【導讀】從汽車生產(chǎn)到食品加工,無論什么樣的工廠,都需要既靈活又高速,而且兼具集成式安全和高網(wǎng)絡安全水平的機器控制。在這些環(huán)境中,網(wǎng)絡通信和安全實現(xiàn)必須具有靈活性。網(wǎng)絡上的一些設備將使用 EtherCAT 等現(xiàn)場總線協(xié)議,而其他設備則可能使用 Ethernet/IP。此外,還有些設備采用標準連接,有些則需要安全協(xié)議。
從汽車生產(chǎn)到食品加工,無論什么樣的工廠,都需要既靈活又高速,而且兼具集成式安全和高網(wǎng)絡安全水平的機器控制。在這些環(huán)境中,網(wǎng)絡通信和安全實現(xiàn)必須具有靈活性。網(wǎng)絡上的一些設備將使用 EtherCAT 等現(xiàn)場總線協(xié)議,而其他設備則可能使用 Ethernet/IP。此外,還有些設備采用標準連接,有些則需要安全協(xié)議。
為了加快部署,工業(yè)網(wǎng)絡設計人員需要能將通用工業(yè)協(xié)議安全 (CIP Safety) 與 Safety over EtherCAT(也稱為 FailSafe over EtherCAT [FSoE])相結(jié)合的控制器。CIP Safety 為采用 EtherNet/IP 連接的工業(yè)機器人等設備提供支持,而 FSoE 則與采用 EtherCAT 的設備配合使用。因此,不僅需要一系列能夠處理多達 254 個 CIP Safety 連接、62 個運動軸和 256 個 EtherCAT 節(jié)點的控制器,還需要各種方便調(diào)試和維護并適應眾多自動化系統(tǒng)設計的輸入/輸出 (I/O) 單元。
除此之外,控制器制造商還必須提供符合 IEC 61131-3 標準的軟件開發(fā)套件,以便輕松快速地控制所有連接設備。公司還必須通過 IEC 62443-4-1(工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的安全性)認證,包括安全產(chǎn)品開發(fā)生命周期要求,以減輕影響并經(jīng)常性防止網(wǎng)絡攻擊得逞。
本文首先比較了采用 EtherCAT 和 Ethernet/IP 連接的應用。然后,探討了 FSoE 和 CIP Safety 如何符合國際電工委員會 (IEC) 標準 IEC 61508 和 IEC 61784-3 并與之相關(guān)聯(lián),以及如何使用國際標準化組織 (ISO) 12100 標準來評估安全風險。隨后,本文回顧了符合 IEC 61131-3 標準的軟件開發(fā)套件的要求,以及獲得 IEC 62443-4-1 網(wǎng)絡安全認證所需的條件。最后,介紹了 Omron Automation 的一系列控制器和 I/O 單元,這些產(chǎn)品非常適合確保高速工業(yè)自動化裝置的網(wǎng)絡安全。
工業(yè)自動化網(wǎng)絡可能需要實現(xiàn)高速的機器控制,以及工廠與云端、企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 和其他管理系統(tǒng)的連接。
這正是支持 EtherCAT 和 EtherNet/IP 的控制器的用武之地,比如 Omron 的 Sysmac NX102。EtherCAT 可用于與電機和服務器控制器(如 Omron 的 1S 系列伺服驅(qū)動器和電機,包括 R88D-1SN10H-ECT 1 kW 伺服驅(qū)動器和 R88M-1L1K030T 1 kW、3000 RPM 服務器電機)進行高速通信。
這款 NX102 控制器可使用 EtherNet/IP 控制標準工業(yè)機器人,并提供工廠與云端、ERP 和其他系統(tǒng)的連接。所有這些功能都可通過 Omron 用于機器和工廠自動化的 Sysmac Studio 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 來實現(xiàn)(圖 1):
· 使用 EtherCAT 實現(xiàn)機器控制
通過冗余功能盡可能減少停機時間
靈活的系統(tǒng)配置支持多達 512 個從屬設備
125 μs 的短周期時間,與 1 μs 抖動保持同步
使用帶 RJ45 連接器的標準屏蔽雙絞線 (STP) 以太網(wǎng)電纜進行簡單連接
支持 FSoE
· 使用 EtherNet/IP 實現(xiàn)工廠連接
點對點控制器通信
支持 Microsoft SQL Server、Oracle、IBM DB2、MySQL 和 Firebird 的數(shù)據(jù)庫連接
集成 FTP 服務器
采用消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協(xié)議,實現(xiàn)與云端和其他網(wǎng)絡的安全連接
支持 CIP Safety
圖 1:Omron NX102 等控制器可在單個網(wǎng)絡上實現(xiàn) EtherCAT 加 FSoE 和 EtherNet/IP 加 CIP Safety。(圖片來源:Omron Automation)
IEC 安全和 ISO 風險評估
EtherCAT 和 EtherNet/IP 器件有多種混搭方式。在選擇具體器件時,要做出的關(guān)鍵決策之一是優(yōu)化網(wǎng)絡效率和安全性。這需要了解 IEC 安全標準,并根據(jù) ISO 要求實施有效的風險評估計劃:
· IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)(E/E/PE 或 E/E/PES)的功能安全》是適用于所有行業(yè)的基本功能安全標準。其中包括應用、設計、部署和維護自動化保護設備(也稱為安全相關(guān)系統(tǒng))的方法。
· IEC 61784-3:2021《功能安全現(xiàn)場總線 – 一般規(guī)則和配置文件定義》規(guī)定了在根據(jù) IEC 61508 功能安全要求設計的分布式網(wǎng)絡中傳輸安全相關(guān)信息時可使用的通用原則。FSoE 和 CIP Safety 均符合這一標準。
· ISO 12100《機械安全 – 設計的一般原則 – 風險評估和風險降低》描述了如何獨立于已部署的安全協(xié)議來評估和管理風險。評估包括五個步驟或行動(圖 2):
· 確定機械限制 – 了解機器運行和預期操作員交互的限制
· 危險識別 – 包括機器制造、使用、維護和處置過程中的危險
· 風險估計 – 量化每種風險的發(fā)生概率和預期危害嚴重程度
· 風險評估 – 確定風險是否已降至可控的安全水平:如果答案為“是”,則記錄評估結(jié)果并部署系統(tǒng);如果答案為“否”,則制定其他風險降低策略
· 風險降低 – 擴大風險降低措施的實施范圍,再回到行動 1 繼續(xù)進行評估
圖 2:實施 ISO 12100 中詳述的風險評估所需的五項行動。(圖片來源:Omron Automation)
FSoE 與 CIP Safety 有何區(qū)別?
FSoE 和 CIP Safety 均符合 IEC 61784-3:2021 的要求,可實現(xiàn)不同供應商的設備之間的互操作性。應通過安全風險評估來確定每個裝置的安全需求和正確配置。為確保功能安全,必須減少八種類型的網(wǎng)絡錯誤,并在 FSoE 和 CIP Safety 中采用不同的處理方式。FSoE 增加了第九個考慮因素,即“解決交換機的存儲器故障”。這兩種協(xié)議均須處理的八種網(wǎng)絡錯誤包括(表 1):
表 1:CIP Safety(上)和 FSoE(下)支持不同的網(wǎng)絡錯誤處理方法。(表格來源:Omron Automation)
符合 IEC 61131-3 標準的 IDE
高效的網(wǎng)絡開發(fā)和部署也很重要。Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 的語法和語義要求,簡化了軟件開發(fā)。工業(yè)自動化 IDE 通常需要單獨開發(fā)運動控制程序并對安全控制進行編程。Sysmac Studio 支持對順序和運動控制進行集成安全編程,包括設計、驗證、調(diào)試、操作和持續(xù)改進。
該產(chǎn)品還支持復雜的工業(yè)自動化系統(tǒng),包括 I/O、運動和安全設備。該 IDE 平臺使用相同的圖形用戶界面 (GUI) 進行機器排序和控制以及安全控制設計,簡化并加快了開發(fā)過程。
由此產(chǎn)生的軟件可采用模塊化結(jié)構(gòu)設計,支持在新的應用中重復使用,減少了后續(xù)應用所需的驗證和確認工作。
IEC 62443-4-1 認證
IEC 62443-4-1 規(guī)定了實施和維護電子安全工業(yè)自動化和控制系統(tǒng) (IACS) 的要求和流程。它確立了一系列最佳安全實踐,并提供了一種評估所達到的安全級別的方法。該標準采用全面的網(wǎng)絡安全方法,消除了操作和信息技術(shù)與過程安全和網(wǎng)絡安全脫節(jié)的問題。
工業(yè) 4.0 中設備的連接性越來越強,導致網(wǎng)絡安全風險相應增加,因此需要實施全面的安全措施,才能降低網(wǎng)絡攻擊造成運營中斷的可能性。Omron Automation 已通過 IEC 62443-4-1 認證,為其 PLC 產(chǎn)品和軟件建立了安全的開發(fā)生命周期。
機器自動化控制器
Omron 的 NX502 控制器旨在提供可擴展的自動化解決方案,具有精確的運動控制和強大的安全性。這些控制器圍繞 Sysmac 的“一個控制器、一個連接和一個軟件”架構(gòu)而構(gòu)建,使用一個控制器將邏輯、運動、安全、機器人、視覺、信息、可視化和網(wǎng)絡集成到 Sysmac Studio 這一個軟件中(圖 3)。
圖 3:NX502 控制器圍繞 Sysmac 的“一個控制器、一個連接和一個軟件”架構(gòu)而構(gòu)建(圖片來源:Omron Automation)。
NX502 控制器還能最大限度地降低遭受網(wǎng)絡攻擊的風險,集中并簡化工廠自動化控制。該器件可包含多達 254 個 CIP Safety 連接、62 個運動軸、256 個 EtherCAT 節(jié)點、80 MB 程序存儲器、1 Gbps EtherNet/IP 端口,并支持開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu) (OPC UA) 和結(jié)構(gòu)化查詢語言 (SQL) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫。
這些控制器可處理處理器單元左側(cè)的多達四個 EtherNet/IP (EIP) 擴展卡,從而能夠通過單個處理器單元控制多臺機器。每個 EIP 擴展卡都會創(chuàng)建一個子網(wǎng),將連接的機器與數(shù)據(jù)庫和工廠級網(wǎng)絡分開。
NX502 控制器有三種型號:
NX502-1300,可控制 16 個伺服軸
NX502-1400,可控制 32 個伺服軸
NX502-1500,可控制 64 個伺服軸
小型網(wǎng)絡的自動化
小型工廠自動化裝置的設計人員可以使用 Omron 的 NX102 控制器。與較大的 NX502 控制器一樣,這些器件也采用 Sysmac 的“一個控制器、一個連接和一個軟件”架構(gòu)。此類控制器可在使用 EtherCAT、EtherNet/IP 和 IO-Link 等本地通信協(xié)議的小型網(wǎng)絡中加快實現(xiàn) IIoT 功能。
所有 NX 系列控制器都配有通用 I/O 連接,并可在 Sysmac Studio 軟件上進行編程,這樣使用 NX102 控制器部署的小型網(wǎng)絡就能通過 NX502 等較大的控制器輕松擴展。NX102 控制器的其他特性包括:
· EtherCAT 周期時間為 1 至 32 ms,以 0.25 ms 為增量
· 預裝有 OPC UA 和 SQL
· 最多可控制八個運動軸;例如,NX102-1200 支持八軸運動控制,NX102-1100 支持四軸運動控制,NX102-1020 支持兩軸運動控制
· 最多 256 個 EtherCAT 節(jié)點
· 最多 16 個 CIP Safety 連接
· 5 MB 程序存儲器
· 每個 CPU 32 個本地 I/O,總共 400 個 I/O,帶遠程 NX I/O
Sysmac NX I/O 單元
I/O 連接是所有工廠自動化網(wǎng)絡的重要組成部分。Sysmac NX I/O 產(chǎn)品組合包括 120 多種 I/O 單元,可在工廠車間實現(xiàn)各種功能,并將它們連接到更大的控制網(wǎng)絡。
這些 I/O 單元與常見的通信協(xié)議兼容,包括 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE、CIP Safety 和 IO-Link。例如,NX1P2-9024DT 型號包括 24 個 NPN 數(shù)字晶體管 I/O、1.5 MB 存儲器、支持 16 個 EtherCAT 節(jié)點、EtherNet/IP 和一個串行選項端口,而 NX1P2-9024DT1 型號的規(guī)格相同,只是將 24 個 NPN 數(shù)字晶體管 I/O 換成了 24 個 PNP 數(shù)字晶體管 I/O(圖 4)。可用模塊的示例:
· 數(shù)字 I/O
· 模擬 I/O
· 溫度 I/O
· 編碼和定位
· 電源和連接單元
圖 4:帶 24 個數(shù)字 NPN 晶體管 I/O 的 NX1P CPU 圖片。(圖片來源:Omron Automation)
總結(jié)
Omron Sysmac 控制器為機器和自動化網(wǎng)絡設計人員提供了全面的解決方案。這些器件支持 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE 和 CIP Safety。既提供僅支持幾個控制節(jié)點的型號,也提供支持多達 254 個 CIP Safety 連接、62 個運動軸和 256 個 EtherCAT 節(jié)點的型號。Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 標準,全系列產(chǎn)品均通過了 IEC 62443-4-1 網(wǎng)絡安全認證。
(作者:Jeff Shepard)
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