Använda en enhetlig cybersäker plattform för att stödja omfattande Industry 4.0-anslutningar

En enhetlig och cybersäker Industry 4.0-implementering kräver flera anslutningsnivåer. Den första uppkopplingsnivån börjar på fabriksgolvet med styrning av enskilda enheter, inklusive maskiner och robotar, givare och spårbarhetslösningar. Den andra uppkopplingsnivån omfattar automation för mellannivå med gränssnitt mellan människa och maskin (HMI) och maskin till maskin-kommunikation. Den högsta uppkopplingsnivån kopplas till företagets system för informations- och driftteknik (IT och OT) för att samordna den övergripande logistiken och maximera effektiviteten och produktiviteten.

För att tillgodose olika anslutningsbehov krävs en automationsplattform som stödjer flera öppna protokoll, som t.ex. EtherCAT, Safety over EtherCAT (även kallat FailSafe over EtherCAT eller FSoE), EtherNet/IP (EtherNet Industrial Protocol), CIP (Common Industrial Protocol) Safety och IO-Link, för anslutning av maskiner, maskinstyrningar, givare, bildsystem, säkerhetsanordningar och gränssnitt mellan människa och maskin.

Protokollet OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) behövs för att stödja datakonsolidering, datadelning och säker insyn för hela verksamheten. Avslutningsvis krävs en mjukvaruplattform som integrerar konfiguration, programmering, simulering och övervakning med ett intuitivt gränssnitt, så att ingenjörer kan hantera processtyrning, rörelse, säkerhet, bild- och robotteknik i ett och samma system.

Artikeln presenterar inledningsvis ett diagram över anslutningsnivåerna i automationssystem för Industry 4.0 (figur 1). Därefter används produktexempel från Omron Automation för att gå igenom de olika automationsnivåerna, från IO-Link och intelligent avkänning till EtherCAT, för bildsystem och maskinstyrning i realtid, EtherNet/IP för fabriksautomationsnätverk och hur OPC UA sammanlänkar fabriken till högre företagsnätverk och molnet med hjälp av MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) och andra standardprotokoll. Det avslutas med hur Omrons programvara Sysmac Studio knyter ihop det hela.

Figur 1: Anslutningsnivåer som används i automationssystem med Industry 4.0, från IO-Link på fabriksgolvet till MQTT och OPC UA, som når högre företagssystem och molnet. (Bildkälla: Omron Automation)

Säkerhet, givare och servoenheter

För automationsnätverksnivån närmast fabriksgolvet finns givare, styrenheter för säkerhet, motorstyrningar och servoenheter som har specifika anslutningskrav. IO-Link stödjer intelligent avkänning och EtherCAT kopplar samman de olika delsystemen för rörelse, in- och utgångar, säkerhet och bildsystem till ett maskinnätverk i realtid.

I/O-enheter

Det krävs ett brett utbud av I/O-enheter för att stödja de många olika givarna i Industry 4.0-fabriker. Sysmac NX I/O-enheter från Omron omfattar över 120 modeller och stödjer ett stort utbud av protokoll, inklusive IO-Link för anslutning till givare och EtherCAT och EtherNet/IP för koppling till styrenheter för rörelse, säkerhet, bildsystem och andra styrenheter. I/O-enheterna stödjer även protokollen FSoE och CIP Safety.

Säkerhetsstyrenheter

Säkerhet är en viktig faktor när man arbetar med fabriksautomation. Omron erbjuder serien NX av integrerade säkerhetsstyrenheter som stödjer robusta säkerhetssystem som uppfyller PLe enligt EN 13849-1 och SIL3 enligt IEC 61508, inklusive anslutning för FSoE. Dessutom kan kopplingsenheter för EtherNet/IP som t.ex. NX-EIC202 sammankoppla de integrerade säkerhetsstyrenheter i NX-serien med ett EtherNet/IP-nätverk från flera olika leverantörer, NX-seriens I/O-enheter och andra säkerhetsenheter.

Säkerhets-CPU:n kan styra upp till 128 I/O-enheter för säkerhet. Säkerhetsenheterna kan användas i kombination med vanliga I/O-enheter ur NX-serien. Säkerhetsprogram kan standardiseras och återanvändas effektivt med hjälp av programorganisationsenheter (POU) som definieras i IEC 61131 för konstruktion och drift, vilket ytterligare ökar driftsättningshastigheten och flexibiliteten.

AI-baserad bild

Automatiserade bildsystem baserade på artificiell intelligens (AI) kan öka produktiviteten inom ett stort område av Industry 4.0-tillämpningar. Exempel på det är robotstyrning, kodläsning och -verifiering, färginspektion, räkning, identifiering av defekter, optisk teckenigenkänning (OCR) och optisk teckenverifiering (OCV) samt närvaro-/frånvarodetektering.

Utveckling och driftsättning av AI-baserad bild kan vara en komplex och tidskrävande uppgift. FH-serien från Omron innehåller den hårdvara och mjukvara som behövs för att snabbt implementera olika AI-baserade bildtillämpningar.

Till exempel kan modellen FH-2050 stödja två kameror. Dessutom har den, precis som andra modeller i FH-serien, många anslutningsmöjligheter, inklusive EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, seriell RS-232C och USB (Universal Serial Bus), vilket gör att den på ett enkelt sätt kan passa in på många platser i fabriker med Industry 4.0.

När det gäller massanpassning, ett kännetecken för produktionslinjer med Industry 4.0, kan automatiserad visuell inspektion vara en utmaning att implementera. Fram till nyligen krävdes inspektioner utförda av människor för att identifiera produktdefekter. Idag har AI nått en nivå där det kan känna igen ett föremåls egenskaper och defekter, allt från fläckar till repor, lika bra som om de vore utförda av en människa. Dessutom kan AI inkludera maskininlärning för att stödja kontinuerlig förbättring och anpassning till nya krav.

Servoenheter

Servoenheter och frekvensomriktare är en väsentlig del av fabriker med Industry 4.0. Servotekniken 1S från Omron stödjer enheter mellan 50 och 15 kW. Modell R88D-1SN15H-ECT är t.ex. en 1,5 kW servodrivenhet för 200 till 240 VAC för en eller tre faser. Den är kompatibel med servoenheten R88M-1L1K530T-BS2, som har en nominell effekt på 1,5 kW och ett vridmoment på 4,77 Nm vid 3 000 varv per minut (rpm) . Liksom alla servoenheter i serien 1S har denna enhet funktioner som t.ex.:

• 23-bitars kodare med flera varv och hög upplösning
• Direkt styrning av motorbroms via ett inbyggt relä
• Inbyggda säkerhetsfunktioner
  • Kabelansluten säker avstängning av vridmoment som uppfyller PLe enligt EN ISO 13849-1 och SIL3 enligt IEC 61508
  • Säker avstängning av vridmoment via FSoE som uppfyller PLd enligt EN ISO 13849-1 och SIL2 enligt IEC 61508

De båda säkra avstängningarna av vridmoment, kabelansluten eller FSoE, uppfyller EN61800-5-2(STO). En kabelansluten lösning kan stoppa linjen genom att bryta huvudströmmen. FSoE stödjer mer nyanserade svar och kan skicka ett kommando för säkert driftstopp som bara saktar ner motorerna i det berörda området. FSoE kan också skicka ett kommando för säkert stopp som vid behov stoppar motorerna.

Maskinstyrningar

Maskinstyrningar, som t.ex. serien NX1P2 från Omron, kan uppfylla två funktioner. De kan användas för att direkt styra olika servoenheter och andra maskiner för maskinstyrning i realtid på EtherCAT-nivån, och de kan ge en länk upp till nivån för EtherNet/IP för fabriksautomation.

Styrenheterna stödjer integrerad sekvens- och rörelsestyrning och kan anslutas till upp till åtta styrda axlar med hjälp av EtherCAT (figur 2). De har också stöd för styrnätverk för EtherCAT och anslutning för EtherNet/IP för koppling till styrenheter för fabriksautomation. De har plats för två utökningskort som utökar anslutningsmöjligheterna, inklusive seriell kommunikation och analoga in- och utgångar. Styrenheterna uppfyller fullt ut programmeringsstandarden IEC 61131-3 för att förenkla och påskynda driftsättningen.

Figur 2: Styrenheten NX1P kan använda EtherCAT-anslutning för att stödja upp till åtta rörelseaxlar, som t.ex. åtta växelströmsdrivna servoenheter av modellen 1S. (Bildkälla: Omron Automation)

NX1P från Omron är en viktig allt i en-styrenhet som kan hantera avancerad rörelse, bildsystem, in- och utgångar för säkerhet, nätverk och IoT-anslutning. Nätverkskonstruktörer kan använda sig av styrenheten Sysmac NX502 för mer avancerade maskinstyrningstillämpningar som nyttja upp till 254 anslutningar med CIP Safety, upp till 62 rörelseaxlar, 256 EtherCAT-noder, EtherNet/IP-portar för 1 Gbit/s och OPC UA.

Avancerad maskinstyrning

Styrenheten NX502 är lämplig för användning på nätverksnivåerna EtherCAT och EtherNet/IP och de inkluderar MQTT, OPC UA och SQL-kapacitet (Structured Query Language) för anslutning till företagets system för informations- och driftteknik och molnet.

Styrenheten NX502 har plats för upp till fyra utökningskort för EtherNet/IP (EIP) med dataöverföringshastigheter på upp till 1 Gbit/s. Varje kort för Ethernet/IP skapar ett subnät, vilket ökar antalet maskiner som kan styras och segmenterar nätverket på maskinnivå från databasnätverket och nätverket på fabriksnivå. Nätverkssegmentering minskar även risken för cyberattacker genom att begränsa åtkomsten till de olika subnäten.

Styrenheten sitter i toppen av nätverksarkitekturen och stödjer en mängd olika funktioner för styrning, information och säkerhet, inklusive (figur 3):

• Styrning
  • Upp till 32 rörelseaxlar med cykeltid på 250 μs
  • Servostyrning för upp till 64 axlar
  • 80 MB programlagring
  • 260 MB variabel lagring
• Information
  • OPC UA skapar säkra anslutningar för tillverkningssystem (MES) och resursplaneringssystem (ERP)
  • SQL-funktionalitet för snabb och tillförlitlig direktåtkomst till databaser och överföring av produktionsdata
  • MQTT stödjer direktanslutning till molnet och säker datainsamling
  • Med utökningsenheter, upp till 10 st EtherNet/IP-portar för kommunikation med hög kapacitet i så höga hastigheter som 1 Gbit/s
• Säkerhet
  • Upp till 8 st nätverk med CIP Safety för modulering av nätverk och säkerhetsstyrning för produktionslinjer
  • Upp till 254 st anslutningar med FSoE för hög hastighet och tillförlitlig säkerhet i stora produktionslinjer

Figur 3: Styrenheten NX502 (mitten) kan kombinera alla funktioner som behövs för att implementera automationsnätverk för Industry 4.0. (Bildkälla: Omron Automation)

Gränssnittet mellan människa och maskin

NA-seriens avancerade programmerbara terminal/gränssnitten mellan människa och maskin ger operatörer och nätverksingenjörer tillförlitlig och bekväm åtkomst till automationsenheter och nätverk för Sysmac. Bredbildsterminalerna har två Ethernet-portar som ger åtkomst till en styrenhet och underhållsaktiviteter samtidigt. De är programmerbara, vilket gör det enkelt att implementera kundanpassade användargränssnitt.

Gränssnitten mellan människa och maskin finns i storlekarna 7", 9", 12" och 15" för att passa ett många olika tillämpningsbehov. 12"- och 15"-modellerna har 1 280 x 800 pixlar, medan 7"- och 9"-modellerna har 800 x 480 pixlar. Operatörer som bär handskar kan använda den resistiva pekskärmen som även kan göras vattentät vid behov. Funktionstangenterna kan programmeras för att förenkla användarnas interaktion (figur 4).

Figur 4: De programmerbara gränssnitten mellan människa och maskin har två Ethernet-portar och kan göras vattentäta. (Bildkälla: Omron Automation)

Cybersäker programvara

Sysmac Studio innehåller omfattande och cybersäkra programverktyg för konstruktion, verifiering och drift av industriella nätverk. Det gör det möjligt för nätverkskonstruktörer att integrera system för logik, rörelse och drivenheter, robotik, säkerhet, visualisering, avkänning och informationsteknik. Några viktiga funktioner under konstruktion och verifiering är (figur 5):

• Automatisk programmering baserad på sanningstabeller med inmatnings-, utmatnings- och stoppvillkor för säkerhetsanordningar
• Användardefinierade funktionsblock (FB) för att stödja hjälpfiler att beskriva villkoren för in- och utgångar och programfunktionalitet. De kan ha olika säkerhetsnivåer för att skydda dem från obehöriga ändringar
• Simulering offline som utförs på en separat dator utan att ansluta den faktiska hårdvaran
• Funktionstest online av integrerade säkerhetsfunktioner. Testresultaten kan skrivas ut som en rapport

Figur 5: Programvaran Sysmac Studio har omfattande stöd för konstruktion, verifiering och drift av automationsnätverk för Industry 4.0. (Bildkälla: Omron Automation)

Programvaran Sysmac Studio stödjer även löpande drift och underhåll. Stilleståndstiden minimeras med hjälp av ett SD-minneskort som innehåller inställningar för loggning och loggning av säkerhetsdata. Med hjälp av informationen kan nätverkstekniker effektivt fastställa orsaken till ett oväntat systemavbrott och vidta lämpliga förebyggande och korrigerande åtgärder.

Säkerhetsenheten återställer en automatisk omstart av konfigurationen för att minska underhållet:

• Återställningsprogram och inställningar lagras på ett SD-kort i säkerhetsenheten. När en säkerhetsstyrenhet byts ut kan de lagrade programmen och inställningarna snabbt kopieras till den nya enheten.
• När en I/O-enhet för säkerhet byts ut laddar den automatiska omstarten av konfigurationen ner inställningsinformationen till den nya enheten per automatik.

Sammanfattning

Sysmac automationsenheter och programvara från Omron stödjer de kompletta anslutningsbehoven för automationsnätverk i fabriker med Industry 4.0. Kapaciteten sträcker sig från IO-Link för anslutning till givare och EtherCAT och EtherNet/IP för koppling till styrenheter för rörelse, säkerhet, bildsystem och andra styrenheter. De inkluderar stöd för säkerhetsprotokollen FSoE och CIP. Kraftfulla styrenheter och programvaror som använder OPC UA, SQL och MQTT finns tillgängliga för att koppla ihop fabriksnätverket med företagets informations- och driftsystem samt molnet.