Utilizarea unei platforme unificate cu securitate cibernetică pentru a susține conectivitatea cuprinzătoare a Industriei 4.0

O implementare unificată și cu siguranță cibernetică a Industriei 4.0 necesită mai multe niveluri de conectivitate. Primul nivel de conectivitate începe în fabrică, cu controlul dispozitivelor individuale, inclusiv al mașinilor și roboților, al senzorilor și al soluțiilor de trasabilitate. Cel de-al doilea nivel de conectivitate se extinde la automatizarea de nivel mediu cu interfețe om-mașină (HMI) și comunicare mașină-mașină. Cel mai înalt nivel de conectivitate se leagă la sistemele informatice (IT) și de tehnologie operațională (OT) ale companiei pentru a coordona logistica generală și a maximiza eficiența și productivitatea.

Îndeplinirea diverselor cerințe de conectivitate necesită o platformă de automatizare care acceptă mai multe protocoale deschise, cum ar fi EtherCAT, Safety over EtherCAT (numit și FailSafe over EtherCAT sau FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), Common Industrial Protocol (CIP) Safety și IO-Link pentru conectarea mașinilor, a comenzilor mașinilor, a senzorilor, a sistemelor de vedere, a dispozitivelor de siguranță și a interfețelor om-mașină.

Protocolul Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) este necesar pentru a sprijini consolidarea, partajarea și vizibilitatea securizată a datelor în întreaga întreprindere. În cele din urmă, este nevoie de o platformă software care să integreze configurarea, programarea, simularea și monitorizarea cu o interfață intuitivă, permițând inginerilor să gestioneze controlul procesului, mișcarea, siguranța, vederea și robotica într-un singur sistem.

Acest articol prezintă mai întâi o diagramă a nivelurilor de conectivitate în sistemele de automatizare din Industria 4.0 (Figura 1). Apoi, utilizează exemple de produse de la Omron Automation pentru a trece prin diferitele niveluri de automatizare, de la IO-Link și detecția inteligentă la EtherCAT pentru sistemele de vedere și controlul mașinilor în timp real, EtherNet/IP pentru rețelele de automatizare a fabricilor și modul în care OPC UA conectează fabrica, la rețelele întreprinderii de nivel superior și de cloud, utilizând Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) și alte protocoale standard. Se încheie cu o privire asupra modului în care software-ul Sysmac Studio de la Omron leagă toate acestea.

Figura 1: Nivelurile de conectivitate utilizate în sistemele de automatizare din Industria 4.0, de la IO-Link în fabrică până la MQTT și OPC UA care ajung la sistemele de nivel superior ale întreprinderii și la cloud. (Sursa imaginii: Omron Automation)

Siguranță, senzori și servomotoare

La nivelul rețelei de automatizare cel mai apropiat de fabrică se găsesc senzori, controlere de siguranță, unități de acționare a motoarelor și servomotoare, care au cerințe specifice de conectivitate. IO-Link susține detectarea inteligentă, iar EtherCAT leagă diferitele subsisteme de mișcare, I/O, siguranță și vedere într-o rețea de mașini în timp real.

Unități I/O

Diversitatea senzorilor din fabricile din Industria 4.0 trebuie susținută cu o gamă largă de unități I/O. Unitățile I/O Sysmac NX de la Omron includ peste 120 de modele și acceptă o gamă largă de protocoale, inclusiv IO-Link pentru conectarea la senzori și EtherCAT și EtherNet/IP pentru conectarea cu controlere de mișcare, de siguranță, de vedere și alte controlere. În plus, aceste unități I/O acceptă și protocoalele FSoE și CIP Safety.

Controlere de siguranță

Siguranța este un aspect crucial atunci când se lucrează cu automatizarea fabricilor. Omron oferă controlere de siguranță integrate NX care acceptă sisteme de siguranță robuste care respectă PLe conform EN 13849-1 și SIL3 conform IEC 61508, inclusiv conectivitatea FSoE. În plus, unitățile de cuplare EtherNet/IP, cum ar fi NX-EIC202, pot conecta controlerele de siguranță integrate NX cu o rețea EtherNet/IP cu furnizori multipli, cu unitățile I/O din seria NX și cu alte unități de siguranță.

Unitatea centrală de siguranță poate controla până la 128 de unități I/O de siguranță. Unitățile de siguranță pot fi utilizate cu orice combinație de unități I/O NX standard. Pentru a crește și mai mult viteza și flexibilitatea implementării, programele de siguranță pot fi standardizate și reutilizate în mod eficient, utilizând unitățile de organizare a programelor (POU) definite în IEC 61131 pentru proiectare și operare.

Vedere bazată pe inteligență artificială

Sistemele de vedere automată bazate pe inteligență artificială (AI) pot crește productivitatea într-o gamă largă de aplicații din Industria 4.0, cum ar fi ghidarea roboților, citirea și verificarea codurilor, inspectarea culorilor, numărarea, identificarea defectelor, recunoașterea optică a caracterelor (OCR) și verificarea optică a caracterelor (OCV), precum și detectarea prezenței/absenței.

Dezvoltarea și implementarea sistemelor de vedere bazate pe inteligență artificială poate fi o activitate complexă care durează mult timp. Seria FH de la Omron include componentele hardware și software necesare pentru a implementa rapid diverse aplicații de vedere bazate pe inteligență artificială.

De exemplu, modelul FH-2050 poate accepta două camere. În plus, la fel ca și alte modele din seria FH, se mândrește cu o gamă largă de opțiuni de conectivitate, inclusiv EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, RS-232C serial și magistrală serială universală (USB), ceea ce îi permite să se integreze fără probleme în multe locații din fabricile din Industria 4.0.

În cazul personalizării în masă – un semn distinctiv al liniilor de producție din Industria 4.0 – inspecția vizuală automatizată poate fi dificil de implementat. Până de curând, pentru identificarea defectelor produselor era nevoie de inspectori umani cu experiență. În prezent, inteligența artificială a atins un nivel de capacitate care îi permite să recunoască caracteristicile și defectele obiectelor, de la pete la zgârieturi, la fel de bine ca și inspectorii umani. În plus, AI poate include învățarea automată pentru a sprijini îmbunătățirea continuă și adaptarea la noi cerințe.

Servomotoare

Servomotoarele și acționările sunt parte integrantă a fabricilor din Industria 4.0. Tehnologia de servomotoare 1S de la Omron acceptă unități de la 50 W la 15 kW. De exemplu, modelul R88D-1SN15H-ECT este o servoacționare de 1,5 kW cu o putere de intrare monofazată și trifazată de 200-240 Vc.a. Este compatibil cu servomotorul R88M-1L1K530T-BS2, cu o putere nominală de 1,5 kW și 3.000 de rotații pe minut (rpm) și un cuplu de 4,77 Newton-metri (Nm). La fel ca toate servomotoarele 1S, această unitate dispune de:

• Codificator de înaltă rezoluție pe 23 biți cu spire multiple
• Controlul direct al frânei motorului cu un releu încorporat
• Funcții de siguranță încorporate
  • Oprirea sigură a cuplului prin cablu, îndeplinind cerințele PLe în conformitate cu EN ISO 13849-1 și SIL3 conform IEC 61508
  • Oprirea sigură a cuplului prin FSoE, îndeplinind cerințele PLd în conformitate cu EN ISO 13849-1 și SIL2 conform IEC 61508

Oprirea sigură a cuplului atât prin cablu, cât și prin FSoE respectă EN61800-5-2(STO). O soluție cablată poate opri linia prin întreruperea alimentării principale. FSoE acceptă răspunsuri mai nuanțate și poate trimite o comandă de oprire sigură a funcționării, încetinind motoarele doar din zona afectată. De asemenea, FSoE poate trimite o comandă de oprire sigură, oprind motoarele atunci când este necesar.

Controlere de mașini

Controlerele de mașini, cum ar fi cele din seria NX1P2 de la Omron, pot îndeplini două funcții. Acestea pot fi utilizate pentru a controla direct diverse servomotoare și alte mașini la nivelul EtherCAT de control al mașinilor în timp real și pot asigura o legătură până la nivelul de automatizare a fabricii EtherNet/IP.

Aceste controlere acceptă controlul integrat al secvenței și al mișcării și se conectează la maximum opt axe controlate utilizând EtherCAT (Figura 2). De asemenea, dispun de suport pentru rețeaua de control EtherCAT și conectivitate EtherNet/IP pentru conectarea la controlerele de automatizare din fabrică. Au sloturi pentru două plăci opționale care oferă conectivitate extinsă, inclusiv comunicații seriale și I/O analogice. Aceste controlere sunt în deplină conformitate cu standardele de programare IEC 61131-3 pentru a simplifica și accelera punerea în funcțiune.

Figura 2: Controlerele NX1P pot utiliza conectivitatea EtherCAT pentru a susține până la opt axe de mișcare, precum opt servoacționări 1S AC. (Sursa imaginii: Omron Automation)

NX1P de la Omron este un controler multifuncțional esențial, care poate gestiona mișcarea avansată, vederea, I/O de siguranță, rețelele și conectivitatea IoT. Pentru aplicații mai complexe de control al mașinilor, care pot beneficia de până la 254 de conexiuni CIP Safety, până la 62 de axe de mișcare, 256 de noduri EtherCAT, porturi EtherNet/IP de 1 Gbps și OPC UA, proiectanții de rețele pot alege controlerele Sysmac NX502.

Controlul avansat al mașinii

Controlerele NX502 sunt potrivite pentru utilizarea la nivelul rețelelor EtherCAT și EtherNet/IP și includ capacități MQTT, OPC UA și limbaj de interogare structurat (SQL) pentru conectarea la sistemele IT și OT ale companiei și la cloud.

Controlerele NX502 au sloturi pentru până la patru plăci de expansiune EtherNet/IP (EIP) cu rate de transfer al datelor de până la 1 Gigabit pe secundă (Gbps). Fiecare placă EIP creează o subrețea, mărind numărul de mașini care pot fi controlate și segmentând rețeaua de la nivelul mașinilor de rețeaua bazei de date și de rețeaua de la nivelul fabricii. În plus, segmentarea rețelei reduce riscul de atac cibernetic prin limitarea accesului la diferite subrețele.

Aceste controlere se află în vârful arhitecturii rețelei și susțin o varietate de funcții de control, de informare și de siguranță, inclusiv (Figura 3):

• Control
  • Până la 32 de axe de mișcare cu un ciclu de funcționare de 250 μs
  • Control cu servomotor cu până la 64 de axe
  • 80 MB spațiu de stocare a programului
  • 260 MB spațiu de stocare variabil
• Informații
  • OPC UA oferă conectivitate securizată pentru sistemele de execuție a producției (MES) și sistemele de planificare a resurselor întreprinderii (ERP)
  • Funcționalitatea SQL sprijină accesul direct rapid și sigur la bazele de date și comunicarea datelor de producție
  • MQTT acceptă conectarea directă la cloud și colectarea securizată a datelor
  • Până la 10 porturi EtherNet/IP de 1 Gbps pentru comunicații de mare viteză și capacitate mare cu unitatea de expansiune
• Siguranță
  • Până la 8 rețele CIP Safety pentru modularizarea rețelei și controlul siguranței pe liniile de producție
  • Până la 254 de conexiuni FSoE pentru viteză mare și siguranță de înaltă fiabilitate în liniile mari de producție

Figura 3: Controlerele NX502 (centru) pot combina toate funcțiile necesare pentru implementarea rețelelor de automatizare din Industria 4.0. (Sursa imaginii: Omron Automation)

Interfața om-mașină

Terminalul/HMI programabil avansat din seria NA oferă operatorilor și inginerilor de rețea acces sigur și convenabil la dispozitivele și rețelele de automatizare Sysmac. Aceste terminale cu ecran lat au două porturi Ethernet care permit accesul simultan la un dispozitiv de control și la activitățile de întreținere. Sunt programabile, ceea ce simplifică implementarea unor interfețe de utilizare personalizate.

Aceste HMI-uri sunt disponibile în dimensiuni de 7", 9", 12" și 15" pentru a se potrivi unei game ample de cerințe ale aplicațiilor. Modelele de 12" și 15" au 1.280 x 800 pixeli, în timp ce modelele de 7" și 9" au 800 x 480 pixeli. Operatorii care poartă mănuși pot folosi ecranul tactil rezistiv, care poate fi impermeabilizat, dacă este necesar. Tastele funcționale pot fi programate pentru a simplifica interacțiunile cu utilizatorul (Figura 4).

Figura 4: Aceste interfețe om-mașină programabile dispun de două porturi Ethernet și pot fi făcute impermeabile. (Sursa imaginii: Omron Automation)

Software cu siguranță cibernetică

Sysmac Studio include instrumente software complete și cu siguranță cibernetică pentru proiectarea, verificarea și operarea rețelelor industriale. Acesta permite proiectanților de rețele să integreze tehnologiile logice, de mișcare și acționare, robotică, siguranță, vedere, detectare și informare. Unele capacități cheie în timpul proiectării și verificării includ (Figura 5):

• Programare automată bazată pe tabele cu valori de adevăr cu condiții de intrare, ieșire și oprire a dispozitivelor de siguranță
• Blocuri de funcții definite de utilizator (FB) pentru a sprijini fișierele de ajutor pentru descrierea condițiilor de intrare și ieșire și a funcționalității programului; pot avea diferite niveluri de securitate pentru a le proteja de modificări neautorizate
• Simulare offline realizată pe un computer separat, fără a conecta hardware-ul real
• Testarea funcțională online a funcțiilor de siguranță integrate; rezultatele testelor pot fi afișate sub formă de raport

Figura 5: Software-ul Sysmac Studio oferă un suport complet pentru proiectarea, verificarea și operarea rețelelor de automatizare din Industria 4.0. (Sursa imaginii: Omron Automation)

De asemenea, software-ul Sysmac Studio sprijină operațiunile și întreținerea continuă. Timpul de nefuncționare este redus la minimum cu ajutorul unui card de memorie SD care conține setările de înregistrare și înregistrarea datelor de siguranță. Aceste date le permit tehnicienilor de rețea să determine în mod eficient cauza unei opriri neașteptate a sistemului și să ia măsurile preventive și corective adecvate.

Unitatea de siguranță restabilește o repornire automată a configurației pentru a reduce întreținerea:

• Programele și setările de restaurare sunt stocate pe un card SD din unitatea de siguranță. Atunci când se înlocuiește o unitate de control de siguranță, programele și setările stocate pot fi copiate rapid pe noua unitate.
• Când o unitate I/O de siguranță este înlocuită, la repornirea automată de configurare se descarcă automat datele setărilor în noua unitate.

Concluzie

Dispozitivele de automatizare și software-ul Sysmac de la Omron susțin toate nevoile de conectivitate pentru rețelele de automatizare a fabricilor din Industria 4.0. Capacitățile acestora se extind de la IO-Link pentru conectarea la senzori și EtherCAT și EtherNet/IP pentru conectarea cu controlere de mișcare, de siguranță, de vedere și de alt tip. Acestea includ suport pentru protocoalele FSoE și CIP Safety. Sunt disponibile controlere și programe software puternice care utilizează OPC UA, SQL și MQTT pentru conectarea rețelei fabricii la sistemele IT și OT ale companiei, precum și la cloud.