder fabrikken med virksomhedsnetværk på højere niveau og skyen ved hjælp af Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) og andre standardprotokoller. Den afsluttes med et kig på, hvordan Omrons Sysmac Studio-software binder det hele sammen.

Figur 1: konnektivitet, der bruges i Industri-4.0-automatiseringssystemer, fra IO-Link på fabriksgulvet til MQTT og OPC UA, der når virksomhedssystemer på højere niveau og skyen. (Billedkilde: Omron Automation)

Sikkerhed, sensorer og servoer

På automatiseringsnetværksniveauet tættest på fabriksgulvet findes sensorer, sikkerhedscontrollere, motordrev og servoer, og de har specifikke krav til konnektivitet. IO-Link understøtter intelligent sensorik, og EtherCAT forbinder de forskellige bevægelses-, I/O-, sikkerheds- og visionssubsystemer til et realtidsmaskinnetværk.

I/O-enheder

Det kræver en bred vifte af I/O-enheder at understøtte de mange forskellige sensorer i Industri-4.0-fabrikker. Omrons Sysmac NX I/O-enheder inkluderer over 120 modeller og understøtter en lang række protokoller, herunder IO-Link til tilslutning af sensorer og EtherCAT og EtherNet/IP til sammenkobling med bevægelses-, sikkerheds-, vision- og andre controllere. Disse I/O-enheder understøtter også FSoE- og CIP-sikkerhedsprotokoller.

Sikkerhedscontrollere

Sikkerhed er en afgørende faktor, når man arbejder med fabriksautomatisering. Omron tilbyder NX Integrated Safety Controllers, som understøtter robuste sikkerhedssystemer, der opfylder PLe i henhold til EN 13849-1 og SIL3 i henhold til IEC 61508, herunder FSoE-konnektivitet. Desuden kan EtherNet/IP-koblingsenheder som NX-EIC202 forbinde NX-Integrerede sikkerhedscontrollere med et EtherNet/IP-multivendor-netværk, NX-seriens I/O-enheder og andre sikkerhedsenheder.

Sikkerheds-CPU'en kan styre op til 128 sikkerheds-I/O-enheder. Sikkerhedsenhederne kan bruges med enhver kombination af standard NX I/O-enheder. For at øge implementeringshastigheden og fleksibiliteten yderligere kan sikkerhedsprogrammer standardiseres og genbruges effektivt ved hjælp af programorganisationsenheder (program organization units/POU), der er defineret i IEC 61131 til design og drift.

AI-baseret vision

Automatiserede visionssystemer baseret på kunstig intelligens (AI) kan booste produktiviteten på tværs af en lang række Industri- 4.0-anvendelser som robotstyring, kodelæsning og -verifikation, farveinspektion, tælling, identifikation af defekter, optisk tegngenkendelse (optical character recognition/OCR) og optisk tegnverifikation (optical character verification/OCV) samt registrering af tilstedeværelse/fravær.

Udvikling og implementering af AI-baserede visionssystemer kan være en kompleks og tidskrævende aktivitet. Omrons FH-serie inkluderer den hardware og software, der er nødvendig for hurtigt at kunne implementere forskellige AI-baserede visionsanvendelser.

For eksempel kan modellen FH-2050 understøtte to kameraer. Derudover, ligesom andre modeller i FH-serien har den en lang række konnektivitetsalternativer, herunder EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, seriel RS-232C og universel seriel bus (USB), hvilket gør det muligt for den at passe ind mange steder i Industri-4.0-fabrikker uden problemer.

I tilfælde af massetilpasning, et kendetegn ved Industri-4.0-produktionslinjer, kan automatiseret visuel inspektion være en udfordring at implementere. Indtil for nylig var det nødvendigt med erfarne menneskelige inspektører for at identificere produktfejl. I dag har kunstig intelligens nået et niveau, hvor den kan genkende objektfunktioner og -defekter, lige fra pletter til ridser, lige så godt som menneskelige inspektører. Derudover kan AI inkludere maskinlæring for at understøtte løbende forbedringer og tilpasning til nye krav.

Servoer

Servoer og drev er en integreret del af Industri-4.0-fabrikker. Omrons 1S-servoteknologi understøtter enheder fra 50 W til 15 kW. For eksempel er model R88D-1SN15H-ECT et 1,5 kW servodrev, der er beregnet til 200 til 240 Vac enkelt- og trefaset strømforsyning. Den er kompatibel med R88M-1L1K530T-BS2-servoen, der er beregnet til 1,5 kW og 3.000 omdrejninger pr. minut (rpm) med et drejningsmoment på 4,77 Newtonmeter (Nm). Som alle 1S-servoer er denne enhed udstyret med følgende funktioner:

• Multi-drejning 23-bit indkoder med høj opløsning
• Direkte styring af motorbremsen med et indbygget relæ
• Indbyggede sikkerhedsfunktioner
  • Hardwired sikkert drejningsmoment fra, der opfylder PLe i henhold til EN ISO 13849-1 og SIL3 i henhold til IEC 61508
  • FSoE sikkert drejningsmoment fra (safe torque off/STO), der opfylder PLd i henhold til EN ISO 13849-1 og SIL2 i henhold til IEC 61508

Både hardwired- og FSoE-sikkertdrejningsmoment-fra opfylder EN61800-5-2(STO). En hardwired-løsning kan standse linjen ved at afbryde hovedstrømforsyningen. FSoE understøtter mere nuancerede reaktioner og kan sende en sikkert driftsstop (Safe Operating Stop)-kommando, som kun bremser motorerne i det berørte område. FSoE kan også sende en sikkert stop-kommando, som stopper motorerne, når det er nødvendigt.

Maskincontrollere

Maskincontrollere som NX1P2 -serien fra Omron kan opfylde to funktioner. De kan bruges til direkte styring af forskellige servoer og andre maskiner på EtherCAT-niveauet for maskinstyring i realtid, og de kan give et link op til EtherNet/IP-fabriksautomatiseringsniveauet.

Disse controllere understøtter integreret sekvens- og bevægelseskontrol og kan forbindes til op til otte styrede akser ved hjælp af EtherCAT (figur 2). De har også understøttelse af EtherCAT-kontrolnetværk og EtherNet/IP-konnektivitet til sammenkobling med fabriksautomatiseringscontrollere. De har slots til to optionsprintkort, der giver udvidede konnektivitet, herunder seriel kommunikation og analoge I/O'er. Disse controllere er i fuld overensstemmelse med IEC 61131-3-programmeringsstandarderne for at forenkle og fremskynde idriftsættelsen.

Figur 2: NX1P-controllere kan bruge EtherCAT-konnektivitet til at understøtte op til otte bevægelsesakser, som f.eks. otte 1S-AC-servodrev. (Billedkilde: Omron Automation)

Omrons NX1P er en vigtig alt-i-en-controller, der kan styre avanceret bevægelse, vision, sikkerheds-I/O, netværk og IoT-konnektivitet. Til mere komplekse maskinstyringsanvendelser, der kan drage fordel af op til 254 CIP-sikkerhedsforbindelser, op til 62 bevægelsesakser, 256 EtherCAT-noder, 1 Gbps EtherNet/IP-porte og OPC UA, kan netværksdesignere henvende sig til Sysmac NX502-controllerne.

Avanceret maskinstyring

NX502-controllerne er velegnede til brug på EtherCAT- og EtherNet/IP-netværksniveau, og de inkluderer MQTT, OPC UA og struktureret forespørgselssprog (structured query language/SQL) til tilslutning til virksomhedens IT- og OT-systemer og skyen.

NX502-controllere har plads til op til fire EtherNet/IP (EIP)-udvidelseskort med dataoverførselshastigheder på op til 1 gigabit pr. sekund (Gbps). Hvert EIP-kort opretter et subnet, hvilket øger antallet af maskiner, der kan styres, og segmenterer netværket på maskinniveau fra databasenetværket og netværket på fabriksniveau. Netværkssegmentering reducerede også risikoen for cyberangreb ved at begrænse adgangen til de forskellige subnet.

Disse controllere sidder i toppen af netværksarkitekturen og understøtter en række kontrol-, informations- og sikkerhedsfunktioner, herunder (figur 3):

• Styring
  • Op til 32 bevægelsesakser med 250 μs cyklustid
  • Servostyring med op til 64 akser
  • 80 MB programlager
  • 260 MB variabel lagerplads
• Information
  • OPC UA leverer sikker konnektivitet til MES-systemer (Manufacturing Execution Systems) til produktionsudførelsessystemer og ERP-systemer (Enterprise Resource Planning) til virksomhedsressourceplanlægning.
  • SQL-funktionalitet understøtter hurtig og pålidelig direkte adgang til databaser og kommunikation af produktionsdata
  • MQTT understøtter direkte forbindelse til skyen og sikker dataindsamling
  • Op til 10 x 1 Gbps EtherNet/IP-porte til højhastighedskommunikation med høj kapacitet med udvidelsesenhed
• Sikkerhed
  • Op til 8 CIP-sikkerhedsnetværk til netværksmodularisering og sikkerhedskontrol på tværs af produktionslinjer
  • Op til 254 FSoE-forbindelser til høj hastigheds- og høj pålidelighedssikkerhed i store produktionslinjer

Figur 3: NX502-controllere (i midten) kan kombinere alle de funktioner, der er nødvendige for at implementere Industri-4.0-automatiseringsnetværk. (Billedkilde: Omron Automation)

Menneske-maskine-grænseflade

NA-seriens avancerede programmerbare terminal/HMI giver operatører og netværksingeniører pålidelig og bekvem adgang til Sysmacs automatiseringsenheder og netværk. Disse bredskærmsterminaler har to Ethernet-porte, der understøtter samtidig adgang til en styreenhed og vedligeholdelsesaktiviteter. De er programmerbare, hvilket gør det nemt at implementere brugerdefinerede brugergrænseflader.

Disse HMI'er fås i størrelserne 7", 9", 12" og 15", så de passer til en bred vifte af anvendelsesbehov. 12"- og 15"-modellerne har 1.280 x 800 pixels, mens 7"- og 9"-modellerne har 800 x 480 pixels. Operatører med handsker kan bruge deres resistive touchskærm, som kan gøres vandtæt om nødvendigt. Funktionstasterne kan programmeres til at forenkle brugerinteraktioner (figur 4).

Figur 4: disse programmerbare HMI'er har to Ethernet-porte og kan gøres vandtætte. (Billedkilde: Omron Automation)

Cybersikker software

Sysmac Studio inkluderer omfattende og cybersikre softwareværktøjer til design, verificering og drift af industrielle netværk. Det gør det muligt for netværksdesignere at integrere logik, bevægelse og drev, robotteknologi, sikkerhed, visualisering, sensorik og informationsteknologi. Nogle af de vigtigste funktioner under design og verifikation inkluderer (figur 5):

• Automatisk programmering baseret på sandhedstabeller med indgangs-, udgangs- og stopbetingelser for sikkerhedsanordninger
• Brugerdefineret funktionsblok (FB) til understøttelse af hjælpefiler til beskrivelse af indgangs- og udgangsforhold og programfunktionalitet; kan have forskellige sikkerhedsniveauer for at beskytte dem mod uautoriserede ændringer
• Offline-simulering udført på en separat computer uden at tilslutte den faktiske hardware
• Online funktionstest af integrerede sikkerhedsfunktioner; testresultater kan udskrives som en rapport

Figur 5: Sysmac Studio-software giver omfattende støtte til design, verificering og drift af Industri-4.0-automatiseringsnetværk. (Billedkilde: Omron Automation)

Sysmac Studio-softwaren understøtter også løbende drift og vedligeholdelse. Nedetid minimeres ved hjælp af et SD-hukommelseskort, der indeholder logningsindstillinger og logning af sikkerhedsdata. Disse data gør det muligt for netværksteknikere effektivt at bestemme årsagen til et uventet systemstop og træffe passende forebyggende og korrigerende foranstaltninger.

Sikkerhedsenheden gendanner en automatisk genstart af konfigurationen for at reducere vedligeholdelsen:

• Gendannelsesprogrammer og -indstillinger gemmes på et SD-kort i sikkerhedsenheden. Når en sikkerhedsstyringsenhed udskiftes, kan de lagrede programmer og indstillinger hurtigt kopieres til den nye enhed.
• Når en sikkerheds-I/O-enhed udskiftes, downloader den automatiske genstart af konfigurationen automatisk indstillingsdataene til den nye enhed.

Konklusion

Sysmac-automatiseringsenheder og -software fra Omron understøtter de komplette konnektivitsbehov for Industri-4.0-fabriksautomatiseringsnetværk. Deres muligheder strækker sig fra IO-Link til tilslutning af sensorer og EtherCAT og EtherNet/IP til sammenkobling med bevægelses-, sikkerheds-, vision- og andre controllere. De inkluderer understøttelse af FSoE- og CIP-sikkerhedsprotokoller. Kraftfulde controllere og software, der bruger OPC UA, SQL og MQTT, er tilgængelige for at forbinde fabriksnetværket med virksomhedens IT- og OT-systemer samt skyen.