Egységes kiberbiztonsági platform használata az átfogó Ipar 4.0-s összekapcsolhatóság támogatására

Az egységes és kibernetikai szempontból biztonságos Ipar 4.0-s megoldások bevezetéséhez többszintű kapcsolatokra van szükség. Az összekapcsolhatóság első szintje a gyárban kezdődik az egyes eszközök, köztük a gépek és robotok, érzékelők és nyomonkövethetőségi megoldások vezérlésével. Az összekapcsolhatóság második szintje a kezelőfelületekkel (HMI, human-machine interface) és a gépek közti kommunikációval végzett középszintű automatizálásig terjed. A összekapcsolhatóság legmagasabb szintje a vállalat informatikai (IT, information technology) és üzemeltetéstechnikai (OT, operations technology) rendszereihez kapcsolható, és a teljes vállalatra kiterjedő logisztika koordinálását, valamint a hatékonyság és termelékenység maximalizálását segíti.

A különféle csatlakoztatási igények kielégítéséhez olyan automatizálási platformra van szükség, amely több nyílt protokollt – amilyen például az EtherCAT, a Safety over EtherCAT (más néven FailSafe over EtherCAT vagy FSoE), az EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), a CIP Safety és az IO-Link – támogat a gépek, gépvezérlések, érzékelők, képalkotó rendszerek, biztonsági eszközök és kezelőfelületek összekapcsolása érdekében.

Az OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture, nyílt platformú egyesített kommunikációs architektúra) protokollra az adatok vállalaton belüli összevonásának, megosztásának és biztonságos átláthatóságának elősegítése érdekében van szükség. Végül pedig kell egy olyan logikusan használható kezelőfelületű szoftverplatform, amely lehetővé teszi a beállításokat, a programozást, a szimulációt és a felügyeletet, módot adva a mérnököknek arra, hogy egyetlen rendszerben kezeljék a folyamatirányítást, a mozgásokat, a biztonságot, a gépi látást és a robotikát.

Ez a cikk először az Ipar 4.0-s automatizálási rendszerek összekapcsolhatósági szintjeit szemléltető ábrát mutatja be (1. ábra). Ezután az Omron Automation termékeit példaként használva halad végig az automatizálás különböző szintjein az IO-Link protokolltól és az intelligens érzékeléstől a gépi látáshoz és a valós idejű gépvezérléshez használt EtherCAT protokollon át a gyárautomatizálási hálózatokhoz szánt EtherNet/IP protokollig, és ismerteti, hogyan kapcsolja össze az OPC UA protokoll a gyárat a magasabb szintű vállalati hálózatokkal és a felhővel az MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) és más szabványos protokollok segítségével. Zárásként a cikk megvizsgálja, hogyan köti össze mindezt az Omron Sysmac Studio szoftver.

1. ábra: Az Ipar 4.0-s automatizálási rendszerekben előforduló összekapcsolhatósági szintek a gyártósoron használt IO-Link protokolltól a magasabb szintű vállalati rendszereket és a felhőt elérő MQTT és OPC UA protokollig (kép: Omron Automation)

Biztonság, érzékelők és szervohajtások

Az automatizálási hálózatnak a gyártósorhoz legközelebbi szintjén találhatók az érzékelők, a biztonsági vezérlőegységek, a villanymotor-vezérlések és a szervohajtások, amelyeknek speciális csatlakozási követelményeik vannak. Az IO-Link az intelligens érzékelést teszi lehetővé, az EtherCAT pedig valós idejű géphálózatba kapcsolja a különböző mozgási, be- és kimeneti, biztonsági és gépi látást megvalósító alrendszereket.

Be- és kimeneti egységek

Az Ipar 4.0-s gyárakban az érzékelők sokféleségének támogatásához a be- és kimeneti egységek széles skálájára van szükség. Az Omron Sysmac NX be- és kimeneti egységek termékcsaládját több mint 120 típus alkotja, amelyek a protokollok széles skáláját támogatják, beleértve az érzékelőkhöz való csatlakozáshoz használt IO-Link protokollt, valamint a mozgásvezérlő, biztonsági, gépi látást megvalósító és egyéb vezérlőegységekkel való összekapcsoláshoz használt EtherCAT és EtherNet/IP protokollt. Ezek a be- és kimeneti egységek az FSoE és a CIP Safety protokollt is támogatják.

Biztonsági vezérlőegységek

A gyárautomatizálással való munka során alapvető szempont a biztonság. Az Omron erre a feladatra az NX egyesített biztonsági vezérlőegységeket kínálja, amelyek az EN 13849-1 szabvány szerinti PLe teljesítményszintnek és az IEC 61508 szabvány szerinti SIL3 biztonságjósági szintnek megfelelő hatékony biztonsági rendszerek kialakítására alkalmasak, és FSoE-csatlakoztathatósággal is el vannak látva. Ezenkívül az NX-EIC202-hez hasonló EtherNet/IP-csatolóegységek össze tudják kapcsolni az NX egyesített biztonsági vezérlőegységeket egy több gyártó termékeit használó EtherNet/IP-hálózattal, az NX sorozatú be- és kimeneti egységekkel és más biztonsági egységekkel.

A biztonsági processzor (CPU) akár 128 biztonsági be- és kimeneti egységet is képes vezérelni. A biztonsági egységek a szabványos NX be- és kimeneti egységek bármilyen kombinációjával használhatók. A telepítési sebességet és rugalmasságot tovább növeli, hogy a biztonsági programok szabványosíthatóak, és az IEC 61131 szabványban meghatározott programszervezési egységek (POU, program organization unit) segítségével hatékonyan használhatóak fel újra a tervezéshez és a működtetéshez.

Mesterséges intelligencián alapuló gépi látás

A mesterséges intelligencián (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) alapuló automatizált gépi látásos rendszerek sok Ipar 4.0-s felhasználási területen növelhetik a termelékenységet, ilyenek például a robotok irányítása, a kódolvasás és -ellenőrzés, a színellenőrzés, a számlálás, a hibaazonosítás, az optikai karakterfelismerés (OCR, optical character recognition) és az optikai karakter-ellenőrzés (OCV, optical character verification), valamint az emberi jelenlét/jelen nem lét érzékelése.

A mesterséges intelligencián alapuló gépi látásos rendszerek fejlesztése és telepítése összetett és időigényes tevékenység lehet. Az Omron FH sorozata tartalmazza a mesterséges intelligencián alapuló különféle gépi látásos rendszerek gyors megvalósításához szükséges hardvert és szoftvert.

Az FH-2050 jelű típus például két kamera használatát teszi lehetővé. Emellett az FH sorozat többi tagjához hasonlóan sokféle csatlakozási lehetőséggel büszkélkedhet, beleértve az EtherCAT-, az EtherNet/IP-, az Ethernet TCP/IP-, a PROFINET-, a soros RS-232C és az USB-csatlakozókat is, így az Ipar 4.0-s gyárak számos helyszínén problémamentesen lehet csatlakoztatni a sorozat tagjait.

A tömeges testreszabás esetében, amely az Ipar 4.0-s gyártósorok egyik jellemzője, az automatizált szemrevételezéses ellenőrzés megvalósítása komoly feladatot jelenthet. A közelmúltig tapasztalt emberi ellenőrökre volt szükség a termékhibák azonosításához. A mesterséges intelligencia mára elérte azt a szintet, hogy a tárgyak jellemzőit és hibáit – a szennyeződésektől a karcolásokig – az emberi ellenőrökhöz hasonló megbízhatósággal képes felismerni. Emellett a mesterséges intelligencia tartalmazhat gépi tanulást is, hogy támogassa a folyamatos fejlesztést és az új követelményekhez való alkalmazkodást.

Szervohajtások

A szervohajtások és az Ipar 4.0-s gyárak szerves részét képezik. Az Omron 1S szervotechnikája 50 W-tól 15 kW-ig terjedő teljesítményű egységeket támogat. Az R88D-1SN15H-ECT típus például egy 1,5 kW-os szervohajtás-vezérlő, amelynek a névleges bemenőfeszültsége 200–240 V egy- vagy háromfázisú váltakozó feszültség. Kompatibilis az R88M-1L1K530T-BS2 szervohajtással, amelynek névleges teljesítménye 1,5 kW, a nyomatéka pedig 3000 f/perc fordulatszámon 4,77 Nm. Mint minden 1S szervohajtás, ez az egység is el van látva az alábbiakkal:

• nagy felbontású, több fordulatú, 23 bites kódoló
• közvetlen motorfékvezérlés beépített relével
• beépített biztonsági funkciók
  • Vezetékes biztonságos nyomatéklekapcsolás, amely megfelel az EN ISO 13849-1 szabvány szerinti PLe teljesítményszintnek és az IEC 61508 szabvány szerinti SIL3 biztonságjósági szintnek.
  • FSoE biztonságos nyomatéklekapcsolás, amely megfelel az EN ISO 13849-1 szabvány szerinti PLd teljesítményszintnek és az IEC 61508 szabvány szerinti SIL2 biztonságjósági szintnek.

Mind a vezetékes, mind az FSoE biztonságos nyomatéklekapcsolás megfelel az EN 61800-5-2(STO) szabványnak. A vezetékes megoldás a fő áramellátás megszakításával tudja leállítani a vonalat. Az FSoE kifinomultabb megoldásokat használ, és képes biztonságos működésleállítási parancsot küldeni, amely csak az érintett területen lévő villanymotorokat lassítja le. Az FSoE biztonságos leállítási parancsot is tud küldeni, amely szükség esetén leállítja a villanymotorokat.

Gépvezérlő egységek

Az Omron NX1P2 sorozatú gépvezérlő egységei két funkciót töltenek be. Ezek az eszközök a valós idejű gépvezérlés EtherCAT szintjén különböző szervohajtások és más gépek közvetlen vezérlésére használhatóak, és kapcsolatot lehet velük létrehozni fel egészen az EtherNet/IP gyárautomatizálási szintig.

Ezek a vezérlőegységek lehetővé teszik a beépített sorrendi és mozgásvezérlést, és az EtherCAT segítségével akár nyolc vezérelt tengelyhez is csatlakoztathatóak (2. ábra). A gyárautomatizálásban használt vezérlőegységekhez való kapcsolódás érdekében EtherCAT vezérlőhálózat-támogatással és EtherNet/IP-csatlakozással is el vannak látva. Két külön rendelhető, a csatlakozási lehetőségek bővítésére – például soros kommunikáció vagy analóg be- és kimenetek megvalósítására – módot adó bővítőkártya számára szolgáló aljzat van bennük kialakítva. Ezek a vezérlőegységek az egyszerűbb és gyorsabb üzembe helyezés érdekében teljes mértékben megfelelnek az IEC 61131-3 programozási szabványoknak.

2. ábra: Az NX1P-vezérlőegységek EtherCAT-kapcsolat segítségével akár nyolc tengely menti mozgás, például nyolc váltakozó áramú 1S szervohajtás vezérlésére is alkalmasak (kép: Omron Automation)

Az Omron NX1P egy olyan alapszintű teljes körű vezérlőegység, amely képes kezelni a fejlett mozgásvezérlési, gépi látási, biztonsági be- és kimeneti, hálózati és a dolgok internetével teremtett IoT-kapcsolatokat. Az összetettebb gépvezérlő rendszerekhez, amelyek ki tudják használni az akár 254 CIP Safety-csatlakozás, 62 mozgástengely, 256 EtherCAT-csomópont, 1 Gb/s átviteli sebességű EtherNet/IP-portok és az OPC UA protokoll jelentette előnyöket, a hálózattervezők használhatják a Sysmac NX502 vezérlőegységeket.

Fejlett gépvezérlés

Az NX502 vezérlőegységek alkalmasak az EtherCAT és EtherNet/IP hálózati szinten történő használatra, és el vannak látva MQTT-, OPC UA- és SQL-képességeket, hogy kapcsolódni tudjanak a vállalat informatikai és üzemeltetéstechnikai rendszeréhez és a felhőhöz.

Az NX502 vezérlőegységekben maximum négy, akár 1 Gb/s adatátviteli sebességű EtherNet/IP- (EIP-) bővítőkártya számára van bővítőhely. Minden egyes EIP-kártya egy külön alhálózatot hoz létre, növelve a vezérelhető gépek számát, és elválasztva a gépi szintű hálózatot az adatbázis-hálózattól és a gyári szintű hálózattól. A hálózat ilyen jellegű részekre tagolása a különböző alhálózatokhoz való hozzáférés korlátozásával csökkenti a kibernetikai támadások kockázatát is.

Ezek a vezérlőegységek a hálózati architektúra csúcsán helyezkednek el, és sokféle vezérlési, informatikai és biztonsági funkciót tesznek lehetővé, többek között az alábbiakat (3. ábra):

• Vezérlés
  • akár 32 tengely menti mozgás 250 μs ciklusidővel
  • szervohajtás-vezérlés akár 64 tengely mentén
  • 80 MB programtárhely
  • 260 MB változótárhely
• Informatika
  • az OPC UA biztonságos kapcsolatot alakít ki a gyártásvégrehajtási rendszerek (MES, manufacturing execution system) és a vállalati erőforrás-tervező (ERP, enterprise resource planning) rendszerek számára
  • az SQL funkció lehetővé teszi az adatbázisokhoz való gyors és megbízható közvetlen hozzáférést és a termelési adatok továbbítását
  • az MQTT módot ad a felhőhöz való közvetlen csatlakozásra és a biztonságos adatgyűjtésre
  • akár 10 db 1 Gb/s átviteli sebességű EtherNet/IP-port a nagy sebességű, nagy kapacitású kommunikációhoz (bővítőkártyát használva)
• Biztonság
  • akár 8 CIP Safety-hálózat a teljes hálózat alhálózatokra bontásához és a gyártósorok biztonságának ellenőrzéséhez
  • akár 254 FSoE-kapcsolat a nagy gyártósorok nagy sebességének és nagy megbízhatóságú biztonságának megteremtése érdekében

3. ábra: Az NX502 vezérlőegységek (középen) képesek ötvözni az Ipar 4.0-s automatizálási hálózatok megvalósításához szükséges összes funkciót (kép: Omron Automation)

Kezelőfelület

Az NA sorozatú korszerű programozható terminál/kezelőfelület megbízható és kényelmes hozzáférést tesz lehetővé a kezelők és a hálózati mérnökök számára a Sysmac automatizálási eszközökhöz és Sysmac-hálózatokhoz. Ezek a széles képernyős terminálok két Ethernet-porttal vannak ellátva, amelyek lehetővé teszik egyidejűleg a vezérlőeszközhöz való hozzáférést és a karbantartási tevékenységeket. Programozhatóak, így egyszerűen lehet egyéni felhasználói felületeket létrehozni.

Ezek a kezelőfelületek 7", 9", 12" és 15" méretben kaphatóak, hogy sokféle felhasználási terület igényeinek megfeleljenek. A 12"-os és 15"-os típusok 1280 × 800 képpont, míg a 7"-os és 9"-os változatok 800 × 480 képpont felbontásúak. A rezisztív érintőképernyőt, amely szükség esetén vízállóvá is tehető, kesztyűt viselő kezelők is tudják használni. A felhasználói beavatkozás egyszerűsítése érdekében a funkcióbillentyűk programozhatóak (4. ábra).

4. ábra: Ezek a programozható kezelőfelületek két Ethernet-porttal vannak ellátva, és vízállóvá tehetőek (kép: Omron Automation)

Kiberbiztonsági szoftver

A Sysmac Studio szoftvercsomag az ipari hálózatok tervezéséhez, ellenőrzéséhez és üzemeltetéséhez használható átfogó szoftvereszközöket és kiberbiztonsági szoftvereket tartalmaz. Lehetővé teszi a hálózattervezők számára a logikai, a mozgási és vezérlési, a robotikai, a biztonsági, a képi megjelenítési és az érzékelési műszaki megoldások és az informatika egyesítését. A tervezéshez és ellenőrzéshez szükséges néhány kulcsfontosságú képesség (5. ábra):

• Automatikus programozás a biztonsági eszközök bemeneti, kimeneti és leállási feltételeit tartalmazó igazságtáblák alapján.
• Felhasználó által meghatározott funkcióblokk (FB) a bemeneti és kimeneti feltételeket és a programfunkciókat leíró súgófájlok támogatására. Ezeket különböző biztonsági szintekkel lehet védeni az illetéktelen módosításoktól.
• Hálózati kapcsolat nélküli szimuláció önálló számítógépen, a tényleges hardver csatlakoztatása nélkül.
• A beépített biztonsági funkciók ellenőrzése a rendszert a hálózatra kapcsolva tesztelve. Az ellenőrzés eredményei megjeleníthetők vagy kinyomtathatók jelentésként.

5. ábra: A Sysmac Studio szoftver átfogó támogatást nyújt az Ipar 4.0-s automatizálási hálózatok tervezéséhez, ellenőrzéséhez és üzemeltetéséhez (ábra: Omron Automation)

A Sysmac Studio szoftver segíti a folyamatos üzemeltetést és karbantartást is. A naplózási beállításokat és a biztonsági adatok naplózását tartalmazó SD-memóriakártya segítségével az állásidő minimálisra csökkenthető. Ezek az adatok lehetővé teszik a hálózat-karbantartók számára, hogy hatékonyan meghatározzák a nem várt rendszerleállások okát, és megfelelő megelőző és javító intézkedéseket tegyenek.

A biztonsági egység a karbantartás csökkentése érdekében automatikus beállításos újraindítást végez:

• A visszaállításhoz szükséges programok és beállítások a biztonsági egységben lévő SD-kártyán vannak tárolva. A biztonsági vezérlőegység cseréjekor a tárolt programok és beállítások gyorsan átmásolhatók az új vezérlőegységbe.
• A biztonsági be- és kimeneti egység cseréjekor az automatikus beállításos újraindítás automatikusan letölti a beállítási adatokat az új be- és kimeneti egységbe.

Összegzés

Az Omron Sysmac automatizálási eszközei és szoftverei támogatják az Ipar 4.0-s gyárautomatizálási hálózatok minden összeköttetési igényét. Képességeik kiterjednek az érzékelőkhöz való csatlakoztatásra szolgáló IO-Link protokollra, valamint a mozgásvezérlő, biztonsági, gépi látást megvalósító és egyéb vezérlőegységekkel való összekapcsolásra szolgáló EtherCAT és EtherNet/IP protokollra. Az eszközök és szoftverek támogatják az FSoE és a CIP Safety protokollt is. A gyári hálózatnak a vállalat informatikai és üzemeltetéstechnikai rendszerével, valamint a felhővel való összekapcsolására OPC UA, SQL és MQTT protokollt használó hatékony vezérlőegységek és szoftverek állnak rendelkezésre.