Verwendung einer einheitlichen cybersicheren Plattform zur Unterstützung umfassender Vernetzung für Industrie 4.0

Eine einheitliche und cybersichere Industrie-4.0-Implementierung erfordert mehrere Stufen der Vernetzung. Die erste Ebene der Vernetzung beginnt in der Fabrikhalle mit der Steuerung einzelner Geräte, einschließlich Maschinen und Robotern, Sensoren und Rückverfolgbarkeitslösungen. Die zweite Ebene der Vernetzung erstreckt sich auf die mittlere Automatisierungsebene mit Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) und Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Der höchste Ebene der Vernetzung verbindet sich mit der Informationstechnologie (IT) und der Betriebstechnologie (OT) des Unternehmens, um die gesamte Logistik zu koordinieren und die Effizienz und Produktivität zu maximieren.

Um die unterschiedlichen Anforderungen an die Vernetzung zu erfüllen, ist eine Automatisierungsplattform erforderlich, die mehrere offene Protokolle wie EtherCAT, FSoE (FailSafe over EtherCAT, auch Safety over EtherCAT genannt), EtherNet/IP (EtherNet Industrial Protocol), CIP Safety (Common Industrial Protocol) und IO-Link für den Anschluss von Maschinen, Maschinensteuerungen, Sensoren, Bildverarbeitungssystemen, Sicherheitsgeräten und HMIs unterstützt.

Das OPC-UA-Protokoll (Open Platform Communications Unified Architecture) wird benötigt, um die Konsolidierung und gemeinsame Nutzung von Daten sowie eine sichere Sichtbarkeit im gesamten Unternehmen zu unterstützen. Schließlich ist eine Softwareplattform erforderlich, die Konfiguration, Programmierung, Simulation und Überwachung mit einer intuitiven Benutzeroberfläche integriert und es den Ingenieuren ermöglicht, Prozesssteuerung, Motorsteuerung, Sicherheit, Bildverarbeitung und Robotik in einem System zu verwalten.

In diesem Artikel wird zunächst ein Diagramm der Vernetzungsebenen in Industrie-4.0-Automatisierungssystemen vorgestellt (Abbildung 1). Anhand von Produktbeispielen von Omron Automation werden die verschiedenen Automatisierungsebenen von IO-Link und intelligenter Sensorik über EtherCAT für Bildverarbeitungssysteme und Echtzeit-Maschinensteuerung bis hin zu EtherNet/IP für Fabrikautomatisierungsnetzwerke erläutert und gezeigt, wie OPC UA die Fabrik mit übergeordneten Unternehmensnetzwerken und der Cloud über MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) und andere Standardprotokolle verbindet. Abschließend wird ein Blick darauf geworfen, wie die Software Sysmac Studio von Omron das Ganze miteinander verbindet.

Abbildung 1: In Automatisierungssystemen der Industrie 4.0 verwendete Vernetzungsebenen von IO-Link in der Fabrikhalle bis zu MQTT und OPC UA, die übergeordnete Unternehmenssysteme und die Cloud erreichen. (Bildquelle: Omron Automation)

Sicherheit, Sensoren und Servos

Auf der Ebene des Automatisierungsnetzes, die der Fabrikhalle am nächsten liegt, befinden sich Sensoren, Sicherheitssteuerungen, Motorantriebe und Servos, die spezifische Anforderungen an die Vernetzung stellen. IO-Link unterstützt intelligente Sensorik, und EtherCAT verbindet die verschiedenen Motorsteuerungs-, I/O-, Sicherheits- und Bilderfassungs-Subsysteme zu einem Echtzeit-Maschinennetzwerk.

I/O-Einheiten

Um die Vielfalt der Sensoren in Industrie-4.0-Fabriken zu unterstützen, bedarf es einer breiten Palette von I/O-Einheiten. Die Sysmac-NX-I/O-Einheiten von Omron umfassen über 120 Modelle und unterstützen eine Vielzahl von Protokollen, darunter IO-Link für den Anschluss von Sensoren sowie EtherCAT und EtherNet/IP für die Verbindung mit Antriebs-, Sicherheits-, Bildverarbeitungs- und anderen Steuerungen. Diese I/O-Einheiten unterstützen auch die Protokolle FSoE und CIP Safety.

Sicherheitscontroller

Sicherheit ist ein entscheidender Aspekt bei der Arbeit mit Fabrikautomation. Omron bietet die NX Integrated Safety Controllers an, die robuste Sicherheitssysteme unterstützen, die PLe gemäß EN 13849-1 und SIL3 gemäß IEC 61508 erfüllen, einschließlich FSoE-Vernetzung. Darüber hinaus können EtherNet/IP-Kopplereinheiten wie der NX-EIC202 integrierte NX-Sicherheitssteuerungen mit einem EtherNet/IP-Multivendor-Netzwerk, den I/O-Einheiten der NX-Serie und anderen Sicherheitseinheiten verbinden.

Die CPU des Sicherheitscontrollers kann bis zu 128 I/O-Sicherheitseinheiten steuern. Die Sicherheitseinheiten können mit jeder beliebigen Kombination von Standard-NX-I/O-Einheiten verwendet werden. Um die Geschwindigkeit und Flexibilität der Implementierung weiter zu erhöhen, können Sicherheitsprogramme standardisiert und effizient wiederverwendet werden, indem Programm-Organisationseinheiten (POUs) verwendet werden, die in IEC 61131 für Design und Betrieb definiert sind.

KI-basierte Bildverarbeitung

Auf künstlicher Intelligenz (KI) basierende automatisierte Bildverarbeitungssysteme können die Produktivität in einer Vielzahl von Industrie-4.0-Anwendungen wie Roboterführung, Codelesen und -überprüfung, Farbprüfung, Zählung, Fehleridentifizierung, optische Zeichenerkennung (OCR) und optische Zeichenüberprüfung (OCV) sowie An- und Abwesenheitserkennung steigern.

Die Entwicklung und der Einsatz von KI-basierten Bildverarbeitungssystemen kann eine komplexe und zeitaufwändige Tätigkeit sein. Die FH-Serie von Omron umfasst die Hardware und Software, die zur schnellen Implementierung verschiedener KI-basierter Bildverarbeitungsanwendungen erforderlich sind.

Das Modell FH-2050 kann zum Beispiel zwei Kameras unterstützen. Darüber hinaus verfügt es, wie auch die anderen Modelle der FH-Serie, über eine breite Palette an Anschlussmöglichkeiten, einschließlich EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, seriellem RS-232C und universellem seriellem Bus (USB), wodurch er sich nahtlos in viele Standorte in Industrie-4.0-Fabriken einfügen lässt.

Bei der Massenindividualisierung, einem Markenzeichen von Industrie-4.0-Produktionslinien, kann die automatische Sichtprüfung eine Herausforderung darstellen. Bis vor kurzem waren erfahrene menschliche Inspektoren erforderlich, um Produktfehler zu erkennen. Heute ist die KI so weit, dass sie Objektmerkmale und Defekte - von Schönheitsfehlern bis hin zu Kratzern - genauso gut erkennen kann wie menschliche Inspektoren. Darüber hinaus kann KI maschinelles Lernen beinhalten, um die kontinuierliche Verbesserung und Anpassung an neue Anforderungen zu unterstützen.

Servos

Servos und Antriebe sind ein integraler Bestandteil von Industrie-4.0-Fabriken. Die 1S-Servotechnologie von Omron unterstützt Einheiten von 50 W bis 15 kW. Das Modell R88D-1SN15H-ECT zum Beispiel ist ein 1,5-kW-Servoantrieb, der für eine ein- und dreiphasige Eingangsleistung von 200 bis 240 VAC ausgelegt ist. Es ist kompatibel mit dem Servo R88M-1L1K530T-BS2, der eine Leistung von 1,5 kW und 3000 Umdrehungen pro Minute (U/min) bei einem Drehmoment von 4,77 Newtonmetern (Nm) aufweist. Wie alle 1S-Servos verfügt auch diese Einheit über folgende Eigenschaften:

• Hochauflösender mehrgängiger 23-Bit-Drehgeber
• Direkte Motorbremsensteuerung mit integriertem Relais
• Eingebaute Sicherheitsfunktionen
  • Festverdrahtete sichere Drehmomentabschaltung, die PLe gemäß EN ISO 13849-1 und SIL3 gemäß IEC 61508 erfüllt
  • FSoE-sicheres Abschaltmoment, das PLd nach EN ISO 13849-1 und SIL2 nach IEC 61508 erfüllt

Sowohl das festverdrahtete als auch das FSoE-sichere Abschaltmoment entsprechen der EN61800-5-2(STO). Eine festverdrahtete Lösung kann die Leitung durch Unterbrechung der Hauptstromversorgung zum Stillstand bringen. FSoE unterstützt differenziertere Reaktionen und kann einen sicheren Betriebsstopp-Befehl senden, der nur die Motoren in dem betroffenen Bereich verlangsamt. FSoE kann auch einen sicheren Stopp-Befehl senden, um die Motoren bei Bedarf anzuhalten.

Maschinensteuerungen

Maschinensteuerungen wie die Serie NX1P2 von Omron können zwei Funktionen erfüllen. Sie können zur direkten Steuerung verschiedener Servos und anderer Maschinen auf der EtherCAT-Ebene der Echtzeit-Maschinensteuerung verwendet werden, und sie können eine Verbindung bis zur EtherNet/IP-Fabrikautomatisierungsebene herstellen.

Diese Steuerungen unterstützen eine integrierte Ablauf- und Bewegungssteuerung und lassen sich über EtherCAT mit bis zu acht gesteuerten Achsen verbinden (Bild 2). Sie bieten außerdem Unterstützung für EtherCAT-Steuerungsnetzwerke und EtherNet/IP-Vernetzung für die Anbindung an Fabrikautomatisierungssteuerungen. Sie verfügen über Steckplätze für zwei Optionskarten mit erweiterten Anschlussmöglichkeiten, einschließlich serieller Kommunikation und analoger I/Os. Diese Steuerungen entsprechen vollständig den Programmierstandards IEC 61131-3, um die Inbetriebnahme zu vereinfachen und zu beschleunigen.

Abbildung 2: NX1P-Steuerungen können EtherCAT-Vernetzung nutzen, um bis zu acht Bewegungsachsen zu unterstützen, wie acht 1S-AC-Servoantriebe. (Bildquelle: Omron Automation)

Der NX1P von Omron ist ein unverzichtbarer All-in-One-Controller, der erweiterte Motorsteuerungs-, Bildverarbeitungs-, Sicherheits-I/O-, Netzwerk- und IoT-Vernetzung verwalten kann. Für komplexere Anwendungen zur Maschinensteuerung, die von bis zu 254 CIP-Sicherheitsverbindungen, bis zu 62 Bewegungsachsen, 256 EtherCAT-Knoten, 1-Gbit/s-EtherNet/IP-Ports und OPC UA profitieren, können die Sysmac-Controller NX502 verwendet werden.

Moderne Maschinensteuerung

Die Controller NX502 sind für den Einsatz auf EtherCAT- und EtherNet/IP-Netzwerkebene geeignet und verfügen über MQTT-, OPC-UA- und SQL-Funktionen (Structured Query Language) für die Anbindung an die IT- und OT-Systeme des Unternehmens sowie an die Cloud.

NX502-Controller verfügen über Steckplätze für bis zu vier EtherNet/IP-Erweiterungskarten (EIP) mit Datenübertragungsraten von bis zu 1 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s). Jede EIP-Karte schafft ein Subnetz, wodurch sich die Anzahl der zu steuernden Maschinen erhöht und das Netzwerk auf Maschinenebene vom Datenbanknetzwerk und dem Netzwerk auf Werksebene getrennt wird. Durch die Segmentierung des Netzes wurde auch das Risiko von Cyberangriffen verringert, indem der Zugang zu den verschiedenen Teilnetzen eingeschränkt wurde.

Diese Controller stehen an der Spitze der Netzarchitektur und unterstützen eine Vielzahl von Steuerungs-, Informations- und Sicherheitsfunktionen (Abbildung 3):

• Steuerung
  • Bis zu 32 Bewegungsachsen mit 250 μs Zykluszeit
  • Servosteuerung mit bis zu 64 Achsen
  • 80 MB Programmspeicher
  • 260 MB variabler Speicher
• Information
  • OPC UA bietet sichere Vernetzung für MES- (Manufacturing Execution Systems) und ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning)
  • SQL-Funktionalität unterstützt den schnellen und zuverlässigen Direktzugriff auf Datenbanken und die Kommunikation von Produktionsdaten
  • MQTT unterstützt die direkte Verbindung zur Cloud und die sichere Datenerfassung
  • Bis zu 10 x 1 Gbit/s EtherNet/IP-Ports für Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungskommunikation mit Erweiterungseinheit
• Sicherheit
  • Bis zu 8 CIP-Safety-Netzwerke für die Modularisierung von Netzwerken und die Sicherheitssteuerung über Produktionslinien hinweg
  • Bis zu 254 FSoE-Verbindungen für hohe Geschwindigkeit und hochzuverlässige Sicherheit in großen Produktionslinien

Abbildung 3: NX502-Controller (Mitte) können alle Funktionen vereinen, die für die Umsetzung von Industrie-4.0-Automatisierungsnetzwerken erforderlich sind. (Bildquelle: Omron Automation)

Mensch/Maschine-Schnittstelle

Die modernen programmierbaren Terminals/HMIs der NA-Serie bieten Bedienern und Netzwerkingenieuren einen zuverlässigen und bequemen Zugang zu den Automatisierungseinheiten und -netzwerken von Sysmac. Diese Breitbildterminals verfügen über zwei Ethernet-Anschlüsse, die den gleichzeitigen Zugriff auf ein Steuergerät und Wartungsarbeiten ermöglichen. Sie sind programmierbar, so dass benutzerdefinierte Benutzeroberflächen einfach zu implementieren sind.

Die HMIs sind in den Größen 7", 9", 12" und 15" erhältlich und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen. Die 12"- und 15"-Modelle bieten 1280 x 800 Pixel, während die 7"- und 9"-Modelle 800 x 480 Pixel bieten. Bediener, die Handschuhe tragen, können den resistiven Touchscreen nutzen, der bei Bedarf wasserdicht gemacht werden kann. Die Funktionstasten können zur Vereinfachung der Benutzerinteraktion programmiert werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Diese programmierbaren HMIs verfügen über zwei Ethernet-Anschlüsse und können wasserdicht gemacht werden. (Bildquelle: Omron Automation)

Cybersichere Software

Sysmac Studio enthält umfassende und cybersichere Software-Tools für den Entwurf, die Überprüfung und den Betrieb industrieller Netzwerke. Es ermöglicht den Entwicklern von Netzwerken die Integration von Logik, Motorsteuerung und Antrieb, Robotik, Sicherheit, Visualisierung, Sensorik und Informationstechnologien. Zu den wichtigsten Funktionen während des Entwurfs und der Prüfung gehören (Abbildung 5):

• Automatische Programmierung auf der Grundlage von Wahrheitstabellen mit Eingangs-, Ausgangs- und Stopp-Bedingungen von Sicherheitseinrichtungen
• Benutzerdefinierter Funktionsblock (FB) zur Unterstützung von Hilfedateien zur Beschreibung der Ein- und Ausgabebedingungen und der Programmfunktionalität; kann verschiedene Sicherheitsstufen haben, um sie vor unbefugten Änderungen zu schützen
• Offline-Simulation auf einem separaten Computer ohne Anschluss der eigentlichen Hardware
• Online-Funktionsprüfung von integrierten Sicherheitsfunktionen; Prüfergebnisse können als Bericht ausgegeben werden

Abbildung 5: Die Software Sysmac Studio bietet umfassende Unterstützung für den Entwurf, die Verifizierung und den Betrieb von Industrie-4.0-Automatisierungsnetzwerken. (Bildquelle: Omron Automation)

Die Software Sysmac Studio unterstützt auch den laufenden Betrieb und die Wartung. Die Ausfallzeit wird durch eine SD-Speicherkarte mit Protokollierungseinstellungen und Sicherheitsdatenprotokollierung minimiert. Anhand dieser Daten können Netzwerktechniker die Ursache eines unerwarteten Systemausfalls effizient ermitteln und entsprechende Präventiv- und Abhilfemaßnahmen ergreifen.

Die Sicherheitseinheit führt einen automatischen Neustart der Konfiguration durch, um den Wartungsaufwand zu verringern:

• Wiederherstellungsprogramme und -einstellungen werden auf einer SD-Karte in der Sicherheitseinheit gespeichert. Wenn eine Sicherheitssteuerung ausgetauscht wird, können die gespeicherten Programme und Einstellungen schnell auf das neue Gerät kopiert werden.
• Wenn eine I/O-Sicherheitseinheit ausgetauscht wird, lädt der automatische Konfigurationsneustart die Einstellungsdaten automatisch in die neue Einheit herunter.

Fazit

Sysmac-Automatisierungskomponenten und Software von Omron unterstützen die kompletten Vernetzungsanforderungen für Fabrikautomatisierungsnetzwerke in der Industrie 4.0. Ihre Möglichkeiten reichen von IO-Link für den Anschluss von Sensoren bis hin zu EtherCAT und EtherNet/IP für die Verknüpfung mit Motorsteuerungs-, Sicherheits-, Bilderfassungs- und anderen Steuerungssystemen. Sie unterstützen unter anderem die Protokolle FSoE und CIP Safety. Leistungsstarke Steuerungen und Software, die OPC UA, SQL und MQTT nutzen, sind verfügbar, um das Fabriknetzwerk mit den IT- und OT-Systemen des Unternehmens sowie der Cloud zu verbinden.