Een uniform cyberbeveiligingsplatform gebruiken om uitgebreide Industry 4.0-connectiviteit te ondersteunen

Voor een uniforme en cyberveilige Industry 4.0-implementatie zijn meerdere connectiviteitsniveaus nodig. Het eerste niveau van connectiviteit begint op de fabrieksvloer met de besturing van individuele apparaten, waaronder machines en robots, sensoren en traceerbaarheidsoplossingen. Het tweede niveau van connectiviteit strekt zich uit tot mid-level automatisering met mens-machine interfaces (HMI's) en machine-naar-machine communicatie. Het hoogste niveau van connectiviteit is gekoppeld aan de informatietechnologie (IT) en operationele technologiesystemen (OT) van het bedrijf om de algehele logistiek te coördineren en de efficiëntie en productiviteit te maximaliseren.

Om aan de uiteenlopende connectiviteitsbehoeften te kunnen voldoen, is een automatiseringsplatform nodig dat meerdere open protocollen ondersteunt, zoals EtherCAT, Safety over EtherCAT (ook wel FailSafe over EtherCAT of FSoE genoemd), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), CIP Safety (Common Industrial Protocol) en IO-Link voor het aansluiten van machines, machinebesturingen, sensoren, vision-systemen, veiligheidsapparatuur en HMI's.

Het Open Platform Communications Unified Architecture-protocol (OPC UA) is nodig om gegevensconsolidatie, -deling en veilige zichtbaarheid in de hele onderneming te ondersteunen. Tot slot is er een softwareplatform nodig dat configuratie, programmering, simulatie en monitoring integreert met een intuïtieve interface, zodat ingenieurs procesbesturing, beweging, veiligheid, vision en robotica in één systeem kunnen beheren.

In dit artikel wordt eerst een diagram gepresenteerd van de connectiviteitsniveaus in Industry 4.0-automatiseringssystemen (Afbeelding 1). Vervolgens worden productvoorbeelden van Omron Automation gebruikt om de verschillende automatiseringsniveaus te doorlopen, van IO-Link en intelligente detectie tot EtherCAT voor vision-systemen en real-time machinebesturing, EtherNet/IP voor fabrieksautomatiseringsnetwerken en hoe OPC UA de fabriek koppelt aan bedrijfsnetwerken op een hoger niveau en de cloud met behulp van Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) en andere standaardprotocollen. Er wordt afgesloten met een blik op hoe de Sysmac Studio-software van Omron dit alles samenbrengt.

Afbeelding 1: Connectiviteitsniveaus die worden gebruikt in Industry 4.0-automatiseringssystemen, van IO-Link op de fabrieksvloer tot MQTT en OPC UA die hogere bedrijfssystemen en de cloud bereiken. (Bron afbeelding: Omron Automation)

Veiligheid, sensors en servo's

Op het automatiseringsnetwerkniveau dat het dichtst bij de fabrieksvloer ligt, bevinden zich sensors, veiligheidscontrollers, motoraandrijvingen en servo's die specifieke connectiviteitsvereisten hebben. IO-Link ondersteunt intelligente detectie en EtherCAT verbindt de verschillende motion-, I/O-, veiligheids- en vision-subsystemen tot een real-time machinenetwerk.

I/O-units

Er is een breed scala aan I/O-units nodig om de verscheidenheid aan sensoren in Industry 4.0-fabrieken te ondersteunen. De Sysmac NX I/O-units van Omron omvatten meer dan 120 modellen en ondersteunen een breed scala aan protocollen, waaronder IO-Link voor aansluiting op sensoren en EtherCAT en EtherNet/IP voor koppeling met motion-, veiligheids-, vision- en andere controllers. Deze I/O-units ondersteunen ook FSoE- en CIP Safety-protocollen.

Veiligheidscontrollers

Veiligheid is van cruciaal belang bij het werken met fabrieksautomatisering. Omron biedt de NX Integrated Safety Controllers die robuuste veiligheidssystemen ondersteunen die voldoen aan PLe volgens EN 13849-1 en SIL3 volgens IEC 61508, inclusief FSoE-connectiviteit. Bovendien kunnen EtherNet/IP-couplers zoals de NX-EIC202 NX Integrated Safety Controllers koppelen met een EtherNet/IP multivendor-netwerk, de NX-serie I/O-units en andere veiligheidsunits.

De veiligheids-CPU kan maximaal 128 veiligheids-I/O-units besturen. De veiligheidsunits kunnen worden gebruikt met elke combinatie van standaard NX I/O-units. Om de implementatiesnelheid en flexibiliteit verder te verhogen, kunnen veiligheidsprogramma's worden gestandaardiseerd en efficiënt worden hergebruikt met behulp van program organization units (POU's) die zijn gedefinieerd in IEC 61131 voor ontwerp en werking.

AI-gebaseerde visie

Op kunstmatige intelligentie (AI) gebaseerde geautomatiseerde vision-systemen kunnen de productiviteit verhogen in een breed scala van Industry 4.0-toepassingen, zoals robotbesturing, lezen en verifiëren van codes, kleurinspectie, tellen, defectidentificatie, optische tekenherkenning (OCR) en optische tekenverificatie (OCV), en aanwezigheids-/afwezigheidsdetectie.

Het ontwikkelen en implementeren van AI-gebaseerde vision-systemen kan een complexe en tijdrovende bezigheid zijn. De FH-serie van Omron bevat de hardware en software die nodig is om verschillende AI-gebaseerde vision-toepassingen snel te implementeren.

Het model FH-2050 kan bijvoorbeeld twee camera's ondersteunen. Net als de andere modellen in de FH-serie beschikt de FH bovendien over een groot aantal aansluitmogelijkheden, waaronder EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, serieel RS-232C en universele seriële bus (USB), waardoor de FH naadloos kan worden ingepast op veel locaties in Industry 4.0-fabrieken.

In het geval van mass customization, een kenmerk van Industry 4.0-productielijnen, kan geautomatiseerde visuele inspectie een uitdaging zijn om te implementeren. Tot voor kort waren ervaren menselijke inspecteurs nodig om productdefecten te identificeren. Vandaag de dag heeft AI een niveau bereikt waarop het objectkenmerken en defecten, variërend van vlekken tot krassen, net zo goed kan herkennen als menselijke inspecteurs. Daarnaast kan AI machine learning omvatten om continue verbetering en aanpassing aan nieuwe vereisten te ondersteunen.

Servo's

Servo's en aandrijvingen vormen een integraal onderdeel van Industry 4.0-fabrieken. De 1S-servotechnologie van Omron ondersteunt eenheden van 50 W tot 15 kW. Model R88D-1SN15H-ECT is bijvoorbeeld een 1,5 kW servoaandrijving die geschikt is voor 200 tot 240 Vac enkelfasig en driefasig ingangsvermogen. Deze is compatibel met de R88M-1L1K530T-BS2-servo, die een vermogen heeft van 1,5 kW en 3000 omwentelingen per minuut (rpm) met een koppel van 4,77 Newtonmeter (Nm). Net als alle 1S-servo's heeft deze unit:

• Multi-turn 23-bits encoder met hoge resolutie
• Directe motorrembesturing met ingebouwd relais
• Ingebouwde veiligheidsfuncties
  • Hardwired veilig uitschakelmoment dat voldoet aan PLe volgens EN ISO 13849-1 en SIL3 volgens IEC 61508
  • FSoE veilig uitschakelmoment dat voldoet aan PLd volgens EN ISO 13849-1 en SIL2 volgens IEC 61508

Zowel de hardwired als de FSoE veilig uitschakelmoment voldoen aan EN61800-5-2(STO). Een hardwired oplossing kan de lijn tot stilstand brengen door de hoofdstroom uit te schakelen. FSoE ondersteunt meer genuanceerde reacties en kan een Safe Operating Stop commando sturen, waarbij alleen de motors in het betreffende gebied worden afgeremd. FSoE kan ook een Safe Stop-commando sturen om de motors te stoppen wanneer dat nodig is.

Machinecontrollers

Machinecontrollers zoals de NX1P2-serie van Omron kunnen twee functies vervullen. Ze kunnen worden gebruikt om diverse servo's en andere machines rechtstreeks aan te sturen op het EtherCAT-niveau van real-time machinebesturing, en ze kunnen een link vormen naar het EtherNet/IP-fabrieksautomatiseringsniveau.

Deze controllers ondersteunen geïntegreerde sequentie- en motion control en maken via EtherCAT verbinding met maximaal acht bestuurde assen (Afbeelding 2). Ze beschikken ook over EtherCAT-besturingsnetwerkondersteuning en EtherNet/IP-connectiviteit voor koppeling met fabrieksautomatiseringscontrollers. Ze hebben sleuven voor twee optieborden voor uitgebreide connectiviteit, inclusief seriële communicatie en analoge I/O's. Deze controllers voldoen volledig aan de IEC 61131-3 programmeerstandaarden om de inbedrijfstelling te vereenvoudigen en te versnellen.

Afbeelding 2: NX1P-controllers kunnen EtherCAT-connectiviteit gebruiken om maximaal acht bewegingsassen te ondersteunen, zoals acht 1S AC-servoaandrijvingen. (Bron afbeelding: Omron Automation)

De NX1P van Omron is een essentiële alles-in-één controller die geavanceerde motion, vision, veiligheids-I/O, netwerken en IoT-connectiviteit kan beheren. Voor complexere machinebesturingstoepassingen die kunnen profiteren van maximaal 254 CIP-veiligheidsverbindingen, maximaal 62 bewegingsassen, 256 EtherCAT-knooppunten, 1 Gbps EtherNet/IP-poorten en OPC UA, kunnen netwerkontwerpers zich wenden tot de Sysmac NX502-controllers.

Geavanceerde machinebesturing

De NX502-controllers zijn geschikt voor gebruik op EtherCAT- en EtherNet/IP-netwerkniveaus en beschikken over MQTT, OPC UA en structured query language (SQL) voor verbinding met de IT- en OT-systemen en de cloud van het bedrijf.

NX502-controllers hebben sleuven voor maximaal vier EtherNet/IP (EIP) uitbreidingsborden met gegevensoverdrachtssnelheden tot 1 Gigabit per seconde (Gbps). Elk EIP-bord creëert een subnet, waardoor het aantal machines dat kan worden bestuurd toeneemt en het netwerk op machineniveau wordt gescheiden van het databasenetwerk en het netwerk op fabrieksniveau. Netwerksegmentatie verminderde ook het risico op cyberaanvallen door de toegang tot de verschillende subnetten te beperken.

Deze controllers vormen de top van de netwerkarchitectuur en ondersteunen verschillende besturings-, informatie- en veiligheidsfuncties, waaronder (Afbeelding 3):

• Besturing
  • Tot 32 bewegingsassen met cyclustijd van 250 μs
  • Servobesturing met maximaal 64 assen
  • 80 MB programmaopslag
  • 260 MB variabele opslag
• Informatie
  • OPC UA biedt veilige connectiviteit voor MES-systemen (Manufacturing Execution Systems) en ERP-systemen (Enterprise Resource Planning).
  • SQL-functionaliteit ondersteunt snelle en betrouwbare directe toegang tot databases en communicatie van productiegegevens
  • MQTT ondersteunt directe verbinding met de cloud en veilige gegevensverzameling
  • Tot 10 x 1 Gbps EtherNet/IP-poorten voor snelle communicatie met hoge capaciteit met uitbreidingsunit
• Veiligheid
  • Tot 8 CIP-veiligheidsnetwerken voor netwerkmodularisatie en veiligheidscontrole over productielijnen heen
  • Tot 254 FSoE-verbindingen voor hoge snelheid en zeer betrouwbare veiligheid in grote productielijnen

Afbeelding 3: NX502-controllers (midden) kunnen alle functies combineren die nodig zijn voor de implementatie van Industry 4.0-automatiseringsnetwerken. (Bron afbeelding: Omron Automation)

Mens-machine-interface

De NA-serie geavanceerde programmeerbare terminal/HMI biedt operators en netwerktechnici betrouwbare en handige toegang tot Sysmac-automatiseringsapparaten en -netwerken. Deze breedbeeldterminals hebben twee Ethernetpoorten voor gelijktijdige toegang tot een besturingsapparaat en onderhoudsactiviteiten. Ze zijn programmeerbaar, waardoor het eenvoudig is om aangepaste gebruikersinterfaces te implementeren.

Deze HMI's zijn verkrijgbaar in de maten 7", 9", 12" en 15" voor een breed scala aan toepassingsbehoeften. De 12-inch en 15-inch modellen hebben 1.280 x 800 pixels, terwijl de 7-inch en 9-inch modellen 800 x 480 pixels hebben. Operators met handschoenen aan kunnen het resistieve aanraakscherm gebruiken, dat indien nodig waterdicht kan worden gemaakt. De functietoetsen kunnen worden geprogrammeerd om gebruikersinteracties te vereenvoudigen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Deze programmeerbare HMI's hebben twee ethernetpoorten en kunnen waterdicht worden gemaakt. (Bron afbeelding: Omron Automation)

Cyberveilige software

Sysmac Studio bevat uitgebreide en cyberveilige softwaretools voor het ontwerpen, verifiëren en beheren van industriële netwerken. Het stelt netwerkontwerpers in staat om logica, beweging en aandrijving, robotica, veiligheid, visualisatie, detectie en informatietechnologieën te integreren. Enkele belangrijke mogelijkheden tijdens ontwerp en verificatie zijn (Afbeelding 5):

• Automatisch programmeren op basis van waarheidstabellen met ingangs-, uitgangs- en stopvoorwaarden van veiligheidsvoorzieningen
• Door gebruiker gedefinieerde functieblokken (FB) ter ondersteuning van helpbestanden om invoer- en uitvoercondities en programmafunctionaliteit te beschrijven; kunnen verschillende beveiligingsniveaus hebben om ze te beschermen tegen ongeautoriseerde wijzigingen
• Offline simulatie uitgevoerd op een aparte computer zonder echte hardware aan te sluiten
• Online functioneel testen van geïntegreerde veiligheidsfuncties; testresultaten kunnen als rapport worden uitgevoerd

Afbeelding 5: Sysmac Studio-software biedt uitgebreide ondersteuning voor het ontwerpen, verifiëren en bedienen van Industry 4.0-automatiseringsnetwerken. (Bron afbeelding: Omron Automation)

De Sysmac Studio-software biedt ook ondersteuning voor lopende bewerkingen en onderhoud. De uitvaltijd wordt geminimaliseerd met behulp van een SD-geheugenkaart met loginstellingen en veiligheidsgegevensregistratie. Met deze gegevens kunnen netwerktechnici efficiënt de oorzaak van een onverwachte systeemonderbreking vaststellen en de juiste preventieve en corrigerende maatregelen nemen.

De veiligheidsunit herstart de configuratie automatisch om het onderhoud te beperken:

• Herstelprogramma's en -instellingen worden opgeslagen op een SD-kaart in de veiligheidsunit. Wanneer een veiligheidsbesturingseenheid wordt vervangen, kunnen de opgeslagen programma's en instellingen snel worden gekopieerd naar de nieuwe eenheid.
• Wanneer een I/O-veiligheidsunit wordt vervangen, downloadt de automatische herstart van de configuratie automatisch de instellingsdata naar de nieuwe unit.

Conclusie

Sysmac-automatiseringsapparaten en -software van Omron ondersteunen de volledige connectiviteitsbehoeften voor Industry 4.0-fabrieksautomatiseringsnetwerken. Hun mogelijkheden strekken zich uit van IO-Link voor aansluiting op sensoren en EtherCAT en EtherNet/IP voor koppeling met motion-, veiligheids-, vision- en andere controllers. Ze omvatten ondersteuning voor FSoE- en CIP-veiligheidsprotocollen. Er zijn krachtige controllers en software beschikbaar die OPC UA, SQL en MQTT gebruiken om het fabrieksnetwerk te koppelen aan de IT- en OT-systemen van het bedrijf en aan de cloud.