Bruke en enhetlig plattform med cybersikkerhet til å støtte omfattende Industri 4.0-konnektivitet

En enhetlig Industri 4.0-implementering med cybersikkerhet krever flere tilkoblingsnivåer. Det første tilkoblingsnivået starter på fabrikkgulvet med styring av individuelle enheter, som omfatter maskiner og roboter, sensorer og sporbarhetsløsninger. Det andre tilkoblingsnivået strekker seg til automatisering på mellomnivå med menneske-maskin-interaksjon (MMI) og maskin-til-maskin-kommunikasjon. Det høyeste nivået av konnektivitet forbindes med selskapets IT- og driftsteknologisystemer (OT – operations technology) for å koordinere den generelle logistikken og maksimere effektivitet og produktivitet.

Tilfredsstillelse av ulike tilkoblingsbehov krever en automatiseringsplattform som støtter flere åpne protokoller som EtherCAT, «Safety over EtherCAT» (også kalt «FailSafe over EtherCAT» eller FSoE), «EtherNet Industrial Protocol» (EtherNet/IP), CIP-sikkerhet (CIP – Common Industrial Protocol) og IO-Link for tilkobling av maskiner, maskinstyringer, sensorer, maskinsyn, sikkerhetsenheter og MMI-er.

OPC UA-protokollen (OPC UA – Open Platform Communications Unified Architecture) er nødvendig for å støtte datasammenslåing, deling og sikker synlighet på tvers av virksomheten. Til slutt kreves en programvareplattform som integrerer konfigurasjon, programmering, simulering og overvåking med et intuitivt grensesnitt, slik at teknikere kan administrere prosesskontroll, bevegelse, sikkerhet, maskinsyn og robotikk i ett system.

Artikkelen presenterer først et skjema over tilkoblingsnivåene i Industri 4.0-automatiseringssystemer (figur 1). Den bruker deretter produkteksempler fra Omron Automation til å gå gjennom de ulike automatiseringsnivåene fra IO-Link og intelligent føling til EtherCAT for maskinsyn og maskinstyring i sanntid, EtherNet/IP for fabrikkautomatiseringsnettverk, og hvordan OPC UA kobler fabrikken til bedriftsnettverk på høyere nivå og skyen ved hjelp av MQTT-protokollen (MQTT – Message Queuing Telemetry Transport) og andre standardprotokoller. Den avslutter med å se på hvordan Omrons Sysmac Studio-programvare knytter det hele sammen.

Figur 1: Tilkoblingsnivåer som brukes i Industri 4.0-automatiseringssystemer, fra IO-Link på fabrikkgulvet til MQTT og OPC UA som når frem til bedriftssystemer på høyere nivå og i skyen. (Bildekilde: Omron Automation)

Sikkerhet, sensorer og servoer

På automatiseringsnettverksnivået nærmest fabrikkgulvet, finner vi sensorer, sikkerhetsstyringer, motordrivere og servoer, og disse har spesifikke tilkoblingskrav. IO-Link støtter intelligent føling, og EtherCAT knytter de ulike undersystemene for bevegelse, I/O, sikkerhet og maskinsyn til et maskinnettverk som fungerer i sanntid.

I/O-enheter

Et bredt utvalg av I/O-enheter kreves for å støtte mangfoldet av sensorer i Industri 4.0-fabrikker. Omrons Sysmac NX I/O-enheter inkluderer over 120 modeller og støtter et bredt utvalg av protokoller, deriblant IO-Link for tilkobling til sensorer, og EtherCAT og EtherNet/IP for sammenkobling med bevegelse, sikkerhet, maskinsyn og andre styringer. Disse I/O-enhetene støtter også FSoE-protokollen og CIP-sikkerhetsprotokollen.

Sikkerhetsstyringer

Sikkerhet er viktig under arbeid med fabrikkautomatisering. Omron tilbyr de NX-integrerte sikkerhetsstyringene (NX Integrated Safety Controllers) som støtter robuste sikkerhetssystemer som oppfyller PLe i henhold til EN 13849-1 og SIL3 i henhold til IEC 61508, inkludert FSoE-konnektivitet. I tillegg kan EtherNet/IP-koblingsenheter som NX-EIC202 forbinde NX-integrerte sikkerhetsstyringer med et EtherNet/IP-nettverk for flere leverandører (multivendor network), NX-seriens I/O-enheter og andre sikkerhetsenheter.

Sikkerhetsprosessoren kan styre opptil 128 I/O-enheter for sikkerhet. Sikkerhetsenhetene kan brukes med en hvilken som helst kombinasjon av standard NX I/O-enheter. Ved å øke implementeringshastigheten og -fleksibiliteten ytterligere, kan sikkerhetsprogrammer standardiseres og gjenbrukes effektivt ved hjelp av programorganiseringsenheter (POU – program organization unit) som er definert i IEC 61131 for konstruksjon og drift.

AI-basert maskinsyn

Automatiserte maskinsynsystemer basert på kunstig intelligens (AI – artificial intelligence) kan øke produktiviteten på tvers av et bredt utvalg av Industri 4.0-bruksområder, for eksempel robotveiledning, kodeavlesning og -verifisering, fargeinspeksjon, telling, identifisering av defekter, optisk tegngjenkjenning (OCR – optical character recognition) og optisk tegnverifisering (OCV – optical character verification) og deteksjon av tilstedeværelse/fravær.

Utvikling og implementering av AI-baserte maskinsynsystemer kan være en kompleks og tidskrevende aktivitet. Omrons FH-serie omfatter maskinvaren og programvaren som trengs for å raskt implementere ulike AI-baserte maskinsynkonstruksjoner.

For eksempel kan FH-2050-modellen støtte to kameraer. I tillegg, i likhet med andre modeller i FH-serien, har den et bredt utvalg av tilkoblingsalternativer, deriblant EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, seriell RS-232C og USB (universal serial bus), noe som gjør at den sømløst kan integreres på mange steder i Industri 4.0-fabrikker.

Når det gjelder massetilpasning, et kjennetegn for Industri 4.0-produksjonslinjer, kan automatisert visuell inspeksjon være utfordrende å implementere. Inntil nylig var erfarne menneskelige inspektører pålagt å identifisere produktfeil. I dag har AI nådd et slikt nivå at teknologien kan gjenkjenne objektdetaljer og -defekter – alt fra flekker til riper – like godt som menneskelige inspektører. I tillegg kan AI inkludere maskinlæring for å støtte kontinuerlig forbedring og tilpasning i henhold til nye krav.

Servoer

Servoer og drivenheter er en nødvendig del av Industri 4.0-fabrikker. Omrons 1S-servoteknologi støtter enheter fra 50 W til 15 kW. For eksempel er R88D-1SN15H-ECT-modellen en servostasjon på 1,5 kW som er klassifisert for 200 til 240 Vac med én- og trefaset inngangsstrøm. Den er kompatibel med R88M-1L1K530T-BS2-servoen, og er klassifisert for 1,5 kW og 3000 omdreininger per minutt (rpm) med et dreiemoment på 4,77 newtonmeter (Nm). I likhet med alle andre 1S-servoer, har denne enheten følgende funksjoner:

• 23-biters pulsgiver (enkoder) med høy oppløsning og flere omdreininger (multi-turn)
• Styring for direkte motorbrems med et integrert relé
• Integrerte sikkerhetsfunksjoner
  • Fastkoblet Safe Torque Off (STO) som oppfyller PLe i henhold til EN ISO 13849-1 og SIL3 i henhold til IEC 61508
  • FSoE STO som oppfyller PLd i henhold til EN ISO 13849-1 og SIL2 i henhold til IEC 61508

Både den fastkoblede og FSoE STO-en oppfyller EN61800-5-2(STO). En fastkoblet løsning kan bringe linjen til stillstand ved å kutte hovedstrømmen. FSoE støtter mer nyanserte responser og kan sende en «Safe Operating Stop»-kommando (kommando for trygg driftsstans), som kun bremser motorene i det berørte området. FSoE kan også sende en Safe Stop-kommando (kommando for trygg stans), som stanser motorene når det er nødvendig.

Maskinstyringer

Maskinstyringer som NX1P2-serien fra Omron kan utføre to funksjoner. De kan brukes til å direkte styre ulike servoer og andre maskiner på EtherCAT-nivået for å gi maskinstyring i sanntid, og de kan gi forbindelse til nivået for EtherNet/IP-fabrikkautomatisering.

Disse styringene støtter integrert sekvens- og bevegelsesstyring og kobles til opptil åtte regulerte akser ved å bruke EtherCAT (figur 2). De har også støtte for EtherCAT-styringsnettverk og EtherNet/IP-konnektivitet for sammenkobling til styringer for fabrikkautomatisering. De har spor for to tilleggskort som gir utvidet konnektivitet, inkludert seriell kommunikasjon og analoge I/O-er. Disse styringene overholder programmeringsstandardene i IEC 61131-3 fullt ut for å forenkle og fremskynde idriftsetting.

Figur 2: NX1P-styringer kan bruke EtherCAT-tilkobling til å støtte opptil åtte bevegelsesakser, for eksempel åtte 1S AC-servodrivenheter. (Bildekilde: Omron Automation)

Omrons NX1P er en vesentlig alt-i-ett-styring som kan håndtere avanserte bevegelser, maskinsyn, sikkerhets- I/O, nettverk og IoT-konnektivitet. For mer komplekse maskinstyringskonstruksjoner som kan dra nytte av opptil 254 CIP-sikkerhetstilkoblinger – opptil 62 bevegelsesakser, 256 EtherCAT-noder, EtherNet/IP-porter på 1 Gb/s og OPC UA – kan nettverkskonstruktører bruke Sysmac NX502-styringer.

Avansert maskinstyring

NX502-styringer er egnet for bruk på EtherCAT- og EtherNet/IP-nettverksnivåene, og de inkluderer MQTT-, OPC UA- og SQL-funksjonalitet (SQL – Structured Query Language) for tilkobling til selskapets IT- og OT-systemer og skyen.

NX502-styringer har spor for opptil fire EtherNet/IP-utvidelseskort (EIP) med dataoverføringshastigheter på opptil 1 Gigabit per sekund (Gb/s). Hvert EIP-kort oppretter et undernettverk, noe som øker antallet maskiner som kan styres og segmenterer maskinnettverket fra databasenettverket og fabrikknettverket. Nettverkssegmentering reduserte også risikoen for cyberangrep ved å begrense tilgangen til de forskjellige undernettverkene.

Disse styringene sitter på endepunktet til nettverksarkitekturen og støtter en rekke styrings-, informasjons- og sikkerhetsfunksjoner, deriblant (figur 3):

• Styring
  • Opptil 32 bevegelsesakser med en syklustid på 250 μs
  • Servostyring med opptil 64 akser
  • 80 MB programlagringsplass
  • 260 MB variabel lagringsplass
• Informasjon
  • OPC UA gir sikker konnektivitet for produksjonskjøresystemer (MES – manufacturing execution systems) og systemer for planlegging av bedriftsressurser (ERP – enterprise resource planning)
  • SQL-funksjonalitet støtter rask og pålitelig direktetilgang til databaser og kommunikasjon av produksjonsdata
  • MQTT støtter direkte tilkobling til skyen og sikker datainnsamling
  • EtherNet/IP-porter på opptil 10 x 1 Gb/s for kommunikasjon med høy hastighet og høy kapasitet med utvidelsesenhet
• Sikkerhet
  • Opptil 8 CIP Safety-nettverk for nettverksmodulasjon og sikkerhetsstyring på tvers av produksjonslinjer
  • Opptil 254 FSoE-tilkoblinger for sikkerhet med høy hastighet og høy pålitelighet i store produksjonslinjer

Figur 3: NX502-styringer (midten) kan kombinere alle funksjonene som trengs for å implementere Industri 4.0-automatiseringsnettverk. (Bildekilde: Omron Automation)

Menneske-maskin-interaksjon (MMI)

NA-seriens avanserte programmerbare terminal/MMI gir operatører og nettverksteknikere pålitelig og praktisk tilgang til Sysmac-automatiseringsenheter og -nettverk. Disse terminalskjermene i bredformat har to Ethernet-porter som støtter parallell tilgang til en styringsenhet og vedlikeholdsaktiviteter. De er programmerbare, noe som gjør det enkelt å implementere tilpassede brukergrensesnitt.

Disse MMI-ene er tilgjengelige i størrelser på 7, 9, 12 og 15 tommer (17,8; 22,9; 30,5 og 38,1 cm) for å passe et bredt utvalg av konstruksjoner. Modellene på 12 og 15 tommer har 1280 x 800 piksler, mens modellene på 7 og 9 tommer har 800 x 480 piksler. Operatører som bruker hansker kan bruke den resistive berøringsskjermen, som kan gjøres vanntett ved behov. Funksjonstastene kan programmeres for å forenkle brukerinteraksjoner (figur 4).

Figur 4: Disse programmerbare MMI-ene har to Ethernet-porter og kan gjøres vanntette. (Bildekilde: Omron Automation)

Programvare for nettsikkerhet

Sysmac Studio inkluderer omfattende og cybersikre programvareverktøy for å konstruere, verifisere og drifte industrielle nettverk. Dette gjør det mulig for nettverksteknikere å integrere logikk, bevegelse og drivenheter, robotikk, sikkerhet, visualisering, føling og informasjonsteknologi. Noen viktige funksjoner under konstruksjon og verifisering omfatter (figur 5):

• Automatisk programmering basert på sannhetstabeller med inngangs-, utgangs- og stopptilstander for sikkerhetsenheter
• Brukerdefinert funksjonsblokk (FB) for å støtte hjelpefiler for å beskrive inngangs- og utgangstilstander og programfunksjonalitet, som kan ha forskjellige sikkerhetsnivåer for å beskytte dem mot uautoriserte endringer
• Frakoblet simulering utført på en separat datamaskin uten å koble til faktisk maskinvare
• Funksjonstesting på nett av integrerte sikkerhetsfunksjoner, der testresultater kan skrives ut som en rapport

Figur 5: Sysmac Studio-programvaren gir omfattende støtte for å konstruere, verifisere og drifte Industri 4.0-automatiseringsnettverk. (Bildekilde: Omron Automation)

Sysmac Studio-programvaren støtter også kontinuerlig drift og vedlikehold. Nedetid minimeres ved å bruke et SD-minnekort som inneholder innstillinger for loggingen og en sikkerhetsdatalogg. Disse dataene gjør det mulig for nettverksteknikere å effektivt fastslå årsaken til en uventet systemstans og iverksette nødvendige forebyggende og korrigerende tiltak.

Sikkerhetsenheten gjenoppretter en automatisk omstart av konfigurasjonen for å redusere vedlikehold:

• Gjenopprettingsprogrammer og -innstillinger lagres på et SD-kort i sikkerhetsenheten. Når en sikkerhetsstyringsenhet utskiftes, kan de lagrede programmene og innstillingene raskt kopieres til den nye enheten.
• Når en I/O-enhet for sikkerhet utskiftes, vil en automatisk omstart av konfigurasjonen automatisk laste ned innstillingsdataene til den nye enheten.

Konklusjon

Sysmac-automatiseringsenheter og -programvare fra Omron støtter de komplette tilkoblingsbehovene for Industri 4.0-fabrikkautomatiseringsnettverk. Evnene til disse strekker seg fra IO-Link for tilkobling til sensorer og EtherCAT og EtherNet/IP for sammenkobling med bevegelse, sikkerhet, maskinsyn og andre styringer. De inkluderer støtte for FSoE-protokollen og CIP-sikkerhetsprotokollen. Kraftige styringer og programvare som bruker OPC UA, SQL og MQTT, er tilgjengelige for å koble fabrikknettverket til virksomhetens IT- og OT-systemer, samt skyen.