Yhtenäisen kyberturvallisen alustan käyttö mahdollistaa kattavat Teollisuus 4.0 -yhteydet

Yhtenäinen ja kyberturvallinen Teollisuus 4.0 -toteutus vaatii monia yhteystasoja. Ensimmäinen yhteystaso alkaa tehdasympäristöstä yksittäisten laitteiden, kuten koneiden ja robottien, antureiden ja jäljitettävyysratkaisujen, ohjauksella. Toinen yhteystaso kattaa keskitason automaation ihmisen ja koneen välisillä käyttöliittymillä (HMI) ja koneiden välisellä kommunikaatiolla. Korkein yhteystaso linkittyy yrityksen tietotekniikkaan (IT) ja toimintatekniikkaan (OT) kokonaislogistiikan koordinoimiseksi sekä tehokkuuden ja tuottavuuden maksimoimiseksi.

Erilaisten yhteystarpeiden täyttäminen edellyttää automaatioalustaa, joka tukee useita avoimia protokollia, kuten EtherCAT, Safety over EtherCAT (kutsutaan myös nimellä FailSafe over EtherCAT tai FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), Common Industrial Protocol (CIP) Safety ja IO-Link koneiden, koneohjausten, antureiden, näköjärjestelmien, turvalaitteiden ja käyttöliittymien yhdistämiseksi.

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) -protokollaa tarvitaan mahdollistamaan tietojen yhdistäminen, jakaminen ja turvallinen näkyvyys kautta yrityksen. Lisäksi tarvitaan ohjelmistoalusta, joka integroi konfiguroinnin, ohjelmoinnin, simuloinnin ja valvonnan intuitiiviseen käyttöliittymään, jonka avulla insinöörit voivat hallita prosessinohjausta, liikettä, turvallisuutta, näköä ja robotiikkaa yhdessä järjestelmässä.

Tässä artikkelissa esitellään ensin kaavio Teollisuus 4.0 -automaatiojärjestelmien yhteystasoista (kuva 1). Sen jälkeen siinä käydään Omron Automationin tuote-esimerkkien avulla läpi automaation eri tasot IO-Linkistä ja älykkäästä tunnistuksesta näköjärjestelmiin ja reaaliaikaiseen koneohjaukseen käytettävään EtherCAT- ja tehdasautomaatioverkoissa käytettävään EtherNet/IP-protokollaan. Lisäksi siinä näytetään, miten OPC UA yhdistää tehtaan ylemmän tason yritysverkkoihin ja pilveen MQTT:n (Message Queuing Telemetry Transport, Message Queuing Telemetry Transport) ja muiden standardiprotokollien avulla. Lopuksi artikkelissa tarkastellaan sitä, miten Omronin Sysmac Studio -ohjelmisto nivoo tämän kaiken yhteen.

Kuva 1: Teollisuus 4.0 -automaatiojärjestelmissä käytettävät yhteystasot tehdasympäristön IO-Linkistä MQTT- ja OPC UA -protokollien avulla ylemmän tason yritysjärjestelmiin ja pilveen. (Kuvan lähde: Omron Automation)

Turvallisuus, anturit ja servot

Lähimpänä tehdasympäristöä sijaitsevalla automaatioverkon tasolla sijaitsevat anturit, turvaohjaimet, moottorikäytöt ja servot, joilla on erityiset yhteysvaatimuksensa. IO-Link tukee älykästä tunnistusta ja EtherCAT yhdistää erilaiset liike-, I/O-, turvallisuus- ja näköosajärjestelmät reaaliaikaiseksi koneverkoksi.

I/O-yksiköt

Teollisuus 4.0 -tehtaiden monenlaisten antureiden tueksi tarvitaan laaja valikoima I/O-yksiköitä. Omronin Sysmac NX I/O-yksikköihin kuuluu yli 120 mallia, ja ne tukevat monenlaisia protokollia, kuten IO-Linkiä anturien liittämiseen sekä EtherCATia ja EtherNet/IP:tä liike-, turvallisuus-, näkö- ja muiden ohjaimien yhdistämiseen. Nämä I/O-yksiköt tukevat myös FSoE- ja CIP Safety -protokollia.

Turvaohjaimet

Turvallisuus on ratkaiseva tekijä työskenneltäessä tehdasautomaation parissa. Omron tarjoaa robusteja turvajärjestelmiä tukevia integroituja NX-turvaohjaimia, jotka täyttävät EN 13849-1 -standardin mukaisen PLe-tason ja IEC 61508 -standardin mukaisen SIL3-tason vaatimukset, sekä sisältävät FSoE-yhteyden. Lisäksi NX-EIC202-mallin kaltaiset EtherNet/IP-kytkinyksiköt voivat yhdistää integroidut NX-turvaohjaimet monien valmistajien EtherNet/IP-verkkoon, NX-sarjan I/O-yksikköihin ja muihin turvayksikköihin.

Turvaprosessori voi ohjata jopa 128 I/O-turvayksikköä. Turvayksiköitä voidaan käyttää minkä tahansa NX I/O -standardiyksiköistä muodostuvan yhdistelmän kanssa. Käyttöönoton nopeuttamiseksi ja joustavuuden lisäämiseksi turvaohjelmia voidaan standardoida ja uudelleenkäyttää tehokkaasti hyödyntämällä suunnittelussa ja käytössä IEC 61131 -standardissa määriteltyjä POU (Program Organization Units) -yksiköitä.

Tekoälyyn perustuva näkö

Tekoälyyn (AI) perustuvat automatisoidut näköjärjestelmät voivat lisätä tuottavuutta monissa Teollisuus 4.0 -sovelluksissa, kuten robottiohjauksessa, koodinluvussa ja -tarkistamisessa, värintarkastuksessa, laskennassa, vikojen tunnistamisessa, optisessa tekstintunnistuksessa (OCR) ja optisessa tekstintarkistuksessa (OCV) sekä läsnäolon/poissaolon tunnistuksessa.

Tekoälyyn perustuvien näköjärjestelmien kehittäminen ja käyttöönotto voi olla monimutkaista ja viedä paljon aikaa. Omronin FH-sarja sisältää erilaisten tekoälyyn perustuvien näkösovellusten nopeaan käyttöönottoon tarvittavan laitteiston ja ohjelmiston.

Esimerkiksi malli FH-2050 tukee kahta kameraa. Lisäksi siihen, kuten muihinkin FH-sarjan malleihin, kuuluu laaja valikoima yhteysvaihtoehtoja, mukaan lukien EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, RS-232C-sarjayhteydet ja USB (Universal Serial Bus), minkä ansiosta sen voi asentaa saumattomasti moniin sijaintipaikkoihin Teollisuus 4.0 -tehtaissa.

Massaräätälöinnissä, joka on Teollisuus 4.0 -tuotantolinjojen tunnusmerkki, automaattinen visuaalinen tarkastus voi olla haastavaa toteuttaa. Tuotevirheiden tunnistamiseen on tarvittu viime aikoihin asti kokeneita ihmistarkastajia. Nyt tekoäly on saavuttanut sellaisen tason, että se pystyy tunnistamaan objektien ominaisuudet ja viat virheistä naarmuihin yhtä hyvin kuin ihmistarkastajat. Lisäksi tekoäly voi tarjota koneoppimisen, mikä mahdollistaa jatkuvan parantamisen ja uusiin vaatimuksiin mukautumisen.

Servot

Servot ja taajuusmuuttajat ovat kiinteä osa Teollisuus 4.0 -tehtaita. Omronin 1S-servotekniikka sisältää yksiköitä tehoalueella 50 W–15 kW. Esimerkiksi malli R88D-1SN15H-ECT on 1,5 kW:n servo-ohjain, joka on luokiteltu yksi- ja kolmivaiheiselle tuloteholle alueella 200–240 VAC. Se on yhteensopiva R88M-1L1K530T-BS2-servon kanssa, joka on luokiteltu 1,5 kW:n teholle ja 3000 kierrokselle minuutissa (rpm) 4,77 newtonmetrin (Nm) vääntömomentilla. Kuten kaikkiin 1S-servoihin, tähän yksikköön kuuluvat seuraavat toiminnot:

• korkean resoluution 23-bittinen monikierrosenkooderi
• suora moottorijarruohjaus sulautetulla releellä
• sisäänrakennetut turvatoiminnot
  • kiinteästi johdotettu turvallinen vääntömomentin poiskytkentä, joka täyttää EN ISO 13849-1 -standardin mukaiset PLe-tason ja IEC 61508 -standardin mukaiset SIL3-tason vaatimukset
  • FSoE-turvallinen vääntömomentin poiskytkentä, joka täyttää EN ISO 13849-1 -standardin mukaiset PLd-tason ja IEC 61508 -standardin mukaiset SIL2-tason vaatimukset.

Sekä kiinteästi johdotettu että FSoE-turvallinen vääntömomentin poiskytkentä täyttävät EN61800-5-2(STO) -standardin vaatimukset. Kiinteästi johdotettu ratkaisu voi pysäyttää linjan katkaisemalla päävirran. FSoE tukee monipuolisempia reaktioita ja voi lähettää turvallisen tuotantopysäytyksen komennon, joka pelkästään hidastaa moottoreita kyseisellä alueella. FSoE voi lähettää myös turvallisen pysäytyksen komennon, joka tarvittaessa pysäyttää moottorit.

Koneohjaimet

Omronin NX1P2-sarjan kaltaiset koneohjaimet voivat täyttää kaksi tehtävää. Niillä voidaan ohjata suoraan erilaisia servoja ja muita koneita reaaliaikaisen koneohjauksen EtherCAT-tasolla, ja ne voivat tarjota yhteyden EtherNet/IP-tehdasautomaatiotasolle.

Nämä ohjaimet tukevat integroitua sekvenssi- ja liikeohjausta, ja ne voidaan kytkeä jopa kahdeksaan ohjattavaan akseliin EtherCATin välityksellä (kuva 2). Niiden ominaisuuksiin kuuluvat myös tuki EtherCAT-ohjausverkolle ja EtherNet/IP-yhteys tehdasautomaatio-ohjaimiin yhdistämistä varten. Niissä on myös paikat kahdelle lisäyhteyksiä tarjoavalle lisäkortille, esimerkkeinä sarjaliikenne ja analogiset I/O:t. Nämä ohjaimet ovat täysin IEC 61131-3 -ohjelmointistandardien mukaisia, mikä yksinkertaistaa ja nopeuttaa käyttöönottoa.

Kuva 2: NX1P-ohjaimet voivat käyttää EtherCAT-yhteyttä ja tukea jopa kahdeksaa liikeakselia, kuten kahdeksaa 1S AC-servo-ohjainta. (Kuvan lähde: Omron Automation)

Omronin NX1P on merkittävä all-in-one-ohjain, jolla voidaan hallita edistynyttä liikettä, näköä, I/O-turvayksikköä, verkkotoimintaa ja IoT-yhteyttä. Verkkosuunnittelijat voivat käyttää Sysmac NX502 -ohjaimia kompleksisempiin koneohjaussovelluksiin, joissa voidaan hyödyntää jopa 254 CIP-turvayhteyttä, jopa 62 liikeakselia, 256 EtherCAT-solmua, 1 Gbps:n EtherNet/IP-portteja ja OPC UA -protokollaa.

Edistynyt koneohjaus

NX502-ohjaimet soveltuvat käytettäväksi EtherCAT- ja EtherNet/IP-verkkotasoilla, ja ne tarjoavat MQTT-, OPC UA- ja SQL (Structured Query Language) -toiminnot yhteyden muodostamiseksi yrityksen IT- ja OT-järjestelmiin sekä pilveen.

NX502-ohjaimissa on paikat jopa neljälle EtherNet/IP (EIP) -laajennuskortille jopa 1 gigabitin sekunnissa (Gbps) tiedonsiirtonopeuksilla. Jokainen EIP-kortti luo aliverkon, mikä lisää ohjattavissa olevien koneiden määrää ja segmentoi konetason verkon tietokantaverkosta ja tehdastason verkosta. Verkon segmentointi vähentää myös kyberhyökkäysriskiä rajoittamalla pääsyä eri aliverkkoihin.

Nämä ohjaimet sijaitsevat verkkoarkkitehtuurin huipulla ja tukevat erilaisia ohjaus-, tieto- ja turvatoimintoja, joihin kuuluvat (kuva 3):

• Ohjaus
  • Jopa 32 liikeakselia 250 μs:n sykliajalla
  • Servo-ohjaus jopa 64 akselilla
  • 80 Mt ohjelmamuistia
  • 260 Mt muuttuvaa tallennustilaa
• Informaatio
  • OPC UA tarjoaa turvallisen yhteyden tuotannonohjausjärjestelmiin (MES) ja toiminnanohjausjärjestelmiin (ERP)
  • SQL-toiminnot tukevat nopeaa ja luotettavaa suoraa pääsyä tietokantoihin ja tuotantotietojen kommunikointiin
  • MQTT mahdollistaa suoran yhteyden pilveen ja turvallisen tiedonkeruun
  • Jopa 10 x 1 Gbps EtherNet/IP-porttia huippunopeaan korkean kapasiteetin tiedonsiirtoon laajennusyksiköllä
• Turvallisuus
  • Jopa 8 CIP-turvaverkkoa verkon modularisointiin ja tuotantolinjojen turvavalvontaan
  • Jopa 254 FSoE-yhteyttä takaamaan korkea nopeus, luotettavuus ja turvallisuus suurilla tuotantolinjoilla

Kuva 3: NX502-ohjaimet (keskellä) voivat yhdistää kaikki Teollisuus 4.0 -automaatioverkkojen toteuttamiseen tarvittavat toiminnot. (Kuvan lähde: Omron Automation)

Ihmisen ja koneen välinen käyttöliittymä

NA-sarjan edistynyt ohjelmoitava päätelaite/HMI tarjoaa käyttäjille ja verkkoinsinööreille luotettavan ja kätevän pääsyn Sysmacin automaatiolaitteisiin ja -verkkoihin. Näissä laajakuvanäytön tarjoavissa päätelaitteissa on kaksi Ethernet-porttia, jotka mahdollistavat samanaikaisen pääsyn ohjauslaitteeseen ja huoltotoimintoihin. Niitä voidaan ohjelmoida, joten räätälöityjen käyttöliittymien toteuttaminen on helppoa.

Näitä HMI-laitteita on saatavana kokoluokissa 7”, 9”, 12” ja 15”, joten ne sopivat monenlaisiin sovellustarpeisiin. Malleissa 12” ja 15” tarkkuus on 1280 x 800 pikseliä, kun taas malleissa 7” ja 9” tarkkuus on 800 x 480 pikseliä. Niiden resistiivistä kosketusnäyttöä voi käyttää käsine kädessä, ja näyttö voidaan tarvittaessa toteuttaa vedenpitävänä. Toimintopainikkeet voidaan ohjelmoida käyttäjän vuorovaikutuksen yksinkertaistamiseksi (kuva 4).

Kuva 4: Näissä ohjelmoitavissa HMI-laitteissa on kaksi Ethernet-porttia, ja ne voidaan toteuttaa vedenpitävinä. (Kuvan lähde: Omron Automation)

Kyberturvallinen ohjelmisto

Sysmac Studio sisältää kattavat ja kyberturvalliset ohjelmistotyökalut teollisuusverkkojen suunnitteluun, tarkistamiseen ja käyttöön. Sen avulla verkkosuunnittelijat voivat integroida logiikka-, liike- ja ohjain-, robotiikka-, turvallisuus-, näkö-, tunnistus- ja tietotekniikkaa. Joitakin keskeisiä toimintoja suunnittelun ja tarkistuksen aikana ovat (kuva 5):

• automaattinen ohjelmointi totuustaulukkojen perusteella, jotka sisältävät turvalaitteiden tulo-, lähtö- ja pysäytysehdot
• käyttäjän määrittelemä toimilohko (FB) tukee ohjetiedostoja kuvaten tulo- ja lähtöehdot ja ohjelmatoiminnot. Sillä voi olla eri suojaustasoja luvattomien muutosten estämiseksi
• offline-simulointi, joka suoritetaan erillisellä tietokoneella ilman varsinaisen laitteiston liittämistä
• integroitujen turvatoimintojen online-toimintatestaus. Testitulokset voidaan tulostaa raporttina.

Kuva 5: Sysmac Studio -ohjelmisto tarjoaa kattavan tuen Teollisuus 4.0 -automaatioverkkojen suunnitteluun, tarkistamiseen ja käyttöön. (Kuvan lähde: Omron Automation)

Sysmac Studio -ohjelmisto tukee myös jatkuvaa käyttöä ja huoltoja. Seisokit minimoidaan käyttämällä SD-muistikorttia, joka sisältää lokiasetukset ja turvallisuusdatalokin. Tämän datan avulla verkkoteknikot voivat selvittää tehokkaasti järjestelmän odottamattomien pysähtymisten syyt ja ryhtyä tarvittaviin ehkäiseviin ja korjaaviin toimenpiteisiin.

Turvayksikkö palauttaa konfiguraation automaattisen uudelleenkäynnistyksen huollon vähentämiseksi:

• Palautusohjelmat ja -asetukset tallennetaan turvayksikössä olevalle SD-kortille. Kun turvaohjainyksikkö vaihdetaan, tallennetut ohjelmat ja asetukset voidaan kopioida nopeasti uuteen yksikköön.
• Kun I/O-turvayksikkö vaihdetaan, konfiguraation automaattinen uudelleenkäynnistys lataa asetustiedot automaattisesti uuteen yksikköön.

Yhteenveto

Omronin Sysmac-automaatiolaitteet ja -ohjelmistot tukevat Teollisuus 4.0 -tehdasautomaatioverkkojen kaikkia yhteystarpeita. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat IO-Link antureiden liittämiseen ja EtherCAT ja EtherNet/IP liikkeen, turvallisuuden, näön ja muiden ohjaimien yhdistämiseen. Ne tukevat FSoE- ja CIP Safety -protokollia. Saatavilla on OPC UA-, SQL- ja MQTT-protokollia käyttäviä tehokkaita ohjaimia ja ohjelmistoja tehdasverkon yhdistämiseen yrityksen IT- ja OT-järjestelmiin sekä pilveen.