Usando uma plataforma unificada de segurança cibernética para dar suporte à conectividade abrangente da Indústria 4.0

Uma implementação unificada e com segurança cibernética da Indústria 4.0 requer vários níveis de conectividade. O primeiro nível de conectividade começa no chão de fábrica com o controle de dispositivos individuais, incluindo máquinas e robôs, sensores e soluções de rastreabilidade. O segundo nível de conectividade se estende à automação de nível médio com interfaces homem máquina (IHMs) e comunicação máquina a máquina. O nível superior de conectividade se conecta aos sistemas de tecnologia da informação (TI) e de tecnologia de operações (TO) da empresa para coordenar a logística geral e maximizar a eficiência e a produtividade.

Para atender às diversas necessidades de conectividade, é necessária uma plataforma de automação compatível com vários protocolos abertos, como EtherCAT, Safety over EtherCAT (também chamado de FailSafe over EtherCAT ou FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), protocolo industrial comum de segurança (CIP Safety) e IO-Link para conectar máquinas, controles de máquinas, sensores, sistemas de visão, dispositivos de segurança e IHMs.

O protocolo Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) é necessário para dar suporte à consolidação de dados, ao compartilhamento e à visibilidade segura em toda a empresa. Por fim, é necessária uma plataforma de software que integre a configuração, programação, simulação e monitoramento com uma interface intuitiva, permitindo que os engenheiros gerenciem o controle de processos, o movimento, a segurança, a visão e a robótica em um único sistema.

Este artigo apresenta primeiramente um diagrama dos níveis de conectividade nos sistemas de automação da Indústria 4.0 (Figura 1). Em seguida, usa exemplos de produtos da Omron Automation para percorrer os vários níveis de automação, desde IO-Link e sensoriamento inteligente até EtherCAT para sistemas de visão e controle de máquinas em tempo real, EtherNet/IP para redes de automação de fábrica, e como o OPC UA conecta a fábrica a redes corporativas de nível superior e à nuvem usando o Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) e outros protocolos padrão. E encerra com uma visão de como o software Sysmac Studio da Omron une tudo isso.

Figura 1: níveis de conectividade usados nos sistemas de automação da Indústria 4.0, desde o IO-Link no chão de fábrica até o MQTT e o OPC UA que alcançam sistemas empresariais de nível superior e nuvem. (Fonte da imagem: Omron Automation)

Segurança, sensores e servos

No nível da rede de automação mais próximo do chão de fábrica, encontram-se sensores, controladores de segurança, acionamentos de motor e servos, que têm requisitos de conectividade específicos. O IO-Link oferece suporte ao sensoriamento inteligente e o EtherCAT vincula os vários subsistemas de movimento, E/S, segurança e visão em uma rede de máquinas em tempo real.

Unidades de E/S

É necessária uma ampla variedade de unidades de E/S para dar suporte à diversidade de sensores nas fábricas da Indústria 4.0. As Unidades de E/S Sysmac NX da Omron incluem mais de 120 modelos e suportam uma ampla variedade de protocolos, incluindo IO-Link para conexão com sensores e EtherCAT e EtherNet/IP para conexão com controladores de movimento, segurança, visão e outros. Essas unidades de E/S também são compatíveis com os protocolos FSoE e CIP Safety.

Controladores de segurança

A segurança é uma consideração crucial quando se trabalha com automação de fábrica. A Omron oferece os Controladores de segurança integrados NX que suportam sistemas de segurança robustos que atendem a PLe de acordo com a EN 13849-1 e SIL3 de acordo com a IEC 61508, incluindo conectividade FSoE. Além disso, as unidades de acoplamento EtherNet/IP, como a NX-EIC202, podem vincular os controladores de segurança integrados NX a uma rede EtherNet/IP de vários fornecedores, às Unidades de E/S da série NX e a outras unidades de segurança.

A CPU de segurança pode controlar até 128 unidades de E/S de segurança. As unidades de segurança podem ser usadas com qualquer combinação de unidades de E/S NX padrão. Aumentando ainda mais a velocidade e a flexibilidade da implementação, os programas de segurança podem ser padronizados e reutilizados com eficiência usando unidades de organização de programas (POUs) definidas na IEC 61131 para projeto e operação.

Visão baseada em IA

Os sistemas de visão automatizados baseados em inteligência artificial (IA) podem aumentar a produtividade em uma ampla variedade de aplicações da Indústria 4.0, como orientação de robôs, leitura e verificação de códigos, inspeção de cores, contagem, identificação de defeitos, reconhecimento óptico de caracteres (OCR), verificação óptica de caracteres (OCV) e detecção de presença/ausência.

O desenvolvimento e a implantação de sistemas de visão baseados em IA podem ser atividades complexas e demoradas. A série FH da Omron inclui o hardware e o software necessários para implementar rapidamente vários aplicativos de visão baseados em IA.

Por exemplo, o modelo FH-2050 pode suportar duas câmeras. Além disso, assim como outros modelos da série FH, ele apresenta uma ampla variedade de opções de conectividade, incluindo EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, serial RS-232C e barramento serial universal (USB), o que permite que ele se encaixe perfeitamente em muitos locais nas fábricas da Indústria 4.0.

No caso da personalização em massa, uma marca registrada das linhas de produção da Indústria 4.0, a implementação da inspeção visual automatizada pode ser um desafio. Até recentemente, eram necessários inspetores humanos experientes para identificar defeitos nos produtos. Atualmente, a IA atingiu um nível de capacidade em que pode reconhecer características e defeitos de objetos, desde manchas a arranhões, tão bem quanto os inspetores humanos. Além disso, a IA pode incluir aprendizado de máquina para dar suporte à melhoria contínua e à adaptação a novos requisitos.

Servos

Servos e controladores são partes integrantes das fábricas da Indústria 4.0. A tecnologia servo 1S da Omron suporta unidades de 50 W a 15 kW. Por exemplo, o modelo R88D-1SN15H-ECT é um acionamento servo de 1,5 kW com alimentação nominal de entrada monofásica e trifásica de 200 a 240 VCA. Ele é compatível com o servo R88M-1L1K530T-BS2, de 1,5 kW nominal e 3.000 rotações por minuto (rpm) com 4,77 Newton-metros (Nm) de torque. Como todos os servos 1S, essa unidade apresenta:

• Codificador multivoltas de 23 bits de alta resolução
• Controle direto do freio motor com um relé embarcado
• Funções de segurança incorporadas
  • Torque de parada seguro com fio que atende a PLe de acordo com a EN ISO 13849-1 e SIL3 de acordo com a IEC 61508
  • Torque de parada seguro FSoE que atende a PLd de acordo com a EN ISO 13849-1 e SIL2 de acordo com a IEC 61508

Tanto o torque de parada seguro com fio quanto o torque de parada seguro FSoE atendem à norma EN61800-5-2(STO). Uma solução com fio pode paralisar a linha cortando a alimentação principal. O FSoE suporta respostas mais sutis e pode enviar um comando de parada operacional segura, desacelerando apenas os motores na área afetada. O FSoE também pode enviar um comando de parada segura, parando os motores quando necessário.

Controladores de máquinas

Os controladores de máquinas, como a série NX1P2 da Omron, podem cumprir duas funções. Eles podem ser usados para controlar diretamente vários servos e outras máquinas no nível EtherCAT de controle de máquina em tempo real e podem fornecer uma conexão até o nível superior de automação de fábrica EtherNet/IP.

Esses controladores suportam sequência integrada e controle de movimento, e se conectam a até oito eixos controlados usando EtherCAT (Figura 2). Eles também apresentam suporte à rede de controle EtherCAT e conectividade EtherNet/IP para conexão com controladores de automação de fábrica. Eles têm slots para duas placas opcionais que oferecem conectividade expandida, incluindo comunicações serial e E/Ss analógicas. Esses controladores estão em total conformidade com os padrões de programação IEC 61131-3 para simplificar e acelerar o comissionamento.

Figura 2: os controladores NX1P podem usar conectividade EtherCAT para suportar até oito eixos de movimento, como oito acionamentos servo 1S AC. (Fonte da imagem: Omron Automation)

O NX1P da Omron é um controlador tudo-em-um essencial que pode gerenciar movimento avançado, visão, E/S de segurança, rede e conectividade IoT. Os projetistas de rede podem recorrer aos Controladores Sysmac NX502 para aplicações de controle de máquinas mais complexas que podem se beneficiar de até 254 conexões de segurança CIP, até 62 eixos de movimento, 256 nós EtherCAT, portas EtherNet/IP de 1 Gbps e OPC UA.

Controle avançado de máquina

Os controladores NX502 são adequados para uso nos níveis de rede EtherCAT e EtherNet/IP e incluem recursos de MQTT, OPC UA e linguagem de consulta estruturada (SQL) para conexão com os sistemas de TI, TO e nuvem da empresa.

Os controladores NX502 têm slots para até quatro placas de expansão EtherNet/IP (EIP) com taxas de transferência de dados de até 1 Gigabit por segundo (Gbps). Cada placa EIP cria uma sub-rede, aumentando o número de máquinas que podem ser controladas e segmentando a rede em nível de máquina, da rede de banco de dados e da rede em nível de fábrica. A segmentação da rede também reduz o risco de ataques cibernéticos ao limitar o acesso às diferentes sub-redes.

Esses controladores ficam no ápice da arquitetura da rede e oferecem suporte a diversas funções de controle, informação e segurança, incluindo (Figura 3):

• Controle
  • Até 32 eixos de movimento com tempo de ciclo de 250 μs
  • Servo controle com até 64 eixos
  • 80 MB de armazenamento de programas
  • 260 MB de armazenamento variável
• Informação
  • OPC UA fornece conectividade segura para sistemas de execução de manufatura (MES) e sistemas de planejamento de recursos empresariais (ERP)
  • A funcionalidade SQL permite o acesso direto, rápido e confiável a bancos de dados e a comunicação de dados de produção
  • MQTT suporta conexão direta com a nuvem e coleta segura de dados
  • Até 10 portas EtherNet/IP de 1 Gbps para comunicações de alta velocidade e alta capacidade com unidade de expansão
• Segurança
  • Até 8 redes CIP Safety para modularização da rede e controle de segurança nas linhas de produção
  • Até 254 conexões FSoE para segurança de alta velocidade e alta confiabilidade em grandes linhas de produção

Figura 3: os controladores NX502 (centro) podem combinar todas as funções necessárias para implementar redes de automação da Indústria 4.0. (Fonte da imagem: Omron Automation)

Interface homem máquina

O terminal programável avançado/IHM da série NA oferece aos operadores e engenheiros de rede acesso confiável e conveniente aos dispositivos e redes de automação da Sysmac. Esses terminais de tela ampla têm duas portas Ethernet que permitem o acesso simultâneo a um dispositivo de controle e a atividades de manutenção. Eles são programáveis, o que simplifica a implementação de interfaces de usuário personalizadas.

Essas IHMs estão disponíveis em tamanhos de 7", 9", 12" e 15" para atender a uma ampla variedade de necessidades de aplicações. Os modelos de 12" e 15" têm 1.280 x 800 pixels, enquanto os modelos de 7" e 9" têm 800 x 480 pixels. Os operadores que usam luvas podem usar sua tela sensível ao toque resistiva, que pode ser à prova d’água se necessário. As teclas de função podem ser programadas para simplificar as interações do usuário (Figura 4).

Figura 4: essas IHMs programáveis apresentam duas portas Ethernet e podem ser à prova d’água. (Fonte da imagem: Omron Automation)

Software de segurança cibernética

O Sysmac Studio inclui ferramentas de software abrangentes e com segurança cibernética para projetar, verificar e operar redes industriais. Ele permite que os projetistas de rede integrem lógica, movimento e acionamento, robótica, segurança, visualização, sensoriamento e tecnologias de informação. Alguns dos principais recursos durante o projeto e a verificação incluem (Figura 5):

• Programação automática baseada em tabelas verdade com condições de entrada, saída e parada de dispositivos de segurança
• Bloco de função definido pelo usuário (FB) para suportar arquivos de ajuda para descrever as condições de entrada e saída e a funcionalidade do programa; pode ter diferentes níveis de segurança para protegê-los de alterações não autorizadas
• Simulação off-line realizada em um computador separado sem conectar o hardware real
• Testes funcionais on-line de funções de segurança integradas; os resultados dos testes podem ser apresentados como um relatório

Figura 5: o software Sysmac Studio oferece suporte abrangente para projetar, verificar e operar redes de automação da Indústria 4.0. (Fonte da imagem: Omron Automation)

O software Sysmac Studio também oferece suporte a operações e manutenção contínuas. O tempo de inatividade é minimizado com o uso de um cartão de memória SD que contém configurações de registro e registro de dados de segurança. Esses dados permitem que os técnicos de rede determinem com eficiência a causa de uma parada inesperada do sistema e tomem as medidas preventivas e corretivas adequadas.

A unidade de segurança restaura uma reinicialização automática da configuração para reduzir a manutenção:

• Os programas e as configurações de restauração são armazenados em um cartão SD na unidade de segurança. Quando uma unidade do controlador de segurança é substituída, os programas e configurações armazenados podem ser rapidamente copiados para a nova unidade.
• Quando uma unidade de E/S de segurança é substituída, a reinicialização automática da configuração baixa automaticamente os dados de configuração para a nova unidade.

Conclusão

Os dispositivos de automação e o software Sysmac da Omron suportam as necessidades completas de conectividade para redes de automação de fábrica da Indústria 4.0. Seus recursos vão desde IO-Link para conexão com sensores e EtherCAT e EtherNet/IP para conexão com controladores de movimento, segurança, visão e outros. Eles incluem suporte para os protocolos de segurança FSoE e CIP. Controladores e softwares avançados que usam OPC UA, SQL e MQTT estão disponíveis para conectar a rede da fábrica aos sistemas de TI e TO da empresa, bem como à nuvem.