Využití jednotné kyberneticky bezpečné platformy k podpoře komplexní konektivity Průmyslu 4.0

Jednotné a kyberneticky bezpečné nasazení Průmyslu 4.0 vyžaduje více úrovní konektivity. První úroveň konektivity začíná v továrně řízením jednotlivých zařízení, včetně strojů a robotů, senzorů a řešení sledovatelnosti. Druhá úroveň konektivity se rozšiřuje na automatizaci střední úrovně s rozhraními člověk-stroj („human-machine interface“, HMI) a s komunikací mezi stroji. Nejvyšší úroveň konektivity je propojena se systémy informačních technologií („information technology“, IT) a provozních technologií („operations technology“, OT) společnosti za účelem koordinace celkové logistiky a maximalizace efektivity a produktivity.

Uspokojení různých potřeb konektivity vyžaduje automatizační platformu, která podporuje více otevřených protokolů, jako je EtherCAT, Safety over EtherCAT (také nazývaný FailSafe over EtherCAT nebo FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), Common Industrial Protocol (CIP) Safety a IO-Link, pro připojení strojů, ovládacích prvků strojů, senzorů, systémů vidění, bezpečnostních zařízení a HMI.

Pro podporu konsolidace, sdílení a bezpečné viditelnosti dat v rámci celého podniku je nutný protokol Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA). V neposlední řadě je vyžadována softwarová platforma, která integruje konfiguraci, programování, simulaci a monitorování s intuitivním rozhraním, což technikům umožňuje spravovat řízení procesů, pohyb, bezpečnost, vidění a robotiku v jednom systému.

V tomto článku je nejprve představeno schéma úrovní konektivity v automatizačních systémech Průmyslu 4.0 (obrázek 1). Poté na příkladech produktů od společnosti Omron Automation článek postupuje přes různé úrovně automatizace od protokolu IO-Link a inteligentního snímání po protokol EtherCAT pro systémy vidění a řízení strojů v reálném čase, protokol EtherNet/IP pro sítě automatizace továren až po to, jak protokol OPC UA propojuje továrnu s podnikovými sítěmi vyšší úrovně a cloudem pomocí protokolu Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) a dalších standardních protokolů. Na závěr se podíváme na to, jak to vše propojuje software Sysmac Studio společnosti Omron.

Obrázek 1: Úrovně konektivity používané v automatizačních systémech Průmyslu 4.0 od protokolu IO-Link na úrovni továrny po protokoly MQTT a OPC UA dosahující podnikových systémů vyšší úrovně a cloudu. (Zdroj obrázku: společnost Omron Automation)

Bezpečnost, senzory a serva

Na úrovni automatizační sítě nejblíže továrně se nacházejí senzory, bezpečnostní řídicí jednotky, motorové pohony a serva, které mají specifické požadavky na konektivitu. Protokol IO-Link podporuje inteligentní snímání a protokol EtherCAT propojuje různé pohybové, I/O, bezpečnostní subsystémy a subsystémy vidění do sítě strojů v reálném čase.

Jednotky I/O

K podpoře rozmanitosti senzorů v továrnách Průmyslu 4.0 je zapotřebí široká řada jednotek I/O. Jednotky I/O Sysmac NX společnosti Omron zahrnují více než 120 modelů a podporují širokou škálu protokolů, včetně protokolu IO-Link pro připojení k senzorům a protokolů EtherCAT a EtherNet/IP pro propojení s pohybovými a bezpečnostními řídicími jednotkami, řídicími jednotkami vidění a dalšími. Tyto jednotky I/O podporují také protokoly FSoE a CIP Safety.

Bezpečnostní řídicí jednotky

Bezpečnost je při práci s tovární automatizací zásadním hlediskem. Společnost Omron nabízí integrované bezpečnostní řídicí jednotky NX, které podporují robustní bezpečnostní systémy splňující požadavky PLe dle normy EN 13849-1 a požadavky SIL3 dle normy IEC 61508, včetně konektivity FSoE. Navíc mohou spojovací jednotky EtherNet/IP jako např. NX-EIC202 propojit integrované bezpečnostní řídicí jednotky NX se sítí EtherNet/IP více dodavatelů, jednotkami I/O řady NX a dalšími bezpečnostními jednotkami.

Bezpečnostní CPU může ovládat až 128 bezpečnostních jednotek I/O. Bezpečnostní jednotky lze použít s libovolnou kombinací standardních jednotek I/O NX. Rychlost nasazení a flexibilitu dále zvyšuje to, že bezpečnostní programy lze standardizovat a efektivně znovu používat pomocí programových organizačních jednotek („program organization units“, POU) definovaných v normě IEC 61131 pro návrh a provoz.

Vidění založené na umělé inteligenci

Automatizované systémy vidění založené na umělé inteligenci („artificial intelligence“, AI) mohou zvýšit produktivitu v celé řadě aplikací Průmyslu 4.0, jako je navádění robotů, čtení a ověřování kódů, kontrola barev, počítání, identifikace defektů, optické rozpoznávání znaků („optical character recognition“, OCR) a optické ověřování znaků („optical character verification“, OCV) a detekce přítomnosti/nepřítomnosti.

Vývoj a nasazení systémů vidění na bázi umělé inteligence může být složitou a časově náročnou činností. Řada FH společnosti Omron zahrnuje hardware a software potřebný k rychlé implementaci různých aplikací vidění založených na umělé inteligenci.

Například model FH-2050 může podporovat dvě kamery. Kromě toho se stejně jako ostatní modely řady FH může pochlubit širokou škálou možností konektivity, včetně EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, sériového RS-232C a USB („universal serial bus“, univerzální sériové sběrnice), což umožňuje bezproblémové umístění na mnoha místech v továrnách Průmyslu 4.0.

V případě hromadného přizpůsobení, které je charakteristickým znakem výrobních linek Průmyslu 4.0, může být implementace automatizované vizuální kontroly náročná. Až donedávna byli k identifikaci vad produktu vyžadováni zkušení lidští kontroloři. Umělá inteligence však dnes dosáhla takové úrovně schopností, kdy dokáže rozpoznat vlastnosti a vady objektů, od skvrn po škrábance, stejně dobře jako lidští kontroloři. Kromě toho může umělá inteligence zahrnovat strojové učení pro podporu neustálého zlepšování a přizpůsobování se novým požadavkům.

Serva

Serva a pohony jsou nedílnou součástí továren Průmyslu 4.0. Servotechnologie 1S společnosti Omron podporuje jednotky od 50 W do 15 kW. Například model R88D-1SN15H-ECT je servopohon o výkonu 1,5 kW určený pro jednofázové a třífázové napájení 200 až 240 V AC. Je kompatibilní se servem R88M-1L1K530T-BS2 dimenzovaným na výkon 1,5 kW a 3 000 ot./min s točivým momentem 4,77 Nm. Stejně jako všechna serva 1S má i tato jednotka následující vlastnosti:

• Víceotáčkový 23bitový kodér s vysokým rozlišením
• Přímé ovládání brzdy motoru s integrovaným relé
• Vestavěné bezpečnostní funkce
  • Bezpečné vypínání točivého momentu („safe torque off“, STO) s pevným připojením, které splňuje úroveň PLe podle normy EN ISO 13849-1 a úroveň SIL3 podle normy IEC 61508
  • Bezpečné vypínání točivého momentu prostřednictvím protokolu FSoE, které splňuje úroveň PLd podle normy EN ISO 13849-1 a úroveň SIL2 podle normy IEC 61508

Normu EN 61800-5-2 (STO) splňuje bezpečné vypínání točivého momentu jak pevným připojením, tak prostřednictvím protokolu FSoE. Pevně připojené řešení může linku uvést do bezpečného klidového stavu přerušením hlavního napájení. Řízení prostřednictvím protokolu FSoE podporuje jemnější reakce a může odeslat příkaz k bezpečnému zastavení provozu („Safe Operating Stop“), který pouze zpomalí motory v dotčené oblasti. Řízení prostřednictvím protokolu FSoE může také poslat příkaz k bezpečnému zastavení, který v případě potřeby zastaví motory.

Řídicí jednotky strojů

Řídicí jednotky strojů jako např. řada NX1P2 od společnosti Omron mohou plnit dvě funkce. Lze je použít k přímému ovládání různých servopohonů a dalších strojů na úrovni řízení strojů EtherCAT v reálném čase a mohou poskytovat propojení až na úroveň automatizace továrny EtherNet/IP.

Tyto řídicí jednotky podporují integrované sekvenční a pohybové řízení a připojují se pomocí protokolu EtherCAT až k osmi řízeným osám (obrázek 2). Vyznačují se také podporou řídicí sítě EtherCAT a konektivitou EtherNet/IP pro propojení s řídicími jednotkami tovární automatizace. Mají sloty pro dvě volitelné desky poskytující rozšířenou konektivitu, včetně sériové komunikace a analogových vstupů a výstupů. Tyto řídicí jednotky plně vyhovují programovacím standardům IEC 61131-3, což zjednodušuje a urychluje uvedení do provozu.

Obrázek 2: Řídicí jednotky NX1P mohou využívat připojení EtherCAT k podpoře až osmi os pohybu, jako je osm AC servopohonů 1S. (Zdroj obrázku: společnost Omron Automation)

Omron NX1P je základní univerzální řídicí jednotkou, která dokáže spravovat pokročilé funkce pohybu, vidění, bezpečnostních vstupů a výstupů, sítě a konektivity IoT. Pro složitější aplikace řízení strojů, které mohou využívat až 254 bezpečnostních připojení CIP, až 62 os pohybu, 256 uzlů EtherCAT, porty EtherNet/IP 1 Gb/s a OPC UA, mohou konstruktéři využít řídicí jednotky Sysmac NX502.

Pokročilé řízení strojů

Řídicí jednotky NX502 jsou vhodné pro použití na úrovni sítí EtherCAT a EtherNet/IP a jsou k připojení k firemním IT a OT systémům a cloudu vybaveny funkcemi MQTT, OPC UA a strukturovaným dotazovacím jazykem („structured query language“, SQL).

Řídicí jednotky NX502 mají sloty až pro čtyři rozšiřující karty EtherNet/IP (EIP) s přenosovou rychlostí dat až 1 Gb/s. Jednotlivé karty EIP vytvářejí podsíť, čímž zvyšují počet strojů, které lze ovládat, a segmentují síť na úrovni strojů od sítě databáze a sítě na úrovni továrny. Omezením přístupu do různých podsítí snížila segmentace sítě také riziko kybernetických útoků.

Tyto řídicí jednotky jsou umístěny na vrcholu síťové architektury a podporují řadu řídicích, informačních a bezpečnostních funkcí, včetně následujících (obrázek 3):

• Řízení
  • Až 32 os pohybu s dobou cyklu 250 μs
  • Servořízení až se 64 osami
  • 80 MB úložiště pro program
  • 260 MB variabilního úložiště
• Informace
  • Protokol OPC UA poskytuje bezpečnou konektivitu pro systémy pro řízení výroby („manufacturing execution systems“, MES) a systémy plánování podnikových zdrojů („enterprise resource planning“, ERP)
  • Funkce SQL k podpoře rychlého a spolehlivého přímého přístupu k databázím a komunikaci výrobních dat
  • MQTT k podpoře přímého připojení ke cloudu a k bezpečnému sběru dat
  • Porty EtherNet/IP až 10 × 1 Gb/s pro vysokorychlostní, vysokokapacitní komunikaci s rozšiřující jednotkou
• Bezpečnost
  • Až 8 bezpečnostních sítí CIP pro modularizaci sítě a řízení bezpečnosti napříč výrobními linkami
  • Až 254 připojení FSoE pro vysokou rychlost a vysokou spolehlivost bezpečnosti ve velkých výrobních linkách

Obrázek 3: Řídicí jednotky NX502 (uprostřed) mohou kombinovat všechny funkce potřebné k implementaci automatizačních sítí Průmyslu 4.0. (Zdroj obrázku: společnost Omron Automation)

Rozhraní člověk-stroj

Pokročilý programovatelný terminál řady NA / HMI poskytuje operátorům a síťovým technikům spolehlivý a pohodlný přístup k automatizačním zařízením a sítím Sysmac. Tyto širokoúhlé terminály mají dva ethernetové porty podporující přístup současně k řídicímu zařízení a k činnostem údržby. Jsou programovatelné, což usnadňuje implementaci vlastních uživatelských rozhraní.

Tato HMI jsou k dispozici ve velikostech 7", 9", 12" a 15", aby vyhovovala široké škále potřeb aplikací. 12" a 15" modely mají 1 280 × 800 pixelů, zatímco 7" a 9" modely mají 800 × 480 pixelů. Obsluha v rukavicích může používat svou odporovou dotykovou obrazovku, která může být v případě potřeby vodotěsná. Funkční klávesy lze naprogramovat tak, aby se zjednodušily interakce uživatelů (obrázek 4).

Obrázek 4: Tato programovatelná HMI mají dva ethernetové porty a mohou být vodotěsná. (Zdroj obrázku: společnost Omron Automation)

Kyberneticky bezpečný software

Software Sysmac Studio zahrnuje komplexní a kyberneticky bezpečné softwarové nástroje pro navrhování, ověřování a provoz průmyslových sítí. Návrhářům sítí umožňuje integrovat logiku, pohyb a pohony, robotiku, bezpečnost, vizualizaci, snímání a informační technologie. Mezi klíčové funkce během návrhu a ověřování patří (obrázek 5):

• Automatické programování založené na pravdivostních tabulkách se vstupními, výstupními a zastavovacími stavy bezpečnostních zařízení
• Uživatelsky definované funkční bloky („function block“, FB) na podporu souborů nápovědy k popisu vstupních a výstupních podmínek a funkcí programu; mohou mít různé úrovně zabezpečení, aby byly chráněny před neoprávněnými změnami
• Offline simulace prováděné na samostatném počítači bez připojení skutečného hardwaru
• Online funkční testování integrovaných bezpečnostních funkcí; výstupem výsledku testů může být zpráva

Obrázek 5: Software Sysmac Studio poskytuje komplexní podporu pro navrhování, ověřování a provoz automatizačních sítí Průmyslu 4.0. (Zdroj obrázku: společnost Omron Automation)

Software Sysmac Studio podporuje také průběžný provoz a údržbu. Prostoje jsou minimalizovány pomocí paměťové karty SD obsahující nastavení protokolování a protokolování bezpečnostních dat. Tato data umožňují síťovým technikům efektivně určit příčinu neočekávaného zastavení systému a přijmout vhodná preventivní a nápravná opatření.

Ke snížení údržby obnovuje bezpečnostní jednotka automatický restart konfigurace:

• Obnovovací programy a nastavení jsou uloženy na SD kartě v bezpečnostní jednotce. Při výměně bezpečnostní řídicí jednotky lze uložené programy a nastavení rychle zkopírovat do nové jednotky.
• Při výměně bezpečnostní jednotky I/O automatický restart konfigurace automaticky stáhne data nastavení do nové jednotky.

Závěr

Automatizační zařízení a software Sysmac od společnosti Omron podporují kompletní potřeby konektivity pro průmyslové automatizační sítě Průmyslu 4.0. Jejich možnosti sahají od protokolu IO-Link pro připojení k senzorům až po protokoly EtherCAT a EtherNet/IP pro propojení s pohybovými a bezpečnostními řídicími jednotkami, řídicími jednotkami vidění a dalšími. Tato zařízení a software podporují protokoly FSoE a CIP Safety. K dispozici jsou výkonné řídicí jednotky a software využívající OPC UA, SQL a MQTT pro propojení tovární sítě s firemními IT a OT systémy a také s cloudem.