การใช้แพลตฟอร์ม Cybersecure แบบครบวงจรเพื่อรองรับการเชื่อมต่ออุตสาหกรรม 4.0 ที่ครอบคลุม

การใช้งานในอุตสาหกรรม 4.0 แบบครบวงจรและมีความปลอดภัยทางไซเบอร์จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อหลายระดับ การเชื่อมต่อระดับแรกเริ่มต้นที่โรงงานด้วยการควบคุมอุปกรณ์แต่ละชิ้น รวมถึงเครื่องจักรและหุ่นยนต์ เซ็นเซอร์ และโซลูชันการตรวจสอบย้อนกลับ การเชื่อมต่อระดับที่สองขยายไปสู่ระบบอัตโนมัติระดับกลางด้วยอินเทอร์เฟซระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร (HMI) และการสื่อสารระหว่างเครื่องจักรกับเครื่องจักร และการเชื่อมโยงระดับสูงสุดกับระบบเทคโนโลยีสารสนเทศ (IT) และเทคโนโลยีการดำเนินงาน (OT) ของบริษัท เพื่อประสานงานด้านลอจิสติกส์โดยรวมและเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลสูงสุด

การตอบสนองความต้องการการเชื่อมต่อที่หลากหลายต้องใช้แพลตฟอร์มอัตโนมัติที่รองรับหลายโปรโตคอลแบบเปิด เช่น EtherCAT, ความปลอดภัยเหนือ EtherCAT (หรือที่เรียกว่า FailSafe บน EtherCAT หรือ FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), ความปลอดภัยของโปรโตคอลอุตสาหกรรมทั่วไป (CIP) และ IO-Link สำหรับเชื่อมต่อเครื่องจักร ระบบควบคุมเครื่องจักร เซ็นเซอร์ ระบบวิชั่น อุปกรณ์ความปลอดภัย และ HMI

เพื่อรองรับการรวมข้อมูล การแชร์ และการมองเห็นที่ปลอดภัยทั่วทั้งองค์กร จำเป็นต้องใช้โปรโตคอล Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) สุดท้ายนี้ จำเป็นต้องมีแพลตฟอร์มซอฟต์แวร์ที่รวมการกำหนดค่า การเขียนโปรแกรม การจำลอง และการตรวจสอบเข้ากับอินเทอร์เฟซที่ใช้งานง่าย ช่วยให้วิศวกรสามารถจัดการการควบคุมกระบวนการ การเคลื่อนไหว ความปลอดภัย การมองเห็น และหุ่นยนต์ได้ในระบบเดียว

บทความนี้จะนำเสนอแผนภาพระดับการเชื่อมต่อในระบบอัตโนมัติของอุตสาหกรรม 4.0 (รูปที่ 1) จากนั้นก็ใช้ตัวอย่างผลิตภัณฑ์จาก Omron Automation เพื่อย้ายผ่านระบบอัตโนมัติในระดับต่าง ๆ ตั้งแต่ IO-Link และการตรวจจับอัจฉริยะไปจนถึง EtherCAT สำหรับระบบวิชั่นและการควบคุมเครื่องจักรแบบเรียลไทม์, EtherNet/IP สำหรับเครือข่ายอัตโนมัติในโรงงาน และวิธีที่ OPC UA เชื่อมโยงโรงงานกับเครือข่ายองค์กรระดับสูงกว่าและคลาวด์โดยใช้ Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) และโปรโตคอลมาตรฐานอื่นๆ ปิดท้ายด้วยการดูว่าซอฟต์แวร์ Sysmac Studio ของ Omron เชื่อมโยงเข้าด้วยกันอย่างไร

รูปที่ 1: ระดับการเชื่อมต่อที่ใช้ในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม 4.0 จาก IO-Link ในโรงงานไปจนถึง MQTT และ OPC UA เข้าถึงระบบระดับองค์กรและระบบคลาวด์ที่สูงกว่า (แหล่งที่มาภาพ: Omron Automation)

ความปลอดภัย เซ็นเซอร์ และเซอร์โว

ที่ระดับเครือข่ายระบบอัตโนมัติใกล้กับพื้นที่ทำงานมากที่สุด จะพบเซ็นเซอร์ ตัวควบคุมความปลอดภัย มอเตอร์ขับเคลื่อน และเซอร์โว และมีข้อกำหนดในการเชื่อมต่อเฉพาะ โดย IO-Link รองรับการตรวจจับอัจฉริยะ และ EtherCAT เชื่อมโยงระบบย่อยการเคลื่อนไหว, I/O, ความปลอดภัย และระบบการมองเห็นต่างๆ เข้ากับเครือข่ายเครื่องจักรแบบเรียลไทม์

ยูนิต I/O

ต้องใช้ยูนิต I/O ที่หลากหลายเพื่อรองรับเซ็นเซอร์ที่หลากหลายในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 โดยยูนิต I/O Sysmac NX ของ Omron มีมากกว่า 120 รุ่นและรองรับโปรโตคอลที่หลากหลาย รวมถึง IO-Link สำหรับการเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์และ EtherCAT และ EtherNet/IP สำหรับการเชื่อมโยงกับการเคลื่อนไหว ความปลอดภัย การมองเห็น และตัวควบคุมอื่นๆ ซึ่งยูนิต I/O เหล่านี้ยังรองรับโปรโตคอล FSoE และ CIP Safety อีกด้วย

ตัวควบคุมความปลอดภัย

ความปลอดภัยถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญเมื่อทำงานกับระบบอัตโนมัติในโรงงาน Omron ขอเสนอตัวควบคุม NX Integrated Safety Controllers ที่รองรับระบบความปลอดภัยที่แข็งแกร่งซึ่งเป็นไปตามมาตรฐาน PLe ตามมาตรฐาน EN 13849-1 และ SIL3 ตามมาตรฐาน IEC 61508 รวมถึงการเชื่อมต่อ FSoE นอกจากนี้ยูนิตเชื่อมต่อ EtherNet/IP เช่น NX-EIC202 สามารถเชื่อมโยงตัวควบคุมความปลอดภัยแบบรวม NX กับเครือข่ายผู้จำหน่ายหลายราย EtherNet/IP, ยูนิต I/O ซีรีส์ NX และยูนิตความปลอดภัยอื่นๆ

CPU ด้านความปลอดภัยสามารถควบคุมยูนิต I/O ความปลอดภัยได้สูงสุด 128 ยูนิต สามารถใช้ยูนิตความปลอดภัยร่วมกับยูนิต NX I/O มาตรฐานแบบใดก็ได้ การเพิ่มความเร็วและความยืดหยุ่นในการใช้งาน ทำให้โปรแกรมความปลอดภัยสามารถสร้างมาตรฐานและนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้หน่วย Program Organization Unit (POU) ที่กำหนดไว้ใน IEC 61131 สำหรับการออกแบบและการปฏิบัติงาน

ระบบการมองเห็นที่ใช้ AI

ระบบการมองเห็นอัตโนมัติที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานในอุตสาหกรรม 4.0 ที่หลากหลาย เช่น ระบบนำทางหุ่นยนต์ การอ่านและการตรวจสอบรหัส การตรวจสอบสี การนับ การระบุข้อบกพร่อง การรู้จำอักขระด้วยแสง (OCR) และการตรวจสอบอักขระด้วยแสง (OCV)) และการตรวจหาการมีอยู่

การพัฒนาและการปรับใช้ระบบการมองเห็นที่ใช้ AI อาจเป็นกิจกรรมที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน โดยซีรีส์ FH ของ Omron ประกอบด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่จำเป็นในการใช้งานการมองเห็นที่ใช้ AI ต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว

ยกตัวอย่างโมเดล FH-2050 สามารถรองรับกล้องสองตัวได้ นอกจากนี้ เช่นเดียวกับรุ่นอื่นๆ ในซีรีส์ FH มีตัวเลือกการเชื่อมต่อที่หลากหลาย รวมถึง EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, serial RS-232C และ Universal Serial Bus (USB) ทำให้สามารถติดตั้งได้ ไปยังสถานที่หลายแห่งในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 ได้อย่างราบรื่น

ในกรณีของการปรับแต่งจำนวนมาก ซึ่งเป็นจุดเด่นของสายการผลิตอุตสาหกรรม 4.0 การตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติอาจเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ผู้ตรวจสอบที่เป็นมนุษย์ผู้มีประสบการณ์จำเป็นต้องระบุข้อบกพร่องของผลิตภัณฑ์ ในปัจจุบัน AI ได้มาถึงระดับของความสามารถที่สามารถจดจำคุณลักษณะและข้อบกพร่องของวัตถุได้ ตั้งแต่ตำหนิไปจนถึงรอยขีดข่วน เช่นเดียวกับผู้ตรวจสอบที่เป็นมนุษย์ นอกจากนี้ AI ยังสามารถรวมแมชชีนเลิร์นนิ่งเพื่อรองรับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องและการปรับตัวให้เข้ากับข้อกำหนดใหม่

เซอร์โว

เซอร์โวและไดรฟ์เป็นส่วนสำคัญของโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 เทคโนโลยีเซอร์โว 1S ของ Omron รองรับยูนิตตั้งแต่ 50 W ถึง 15 kW ตัวอย่างเช่น รุ่น R88D-1SN15H-ECT คือเซอร์โวไดรฟ์ขนาด 1.5 kW ที่กำหนดพิกัดสำหรับกำลังไฟฟ้าอินพุตเดี่ยวและสามเฟสขนาด 200 ถึง 240 Vac มันเข้ากันได้กับเซอร์โว R88M-1L1K530T-BS2 พิกัด 1.5 กิโลวัตต์และ 3,000 รอบต่อนาที (รอบต่อนาที) ด้วยแรงบิด 4.77 นิวตัน-เมตร (นิวตันเมตร) เช่นเดียวกับเซอร์โว 1S ทั้งหมด หน่วยนี้มีคุณสมบัติ:

• ตัวเข้ารหัส 23 บิตแบบหลายรอบความละเอียดสูง
• การควบคุมเบรกมอเตอร์โดยตรงด้วยรีเลย์แบบฝัง
• ฟังก์ชันความปลอดภัยในตัว
  • แรงบิดที่ปลอดภัยแบบเดินสายที่ตรงตามมาตรฐาน PLe ตามมาตรฐาน EN ISO 13849-1 และ SIL3 ตามมาตรฐาน IEC 61508
  • แรงบิดที่ปลอดภัยแบบ FSoE ที่ตรงตามมาตรฐาน PLd ตามมาตรฐาน EN ISO 13849-1 และ SIL2 ตามมาตรฐาน IEC 61508

แรงบิดที่ปลอดภัยทั้งแบบเดินสายและ FSoE เป็นไปตามมาตรฐาน EN61800-5-2(STO) โซลูชันการเดินสายสามารถทำให้ไลน์การผลิตหยุดนิ่งโดยการตัดไฟหลัก FSoE รองรับการตอบสนองที่เหมาะสมยิ่งขึ้นและสามารถส่งคำสั่ง Safe Operating Stop ได้ เพียงทำให้มอเตอร์ช้าลงในพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบเท่านั้น FSoE ยังสามารถส่งคำสั่งหยุดแบบปลอดภัย เพื่อหยุดมอเตอร์เมื่อจำเป็น

ตัวควบคุมเครื่องจักร

ตัวควบคุมเครื่องจักรเช่น ซีรีส์ NX1P2 จาก Omron สามารถตอบสนองสองฟังก์ชันได้ สามารถใช้เพื่อควบคุมเซอร์โวและเครื่องจักรอื่น ๆ ได้โดยตรงในระดับ EtherCAT ของการควบคุมเครื่องจักรแบบเรียลไทม์ และสามารถให้การเชื่อมต่อไปยังระดับระบบอัตโนมัติในโรงงานของ EtherNet/IP ได้

ตัวควบคุมเหล่านี้รองรับการควบคุมลำดับและการเคลื่อนไหวในตัว และเชื่อมต่อกับแกนควบคุมได้สูงสุด 8 แกนโดยใช้ EtherCAT (รูปที่ 2) นอกจากนี้ยังมีการรองรับเครือข่ายควบคุม EtherCAT และการเชื่อมต่อ EtherNet/IP สำหรับการเชื่อมโยงกับตัวควบคุมระบบอัตโนมัติในโรงงาน มีช่องสำหรับบอร์ดเสริมสองตัวที่ให้การเชื่อมต่อที่เพิ่มมากขึ้น รวมถึงการสื่อสารแบบอนุกรมและ I/O แบบแอนะล็อก ตัวควบคุมเหล่านี้สอดคล้องกับมาตรฐานการเขียนโปรแกรม IEC 61131-3 อย่างสมบูรณ์ เพื่อลดความซับซ้อนและรวดเร็วในการทดสอบการใช้งาน

รูปที่ 2: ตัวควบคุม NX1P สามารถใช้การเชื่อมต่อ EtherCAT เพื่อรองรับการเคลื่อนไหวสูงสุดแปดแกน เช่น เซอร์โวไดรฟ์ 1S AC แปดตัว (แหล่งที่มาภาพ: Omron Automation)

NX1P ของ Omron เป็นตัวควบคุมแบบออลอินวันที่จำเป็นซึ่งสามารถจัดการการเคลื่อนไหวขั้นสูง, การมองเห็น, I/O ด้านความปลอดภัย, เครือข่าย และการเชื่อมต่อ IoT สำหรับการควบคุมเครื่องจักรที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งสามารถใช้การเชื่อมต่อความปลอดภัย CIP สูงสุด 254 จุด, แกนการเคลื่อนไหวสูงสุด 62 แกน, โหนด EtherCAT 256 จุด, พอร์ต EtherNet/IP 1 Gbps และ OPC UA ผู้ออกแบบเครือข่ายสามารถหันไปใช้ตัวควบคุม Sysmac NX502

การควบคุมเครื่องจักรขั้นสูง

ตัวควบคุม NX502 เหมาะสำหรับการใช้งานในระดับเครือข่าย EtherCAT และ EtherNet/IP และรวมถึงความสามารถ MQTT, OPC UA และ Structured Query Language (SQL) สำหรับการเชื่อมต่อกับระบบ IT และ OT ของบริษัทและระบบคลาวด์

ตัวควบคุม NX502 มีช่องสำหรับการ์ดขยาย EtherNet/IP (EIP) สูงสุดสี่ตัว พร้อมอัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด 1 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) โดยการ์ด EIP แต่ละการ์ดจะสร้างเครือข่ายย่อย เพื่อเพิ่มจำนวนเครื่องที่สามารถควบคุมและแบ่งกลุ่มเครือข่ายระดับเครื่องจากเครือข่ายฐานข้อมูลและเครือข่ายระดับโรงงาน การแบ่งส่วนเครือข่ายยังช่วยลดความเสี่ยงจากการโจมตีทางไซเบอร์ด้วยการจำกัดการเข้าถึงเครือข่ายย่อยต่างๆ

ตัวควบคุมเหล่านี้อยู่ที่จุดสูงสุดของสถาปัตยกรรมเครือข่ายและสนับสนุนฟังก์ชันการควบคุม ข้อมูล และความปลอดภัยที่หลากหลาย รวมถึง (รูปที่ 3):

• ควบคุม
  • การเคลื่อนที่สูงสุด 32 แกนด้วยรอบเวลา 250 μs
  • ควบคุมเซอร์โวได้สูงสุด 64 แกน
  • พื้นที่จัดเก็บโปรแกรม 80 MB
  • พื้นที่เก็บข้อมูลแปรผัน 260 MB
• ข้อมูล
  • OPC UA ให้การเชื่อมต่อที่ปลอดภัยสำหรับระบบดำเนินการผลิต (MES) และระบบการวางแผนทรัพยากรองค์กร (ERP)
  • ฟังก์ชันการทำงานของ SQL รองรับการเข้าถึงฐานข้อมูลและการสื่อสารข้อมูลการผลิตโดยตรงได้อย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้
  • MQTT รองรับการเชื่อมต่อโดยตรงกับคลาวด์และการรวบรวมข้อมูลที่ปลอดภัย
  • พอร์ต EtherNet/IP สูงสุด 10 x 1 Gbps สำหรับการสื่อสารความเร็วสูง ความจุสูงพร้อมยูนิตขยาย
• ความปลอดภัย
  • เครือข่ายความปลอดภัย CIP สูงสุด 8 เครือข่ายสำหรับการแยกส่วนเครือข่ายและการควบคุมความปลอดภัยทั่วทั้งสายการผลิต
  • การเชื่อมต่อ FSoE สูงสุด 254 เส้นเพื่อความปลอดภัยความเร็วสูงและความน่าเชื่อถือสูงในสายการผลิตขนาดใหญ่

รูปที่ 3: ตัวควบคุม NX502 (กลาง) สามารถรวมฟังก์ชันทั้งหมดที่จำเป็นในการใช้เครือข่ายอัตโนมัติของอุตสาหกรรม 4.0 (แหล่งที่มาภาพ: Omron Automation)

ส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร

เทอร์มินัล/HMI ที่ตั้งโปรแกรมได้ขั้นสูง ซีรีส์ NA ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานและวิศวกรเครือข่ายเข้าถึงอุปกรณ์และเครือข่ายอัตโนมัติของ Sysmac ได้อย่างน่าเชื่อถือและสะดวกสบาย เทอร์มินัลจอกว้างเหล่านี้มีพอร์ตอีเทอร์เน็ตสองพอร์ตที่รองรับการเข้าถึงอุปกรณ์ควบคุมและกิจกรรมการบำรุงรักษาพร้อมกัน สามารถตั้งโปรแกรมได้ ทำให้ง่ายต่อการใช้งานอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกำหนดเอง

HMI เหล่านี้มีจำหน่ายในขนาด 7”, 9”, 12” และ 15” เพื่อให้เหมาะกับความต้องการใช้งานที่หลากหลาย รุ่น 12” และ 15” มี 1,280 x 800 พิกเซล ในขณะที่รุ่น 7” และ 9” มี 800 x 480 พิกเซล โดยผู้ปฏิบัติงานที่สวมถุงมือสามารถใช้หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive ได้ ซึ่งสามารถผลิตกันน้ำได้หากต้องการ สามารถตั้งโปรแกรมปุ่มฟังก์ชั่นเพื่อทำให้การโต้ตอบของผู้ใช้ง่ายขึ้น (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: HMI ที่ตั้งโปรแกรมได้เหล่านี้มีพอร์ตอีเทอร์เน็ต 2 พอร์ตและสามารถกันน้ำได้ (แหล่งที่มาภาพ: Omron Automation)

ซอฟต์แวร์รักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์

Sysmac Studio ประกอบด้วยเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ปลอดภัยทางไซเบอร์ที่ครอบคลุมสำหรับการออกแบบ การตรวจสอบ และการดำเนินงานเครือข่ายอุตสาหกรรม ช่วยให้นักออกแบบเครือข่ายสามารถบูรณาการตรรกะ การเคลื่อนไหวและไดรฟ์ หุ่นยนต์ ความปลอดภัย การแสดงภาพ การตรวจจับ และเทคโนโลยีสารสนเทศ ความสามารถหลักบางประการในระหว่างการออกแบบและการตรวจสอบ ได้แก่ (รูปที่ 5):

• การเขียนโปรแกรมอัตโนมัติ อิงตามตารางความจริงพร้อมเงื่อนไขอินพุต เอาต์พุต และหยุดของอุปกรณ์ความปลอดภัย
• บล็อกฟังก์ชันที่ผู้ใช้กำหนด (FB) เพื่อรองรับไฟล์ช่วยเหลือเพื่ออธิบายเงื่อนไขอินพุตและเอาต์พุตและการทำงานของโปรแกรม สามารถมีระดับความปลอดภัยที่แตกต่างกันเพื่อปกป้องพวกเขาจากการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ได้รับอนุญาต
• การจำลองแบบออฟไลน์ ดำเนินการบนคอมพิวเตอร์แยกต่างหากโดยไม่ต้องเชื่อมต่อฮาร์ดแวร์จริง
• ฟังก์ชันออนไลน์ การทดสอบฟังก์ชันความปลอดภัยแบบบูรณาการ สามารถส่งผลการทดสอบออกเป็นรายงานได้

รูปที่ 5: ซอฟต์แวร์ Sysmac Studio ให้การสนับสนุนที่ครอบคลุมสำหรับการออกแบบ การตรวจสอบ และการใช้งานเครือข่ายอัตโนมัติในอุตสาหกรรม 4.0 (แหล่งที่มาภาพ: Omron Automation)

ซอฟต์แวร์ Sysmac Studio ยังรองรับการทำงานและการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่อง เวลาหยุดทำงานจะลดลงโดยใช้การ์ดหน่วยความจำ SD ที่มีการตั้งค่าการบันทึกและการบันทึกข้อมูลความปลอดภัย ข้อมูลนี้ช่วยให้ช่างเทคนิคเครือข่ายสามารถระบุสาเหตุของการหยุดระบบโดยไม่คาดคิดได้อย่างมีประสิทธิภาพ และใช้มาตรการป้องกันและแก้ไขที่เหมาะสม

หน่วยความปลอดภัยจะคืนค่าการรีสตาร์ทการกำหนดค่าอัตโนมัติเพื่อลดการบำรุงรักษา:

• โปรแกรมการคืนค่าและการตั้งค่าจะถูกจัดเก็บไว้ในการ์ด SD ในชุดความปลอดภัย เมื่อเปลี่ยนชุดควบคุมความปลอดภัย โปรแกรมและการตั้งค่าที่เก็บไว้จะถูกคัดลอกไปยังหน่วยใหม่ได้อย่างรวดเร็ว
• เมื่อเปลี่ยนยูนิต I/O นิรภัย การรีสตาร์ทการกำหนดค่าอัตโนมัติจะดาวน์โหลดข้อมูลการตั้งค่าลงในยูนิตใหม่โดยอัตโนมัติ

สรุป

อุปกรณ์และซอฟต์แวร์ระบบอัตโนมัติ Sysmac จาก Omron รองรับความต้องการการเชื่อมต่อที่สมบูรณ์สำหรับเครือข่ายระบบอัตโนมัติในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 โดยความสามารถของอุปกรณ์และซอฟต์แวร์เหล่านั้นขยายตั้งแต่ IO-Link สำหรับการเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์และ EtherCAT และ EtherNet/IP สำหรับการเชื่อมโยงกับการเคลื่อนไหว ความปลอดภัย การมองเห็น และตัวควบคุมอื่นๆ รวมถึงการสนับสนุนโปรโตคอล FSoE และ CIP Safety โดยตัวควบคุมและซอฟต์แวร์อันทรงพลังที่ใช้ OPC UA, SQL และ MQTT พร้อมใช้งานเพื่อเชื่อมโยงเครือข่ายโรงงานกับระบบ IT และ OT ของบริษัท รวมถึงระบบคลาวด์