Utilizzo di una piattaforma unificata per la sicurezza informatica per supportare la connettività per l'Impresa 4.0 completa

Un'implementazione unificata e sicura dal punto di vista informatico dell'Impresa 4.0 richiede più livelli di connettività. Il primo inizia in fabbrica con il controllo dei singoli dispositivi, tra cui macchine e robot, sensori e soluzioni di tracciabilità. Il secondo si estende all'automazione di medio livello con interfacce uomo-macchina (HMI) e comunicazione macchina-macchina. Il massimo livello di connettività si collega ai sistemi informatici (IT) e di tecnologia operativa (OT) dell'azienda per coordinare la logistica e massimizzare l'efficienza e la produttività.

Per soddisfare le diverse esigenze di connettività è necessaria una piattaforma di automazione che supporti più protocolli aperti come EtherCAT, Safety over EtherCAT (chiamato anche FailSafe over EtherCAT o FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), Common Industrial Protocol (CIP) Safety e IO-Link per il collegamento di macchine, controlli macchina, sensori, sistemi di visione, dispositivi di sicurezza e HMI.

Il protocollo Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) è necessario per supportare il consolidamento dei dati, la condivisione e la visibilità sicura in tutta l'azienda. Infine, è necessaria una piattaforma software che integri configurazione, programmazione, simulazione e monitoraggio con un'interfaccia intuitiva, per consentire agli ingegneri di gestire il controllo di processo, il movimento, la sicurezza, la visione e la robotica in un unico sistema.

Questo articolo presenta innanzitutto uno schema dei livelli di connettività nei sistemi di automazione per l'Impresa 4.0 (Figura 1). Utilizza quindi esempi di prodotti di Omron Automation per spiegare i vari livelli di automazione, da IO-Link e il rilevamento intelligente a EtherCAT per i sistemi di visione e il controllo macchine in tempo reale, EtherNet/IP per le reti di automazione di fabbrica e il modo in cui OPC UA collega la fabbrica a reti aziendali di livello superiore e al cloud utilizzando Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) e altri protocolli standard. Si conclude con un'analisi del modo in cui il software Sysmac Studio di Omron collega il tutto.

Figura 1: Livelli di connettività utilizzati nei sistemi di automazione per l'Impresa 4.0, da IO-Link in fabbrica a MQTT e OPC UA che raggiungono sistemi aziendali di livello superiore e il cloud. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation)

Sicurezza, sensori e servomotori

Al livello di rete di automazione più vicino alla fabbrica, si trovano i sensori, i controller di sicurezza, gli azionamenti e i servomotori, che hanno requisiti di connettività specifici. IO-Link supporta il rilevamento intelligente, mentre EtherCAT collega i vari sottosistemi di movimento, I/O, sicurezza e visione in una rete di macchine in tempo reale.

Unità di I/O

È necessaria un'ampia gamma di unità di I/O per supportare la diversità dei sensori nelle fabbriche dell'Impresa 4.0. I moduli di I/O Sysmac NX di Omron comprendono oltre 120 modelli e supportano un'ampia gamma di protocolli, tra cui IO-Link per il collegamento ai sensori e EtherCAT ed EtherNet/IP per il collegamento con controller di movimento, sicurezza, visione e altri. Queste unità I/O supportano anche i protocolli FSoE e CIP Safety.

Controller di sicurezza

La sicurezza è un aspetto cruciale quando si parla dell'automazione di fabbrica. Omron offre i controller di sicurezza integrati NX che supportano sistemi di sicurezza robusti conformi a PLe secondo EN 13849-1 e SIL3 secondo IEC 61508, compresa la connettività FSoE. Inoltre, i moduli accoppiatori EtherNet/IP come NX-EIC202 possono collegare i controller di sicurezza integrati NX con una rete EtherNet/IP di fornitori diversi, i moduli I/O serie NX e altre unità di sicurezza.

La CPU di sicurezza può controllare fino a 128 unità di I/O di sicurezza. I moduli di sicurezza possono essere utilizzati con qualsiasi combinazione di moduli I/O NX standard. Per aumentare ulteriormente la velocità e la flessibilità di implementazione, i programmi di sicurezza possono essere standardizzati e riutilizzati in modo efficiente utilizzando le unità organizzative di programma (POU) definite nella norma IEC 61131 per la progettazione e il funzionamento.

Visione basata sull'intelligenza artificiale

I sistemi automatizzati di visione basati sull'intelligenza artificiale (IA) possono incrementare la produttività in un'ampia gamma di applicazioni dell'Impresa 4.0, come la guida dei robot, la lettura e la verifica dei codici, l'ispezione basatai sui colori, il conteggio, l'identificazione dei difetti, il riconoscimento ottico dei caratteri (OCR), la verifica ottica dei caratteri (OCV) e il rilevamento di presenza/assenza.

Lo sviluppo e l'implementazione di sistemi di visione basati sull'IA può essere un'attività complessa e laboriosa. La serie FH di Omron comprende l'hardware e il software necessari per implementare rapidamente varie applicazioni di visione basate sull'IA.

Ad esempio, il modello FH-2050 può supportare due telecamere. Inoltre, come altri modelli della serie FH, vanta un'ampia gamma di opzioni di connettività, tra cui EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, RS-232C seriale e bus seriale universale (USB), che gli consentono di inserirsi senza problemi in molte sedi degli stabilimenti dell'Impresa 4.0.

Nel caso della personalizzazione di massa, un segno distintivo delle linee di produzione dell'Impresa 4.0, l'ispezione visiva automatizzata può essere difficile da implementare. Fino a poco tempo fa, per identificare i difetti dei prodotti erano necessari ispettori umani esperti. Oggi l'IA ha raggiunto un livello di capacità tale da poter riconoscere le caratteristiche e i difetti degli oggetti, dalle imperfezioni ai graffi, al pari degli ispettori umani. Inoltre, l'IA può includere l'apprendimento automatico per supportare il miglioramento continuo e l'adattamento ai nuovi requisiti.

Servomotori

I servomotori e azionamenti sono parte integrante delle fabbriche dell'Impresa 4.0. La tecnologia servo 1S di Omron supporta unità da 50 W a 15 kW. Ad esempio, il modello R88D-1SN15H-ECT è un servomotore da 1,5 kW con potenza di ingresso mono e trifase da 200 a 240 V c.a. È compatibile con il servomotore R88M-1L1K530T-BS2, con una potenza nominale di 1,5 kW e 3.000 giri/min con una coppia di 4,77 Nm. Come tutti i servomotori 1S, questa unità è dotata di:

• Encoder multigiro a 23 bit ad alta risoluzione
• Controllo diretto del freno motore con relè incorporato
• Funzioni di protezione incorporate
  • Coppia di serraggio sicura cablata conforme a PLe secondo EN ISO 13849-1 e SIL3 secondo IEC 61508
  • Coppia di serraggio sicura FSoE conforme a PLd secondo EN ISO 13849-1 e SIL2 secondo IEC 61508

Sia la coppia cablata che quella FSoE sono conformi alla norma EN61800-5-2 (STO). Una soluzione cablata può bloccare la linea interrompendo l'alimentazione principale. FSoE supporta risposte più specifiche e può inviare un comando di arresto operativo sicuro, rallentando solo i motori nell'area interessata. FSoE può anche inviare un comando di arresto sicuro, per arrestare i motori quando necessario.

Controller di macchine

I controller di macchine come la serie NX1P2 di Omron possono svolgere due funzioni. Possono controllare direttamente vari servomotori e altre macchine al livello EtherCAT di controllo macchina in tempo reale e possono fornire un collegamento fino al livello di automazione di fabbrica EtherNet/IP.

Questi controller supportano la sequenza integrata e il controllo del movimento e si collegano a un massimo di otto assi controllati tramite EtherCAT (Figura 2). Sono inoltre dotati di supporto per la rete di controllo EtherCAT e di connettività EtherNet/IP per il collegamento ai controller di automazione di fabbrica. Sono dotati di slot per due schede opzionali che offrono una connettività estesa, tra cui comunicazioni seriali e I/O analogici. Questi controller sono pienamente conformi agli standard di programmazione IEC 61131-3 per semplificare e velocizzare la messa in funzione.

Figura 2: I controller NX1P possono utilizzare la connettività EtherCAT per supportare fino a otto assi di movimento, come otto servocomandi CA 1S. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation)

NX1P di Omron è un controller universale essenziale in grado di gestire funzioni avanzate di movimento, visione, I/O di sicurezza, rete e connettività IoT. Per le applicazioni di controllo macchina più complesse, che possono beneficiare di fino a 254 connessioni di sicurezza CIP, fino a 62 assi di movimento, 256 nodi EtherCAT, porte EtherNet/IP da 1 Gbps e OPC UA, i progettisti di rete possono rivolgersi ai controller Sysmac NX502.

Controllo avanzato delle macchine

I controller NX502 sono adatti per l'uso a livello di rete EtherCAT ed EtherNet/IP e includono funzionalità MQTT, OPC UA e linguaggio di interrogazione strutturato (SQL) per la connessione ai sistemi IT e OT dell'azienda e al cloud.

I controller NX502 prevedono slot per un massimo di quattro schede di espansione EtherNet/IP (EIP) con velocità di trasferimento dati fino a 1 Gbps. Ogni scheda EIP crea una sottorete, aumentando il numero di macchine controllabili e segmentando la rete a livello di macchina dalla rete del database e dalla rete di fabbrica. La segmentazione della rete riduce inoltre il rischio di attacchi informatici limitando l'accesso alle diverse sottoreti.

Questi controller si trovano all'apice dell'architettura di rete e supportano una serie di funzioni di controllo, informazione e sicurezza, tra cui (Figura 3):

• Controllo
  • Fino a 32 assi di movimento con tempo di ciclo di 250 μs
  • Servocomando fino a 64 assi
  • 80 MB di memoria di programma
  • 260 MB di memoria variabile
• Informazioni
  • OPC UA fornisce una connettività sicura per i sistemi di esecuzione della produzione (MES) e i sistemi di pianificazione delle risorse aziendali (ERP).
  • La funzionalità SQL supporta l'accesso diretto rapido e affidabile ai database e la comunicazione dei dati di produzione.
  • MQTT supporta la connessione diretta al cloud e la raccolta sicura dei dati
  • Fino a 10 porte EtherNet/IP da 1 Gbps per comunicazioni ad alta velocità e ad alta capacità con l'unità di espansione
• Sicurezza
  • Fino a 8 reti CIP Safety per la modularizzazione della rete e il controllo della sicurezza sulle linee di produzione
  • Fino a 254 connessioni FSoE per una sicurezza ad alta velocità e alta affidabilità su grandi linee di produzione

Figura 3: I controller NX502 (al centro) sono in grado di combinare tutte le funzioni necessarie per implementare le reti di automazione per l'Impresa 4.0. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation)

Interfaccia uomo-macchina (HMI)

Il terminale programmabile avanzato/HMI serie NA offre a operatori e tecnici di rete un accesso affidabile e comodo ai dispositivi e alle reti di automazione Sysmac. Questi terminali ad ampio schermo sono dotati di due porte Ethernet per l'accesso simultaneo a un dispositivo di controllo e alle attività di manutenzione. Sono programmabili, il che semplifica l'implementazione di interfacce utente personalizzate.

Questi HMI sono disponibili nei formati di 7", 9", 12" e 15" per soddisfare un'ampia gamma di esigenze applicative. I modelli da 12" e 15" hanno una risoluzione di 1280 x 800 pixel, mentre i modelli da 7" e 9" di 800 x 480 pixel. Gli operatori che indossano i guanti possono utilizzare il touchscreen resistivo, che all'occorrenza può essere impermeabilizzato. I tasti funzione possono essere programmati per semplificare le interazioni dell'utente (Figura 4).

Figura 4: Questi HMI programmabili sono dotati di due porte Ethernet e possono essere impermeabilizzati. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation)

Software sicuro dal punto di vista informatico

Sysmac Studio comprende strumenti software completi e sicuri dal punto di vista informatico per la progettazione, la verifica e la gestione di reti industriali. Consente ai progettisti di reti di integrare tecnologie logiche, di movimento e di azionamento, robotiche, di sicurezza, di visualizzazione, di rilevamento e di informazione. Alcune funzionalità chiave durante la progettazione e la verifica includono (Figura 5):

• Programmazione automatica basata su tabelle di verità con condizioni di ingresso, uscita e arresto dei dispositivi di sicurezza
• Blocchi funzione (FB) definiti dall'utente per supportare file di guida in cui descrivere le condizioni di ingresso e uscita e le funzionalità del programma; possono avere diversi livelli di sicurezza per proteggerli da modifiche non autorizzate
• Simulazione offline eseguita su un computer separato senza collegare l'hardware reale
• Test funzionali online delle funzioni di sicurezza integrate; i risultati dei test possono essere visualizzati come report

Figura 5: Il software Sysmac Studio fornisce un supporto completo per la progettazione, la verifica e il funzionamento delle reti di automazione per l'Impresa 4.0. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation)

Il software Sysmac Studio supporta anche le operazioni e la manutenzione in corso. I tempi di inattività sono ridotti al minimo grazie a una scheda di memoria SD contenente le impostazioni di registrazione e la registrazione dei dati di sicurezza. Questi dati consentono ai tecnici di rete di determinare in modo efficiente la causa di un arresto imprevisto del sistema e di adottare misure preventive e correttive adeguate.

L'unità di sicurezza ripristina il riavvio automatico della configurazione per ridurre la manutenzione:

• I programmi e le impostazioni di ripristino sono memorizzati su una scheda SD nell'unità di sicurezza. Quando si sostituisce un'unità di controllo di sicurezza, i programmi e le impostazioni memorizzati possono essere rapidamente copiati sulla nuova unità.
• Quando si sostituisce un modulo I/O di sicurezza, il riavvio automatico della configurazione scarica automaticamente i dati di impostazione nel nuovo modulo.

Conclusione

I dispositivi di automazione e il software Sysmac di Omron supportano le esigenze di connettività complete per le reti di automazione industriale dell'Impresa 4.0. Le loro capacità vanno da IO-Link per il collegamento ai sensori a EtherCAT e EtherNet/IP per il collegamento con controller di movimento, sicurezza, visione e altro. Includono il supporto dei protocolli FSoE e CIP Safety. Sono disponibili potenti controller e software che utilizzano OPC UA, SQL e MQTT per collegare la rete della fabbrica ai sistemi IT e OT dell'azienda e al cloud.