שימוש בפלטפורמה מאובטחת-סייבר‏ מאוחדת (Unified Cybersecure Platform) כדי לתמוך בקישוריות Industry 4.0 מקיפה‏

פריסת Industry 4.0 מאובטחת-סייבר מאוחדת דורשת רמות רבות של קישוריות. הרמה הראשונה של‏ קישוריות מתחילה על רצפת הייצור עם הבקרה על‏ התקנים פרטניים, כולל מכונות ורובוטים, חיישנים ופתרונות עקיבות. הרמה השנייה של קישוריות מתרחבת לאוטומציה ברמה בינונית עם ממשקי אדם-מכונה (HMIs) ותקשורת מכונה-למכונה. הרמה הגבוהה ביותר של קישוריות מקשרת עם מערכות טכנולוגיית המידע (IT) וטכנולוגיית התפעול (OT) של החברה כדי לתאם את הלוגיסטיקה הכוללת ולמקסם יעילות ופרודוקטיביות.

כדי לספק צורכי קישוריות מגוונים נדרשת פלטפורמת אוטומציה התומכת בפרוטוקולים פתוחים מרובים כמו EtherCAT, בטיחות דרך EtherCAT (נקרא גם FailSafe over EtherCAT או FSoE),‏ EtherNet Industrial Protocol ‏(EtherNet/IP), ‏‏Common Industrial Protocol (CIP) Safety ו-IO-Link עבור חיבור מכונות, בקרי מכונות, חיישנים, מערכות ראייה, התקני בטיחות וממשקי HMI.

פרוטוקול ה-Open Platform Communications Unified Architecture‏ (OPC UA) דרוש כדי לתמוך באיחוד, שיתוף ונראות מאובטחת של נתונים ברחבי הארגון. לבסוף, דרושה פלטפורמת תוכנה המשלבת תצורה, תכנות, סימולציה וניטור עם ממשק אינטואיטיבי, המאפשרת למהנדסים לנהל בקרת תהליכים, תנועה, בטיחות, ראייה ורובוטיקה במערכת אחת.

מאמר זה מציג תחילה דיאגרמה של רמות הקישוריות במערכות אוטומציה Industry 4.0 (איור 1‏). אחר כך, המאמר משתמש בדוגמאות מוצר מבית Omron Automation כדי לעבור דרך הרמות השונות של אוטומציה מ-IO-Link וחישה חכמה עד EtherCAT עבור מערכות ראייה ובקרת מכונה בזמן-אמת, EtherNet/IP עבור רשתות אוטומציה במפעלים, וכיצד OPC UA מקשר את המפעל לרשתות ארגוניות ולענן תוך שימוש ב-Message Queuing Telemetry Transport‏ (MQTT) ופרוטוקולים סטנדרטיים אחרים. הוא מסיים עם הסתכלות על כיצד תוכנת Sysmac Studio של Omron קושרת הכל ביחד.

איור 1‏: רמות של קישוריות בהן משתמשים במערכות אוטומציה ‏Industry 4.0‏, מ-IO-Link ברצפת הייצור עד MQTT‏ ו-OPC UA המגיעים עד מערכות ארגוניות ברמה גבוהה יותר ולענן. (מקור תמונה: Omron Automation)

בטיחות, חיישנים ומערכות סרוו

ברמת רשת האוטומציה הקרובה ביותר לרצפת הייצור נמצאים חיישנים, בקרי בטיחות, דוחפי מנועים ומערכות סרוו, ולהם דרישות קישוריות ספציפיות. IO-Link‏ תומך בחישה חכמה, ו-EtherCAT‏ מקשר בין תת-מערכות שונות, תנועה, I/O, בטיחות וראייה לקבלת רשת מכונות זמן-אמת.

יחידות I/O

נדרש מגוון רחב של יחידות I/O כדי לתמוך‏ במגוון החיישנים במפעלי Industry 4.0‏. יחידות ה-Sysmac NX I/O של Omron‏ כוללות מעל 120‏ דגמים ותומכות‏ במגוון רחב של‏ פרוטוקולים, כולל IO-Link‏ להתחברות לחיישנים ו-EtherCAT‏ ו-EtherNet/IP‏ לקישור עם תנועה, בטיחות, ראייה ובקרים אחרים. יחידות I/O אלו תומכות גם בפרוטוקולים FSoE ו-CIP Safety.

בקרי בטיחות

בטיחות היא שיקול מכריע‏ כשעובדים עם אוטומציה במפעלים. Omron מציעה את בקרי הבטיחות המשולב NX התומכים במערכות בטיחות חסונות העומדות ב-PLe לפי EN 13849-1 ו-SIL3 לפי IEC 61508, כולל קישוריות FSoE. נוסף לכך, יחידות מצמד EtherNet/IP‏‏ כמו ה-NX-EIC202 יכולות לקשר בקרי בטיחות משולבים NX עם רשת מרובת ספקים EtherNet/IP, יחידות ה-I/O מסדרת NX, ויחידות בטיחות אחרות.

CPU הבטיחות יכול לשלוט על עד 128 יחידות I/O בטיחות. ניתן להשתמש ביחידות הבטיחות עם כל צרוף של יחידות NX I/O סטנדרטיות. תוכניות בטיחות, המוסיפות ומגדילות מהירות וגמישות פריסה, ניתנות לתקנון ולעשות בהן שימוש חוזר באופן יעיל על ידי שימוש ביחידות ארגון תוכנית (POUs) המוגדרות ב-IEC 61131 עבור תכנון ותפעול.

ראייה מבוססת-AI

מערכות ראייה אוטומטיות מבוססות בינה מלאכותית (AI) יכולות להגביר פריון לרוחב מערך רחב של יישומי Industry 4.0 כמו הנחיית רובוט, קריאה ואימות קוד, בדיקת צבע, מנייה, זיהוי פגמים, זיהוי תווים אופטי (OCR), אימות תווים אופטי (OCV) וזיהוי נוכחות /העדרות.

פיתוח ופריסה של מערכות ראייה מבוססות AI יכולים להיות פעילויות מורכבות וגוזלות זמן. סדרת FH של Omron כוללת את החומרה והתוכנה הדרושות למימוש יישומי ראייה מבוססי AI במהירות.

לדוגמה, דגם ה-FH-2050 יכול לתמוך בשתי מצלמות. נוסף לכך, כמו דגמים אחרים בסדרת FH, הוא מתהדר במגוון רחב של אפשרויות קישוריות, כולל EtherCAT,‏ EtherNet/IP,‏ Ethernet TCP/IP,‏ PROFINET,‏ RS-232C טורי ואפיק טורי אוניברסלי (USB), מה שמאפשר את התאמתו החלקה במקומות רבים במפעלי Industry 4.0.

במקרה של ‏התאמה-מיוחדת נרחבת, סימן היכר של קווי ייצור‏ Industry 4.0, בדיקה ויזואלית אוטומטית יכולה להיות מאתגרת ליישום. עד לאחרונה, בודקים אנושיים מנוסים נדרשו לזהות פגמים במוצר. כיום, AI השיגה רמת יכולת בה היא יכולה לזהות תכונות אובייקט ופגמים, החל מליקויים עד שריטות, כמו גם בודקים אנושיים. נוסף לכך, AI יכולה לכלול למידת מכונה כדי לתמוך בשיפור מתמשך והתאמה לדרישות חדשות.

מערכות סרוו

מערכות סרוו ודוחפים הם חלק‏ בלתי נפרד ממפעלי Industry 4.0. טכנולוגיית סרוו 1S של Omron תומכת ביחידות מ-‎50 W‏ עד ‎15 kW‏. לדוגמה, דגם R88D-1SN15H-ECT‏ הוא דוחף סרוו‏ ‎1.5 kW‏‏ מדורג למתח כניסה חד ותלת-פאזי של 200‏ עד 240‎ Vac‏. הוא תואם עם הסרוו R88M-1L1K530T-BS2‏, מדורג ל-1.5‎ kW ו-3,000 סיבובים לדקה (rpm) עם מומנט של 4.77 ניוטון-מטר (Nm). כמו כל מערכות הסרוו 1S, יחידה זו כוללת:

• אנקודר רזולוציה-גבוהה רב-סיבובי ‎23-bit
• בקרה ישירה של בולם מנוע עם ממסר משובץ
• פונקציות בטיחות מובנות
  • אות Safe Torque Off מחווט העומד ב-PLe לפי EN ISO 13849-1 ו-SIL3 לפי IEC 61508
  • FSoE Safe Torque Off ‏העומד ב-PLd‏ לפי EN ISO 13849-1 ו-SIL2‏ לפי IEC 61508

שני אותות ה-Safe Torque Off, המחווט וה-FSoE, עומדים ב-EN61800-5-2‏ (STO). פתרון מחווט יכול להביא את הקו ‏לעצירה על ידי ניתוק אספקת הכוח הראשית. FSoE‏ תומך בתגובות בעלות ניואנסים רבים יותר ויכול לשלוח פקודת‏ Safe Operating Stop, רק להאט מנועים באזור המושפע. FSoE‏ יכול גם לשלוח‏ פקודת Safe Stop, לעצור את המנועים כשצריך.

בקרי מכונות

בקרי מכונות כמו סדרת ה-NX1P2 מבית Omron יכולים למלא שתי פונקציות. הם יכולים לשמש לבקרה ישירה של מערכות סרוו ומכונות אחרות שונות ברמת ה-EtherCAT‏ של בקרת מכונת זמן-אמת,‏ והם יכולים לספק קישור מעלה עד לרמת אוטומציה של מפעלים EtherNet/IP.

בקרים אלה תומכים ברצף משולב ובבקרת תנועה ומתחברים לעד שמונה צירים מבוקרים תוך שימוש ב-EtherCAT‏ (איור 2‏). הם גם כוללים תמיכה ברשת בקרה EtherCAT‏ וחיבוריות EtherNet/IP‏ עבור קישור לבקרי אוטומציה של מפעלים. יש להם חריצים לשני לוחות אופציונליים המספקים חיבוריות מורחבת, כולל תקשורת טורית וכניסות/יציאות אנלוגיות. בקרים אלה תואמים במלואם עם תקני תכנות IEC 61131-3‏ לפישוט והאצת הכנסה לשימוש.

איור 2‏: בקרי NX1P‏ יכולים להשתמש בקישוריות EtherCAT כדי לתמוך בעד שמונה צירי תנועה, כמו שמונה דוחפי סרוו 1S AC . (מקור תמונה: Omron Automation)

ה-NX1P‏ של Omron‏ הוא בקר שלם חיוני היכול לנהל תנועה, ראייה, בטיחות, I/O, רשתות וקישוריות IoT מתקדמות. עבור יישומי בקרת מכונות מורכבים יותר היכולים להפיק תועלת מעד 254 חיבורי CIP Safety, עד 62 צירי תנועה, 256 צמתי EtherCAT, יציאות 1‎ Gbps EtherNet/IP ו-OPC UA, מתכנני רשתות יכולים לפנות אל בקרי ה-Sysmac NX502.

בקרת מכונות מתקדמת

בקרי ה-NX502 מתאימים לשימוש ברמות הרשתות EtherCAT‏ ו-EtherNet/IP‏, והם כוללים MQTT‏, OPC UA ויכולת Structured Query Language‏ (SQL) עבור התחברות למערכות ה-IT ו-OT של החברה ולענן.

לבקרי NX502 יש חריצים עבור עד ארבעה כרטיסי הרחבה ‏EtherNet/IP‏ (EIP) עם קצבי העברת נתונים של עד 1‎ Gigabit‏ לשנייה (Gbps‏). כל כרטיס EIP יוצר‏ תת-רשת, מגדיל את מספר המכונות שניתן לשלוט בהן ומפלח את רשת רמת המכונה מרשת מאגר הנתונים והרשת ברמת המפעל. פילוח רשתות מקטינה גם את הסיכון למתקפת סייבר על ידי הגבלת גישה לתתי-הרשתות השונות.

בקרים אלה יושבים בפסגת ארכיטקטורת הרשת ותומכים במגוון פונקציות בקרה, מידע ובטיחות, כולל (איור 3‏):

• בקרה
  • עד 32‏ צירי‏ תנועה עם זמן מחזור של ‎250 μs
  • בקרת סרוו עם עד 64 צירים
  • אחסון תוכנית ‎80 MB
  • אחסון משתנה 260‎ MB
• מידע
  • OPC UA מספק קישוריות מאובטחת עבור מערכות מידע לניהול רצפת ייצור (MES) ומערכות תכנון משאבי ארגון (ERP)
  • פונקציונליות SQL תומכת בגישה ישירה מהירה ואמינה למאגרי נתונים ותקשורת של נתוני מוצרים
  • MQTT‏ תומך בחיבור ישיר לענן ואיסוף נתונים מאובטח
  • עד ‎10 x 1 Gbps EtherNet/IP יציאות עבור תקשורת מהירות-גבוהה, קיבולת-גבוהה, עם יחידת הרחבה
• בטיחות
  • עד 8 רשתות ‏CIP Safety עבור מודולריזציה של רשת ובקרת בטיחות לאורך קווי ייצור
  • עד ‎254 חיבורי‏ FSoE‏ עבור בטיחות מהירות-גבוהה ואמינות-גבוהה בקווי ייצור גדולים

איור 3‏: בקרי NX502 (מרכז) יכולים לשלב את כל הפונקציות הדרושות ליישום רשתות אוטומציה Industry 4.0‏. (מקור תמונה: Omron Automation)

ממשק אדם-מכונה

‏המסוף/HMI המתקדם הניתן-לתכנות מסדרת NA מספק למפעילים ולמהנדסי רשת גישה נוחה ואמינה אל התקני אוטומציה ורשתות Sysmac. מסופי מסך-רחב אלה הם בעלי שתי יציאות Ethernet‏ התומכות בגישה סימולטנית אל התקן‏ בקרה ופעילויות תחזוקה. הם ניתנים-לתכנות, דבר המקל ליישם ממשקי משתמש מותאמים-במיוחד.

ממשקי HMI אלה זמינים במידות של‏ ”‏7, ”9, "12‏, ו-”‏15‏ כדי להתאים למגוון רחב של צורכי יישום. דגמי ה-"12‏ ו-”‏15‏ הם בעלי 800 x‏ 1280 פיקסלים, בעוד דגמי ה-”‏7 ו-”9 הם בעלי 800‎ x 480 פיקסלים. מפעילים הלובשים כפפות יכולים להשתמש במסך המגע ההתנגדותי שלהם, שניתן לעשותו חסין-מים במקרה הצורך. ניתן לתכנת את מקשי הפונקציה כדי לפשט את אינטראקציות המשתמש (איור 4‏).

איור 4: ממשקי HMI ניתנים-לתכנות אלה כוללים שתי יציאות Ethernet וניתן לעשותן חסינות-מים.‏ (מקור תמונה: Omron Automation)

תוכנה מאובטחת סייבר

Sysmac Studio כוללת כלי תוכנה מקיפים ומאובטחים-סייבר עבור תכנון, אימות והפעלת רשתות תעשייתיות. היא מאפשרת למתכנני רשתות לשלב לוגיקה, תנועה ודחיפה, רובוטיקה, בטיחות, ראייה, חישה וטכנולוגיות מידע. מספר יכולות מפתח במהלך התכנון והאימות כוללות (איור 5‏):

• תכנות אוטומטי מבוסס על טבלאות אמת עם תנאי כניסה, יציאה ועצירה של התקני בטיחות
• בלוק פונקציות (FB) מוגדר-משתמש כדי לתמוך בקבצי עזרה לתאור תנאי כניסה ויציאה ופונקציונליות תכנות; יכולים להיות בעלי רמות ביטחון שונות כדי להגן עליהם מפני שינויים ‏לא מורשים
• סימולציה לא-מקוונת מבוצעת על מחשב נפרד מבלי לחבר חומרה אקטואלית
• פונקציונליות מקוונת בדיקת פונקציות ‏בטיחות משולבות; ניתן להפיק תוצאות בדיקה כדו"ח

איור 5‏: תוכנת Sysmac Studio מספקת תמיכה מקיפה עבור תכנון, אימות ותפעול רשתות אוטומציה Industry 4.0‏. (מקור תמונה: Omron Automation)

תוכנת Sysmac Studio תומכת גם בתפעול שוטף ותחזוקה. זמן דמימה מוקטן למינימום תוך שימוש בכרטיס זיכרון‏ SD המכיל הגדרות רישום ורישום נתוני בטיחות. נתונים אלה מאפשרים לטכנאי רשת לקבוע ביעילות את הגורם לעצירה בלתי-צפויה של מערכת ולנקוט באמצעי מניעה ותיקון מתאימים.

יחידת הבטיחות משחזרת הפעלה מחדש של קביעת תצורה אוטומטית כדי לצמצם תחזוקה:

• תוכניות שחזור והגדרות מאוחסנות על‏ כרטיס SD‏ ביחידת הבטיחות. כשיחידת בקר‏ בטיחות מוחלפת, ניתן להעתיק במהירות את התוכניות וההגדרות המאוחסנות ליחידה החדשה.
• כשיחידת ‏I/O בטיחות מוחלפת, ההפעלה מחדש של קביעת תצורה אוטומטית מורידה באופן אוטומטי את נתוני ההגדרה ליחידה החדשה.

סיכום

התקני אוטומציה ותוכנת Sysmac מבית Omron תומכים בכל צרכי הקישוריות עבור רשתות אוטומציה של מפעלים Industry 4.0. היכולות שלהם משתרעות מ-IO-Link‏ להתחברות לחיישנים ו-EtherCAT‏ ו-EtherNet/IP‏ לקישור עם תנועה, בטיחות, ראייה ובקרים אחרים. הן כוללות תמיכה בפרוטוקולים FSoE ו-CIP Safety. בקרים ותוכנה רבי-עוצמה המשתמשים ב-OPC UA,‏ SQL ו-MQTT‏ זמינים לקישור רשת מפעל למערכות ה-IT ו-OT של החברה, כמו גם לענן.