使用统一的网络安全平台支持全面的工业 4.0 连接

统一的网络安全工业 4.0 部署需要多层级连接。第一层连接始于工厂车间，涉及控制各台设备，包括机器和机器人、传感器和可追溯性解决方案。第二层连接扩展到中级自动化，包括人机接口 (HMI) 和机器对机器通信。最高层级的连接与公司的信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 系统相连，旨在协调整体物流，最大限度地提高效率和生产率。

要满足不同的连接需求，需要支持多种开放式协议的自动化平台，这些协议包括 EtherCAT、Safety over EtherCAT（也称为 FailSafe over EtherCAT 或 FSoE）、EtherNet 工业协议 (EtherNet/IP)、通用工业协议 (CIP) 安全以及 IO-Link，用于连接机器、机器控制装置、传感器、视觉系统、安全装置以及人机接口。

为了支持整个企业的数据整合、共享和安全可见性，则需要开放平台通信统一架构 (OPC UA) 协议。最后，还需要一个软件平台，用于将配置、编程、模拟和监测与直观的界面整合在一起，以使工程师能够在一个系统中管理过程控制、运动、安全、视觉和机器人。

本文首先展示了工业 4.0 自动化系统中的连接层级示意图（图 1）。然后，以 Omron Automation 的产品为例，介绍了自动化的各个层级，从 IO-Link 和智能感应到用于视觉系统和实时机器控制的 EtherCAT、用于工厂自动化网络的 EtherNet/IP，同时还介绍了 OPC UA 如何使用消息队列遥测传输 (MQTT) 和其他标准协议将工厂与更高层级的企业网络和云相连。最后介绍了 Omron 的 Sysmac Studio 软件如何将所有这些组合在一起。

图 1：工业 4.0 自动化系统中使用的连接层级，从工厂车间的 IO-Link 到连接更高层级企业系统和云的 MQTT 和 OPC UA。（图片来源：Omron Automation）

安全装置、传感器和伺服系统

在最靠近工厂车间的自动化网络层级，可以找到传感器、安全控制器、电机驱动器和伺服系统，它们有特定的连接要求。IO-Link 支持智能感应，而 EtherCAT 则用于将各种运动、I/O、安全和视觉子系统连接到实时机器网络中。

I/O 单元

工业 4.0 工厂中的传感器非常多样化，需要多种多样的 I/O 单元来提供支持。Omron 的 Sysmac NX I/O 单元有 120 多种型号，支持各种协议，包括用于连接传感器的 IO-Link，以及用于连接运动、安全、视觉和其他控制器的 EtherCAT 和 EtherNet/IP。这些 I/O 单元还支持 FSoE 和 CIP 安全协议。

安全控制器

使用工厂自动化设施时，安全是一个至关重要的考虑因素。Omron 提供的 NX 集成式安全控制器支持符合 EN 13849-1 PLe 级和 IEC 61508 SIL3 级的强大安全系统，包括 FSoE 连接。此外，NX-EIC202 等 EtherNet/IP 耦合单元还可将 NX 集成式安全控制器与 EtherNet/IP 多供应商网络、NX 系列 I/O 单元和其他安全单元相连。

安全 CPU 最多可控制 128 个安全 I/O 单元。安全单元可与任意标准 NX I/O 单元组合配合使用。通过在设计和运行时使用 IEC 61131 中定义的程序组织单元 (POU)，可以标准化和高效重用安全程序，从而使部署速度和灵活性进一步提高。

基于人工智能的视觉系统

在机器人导引、代码读取和验证、颜色检测、计数、缺陷识别、光学字符识别 (OCR) 和光学字符验证 (OCV) 以及存在/不存在检测等一系列工业 4.0 应用中，可使用基于人工智能 (AI) 的自动化视觉系统来提高生产率。

开发和部署基于人工智能的视觉系统是一项非常复杂且耗时的工作。Omron 的 FH 系列包括快速实现各种基于人工智能的视觉应用所需的硬件和软件。

例如，型号 FH-2050 可支持两个摄像头。此外，与 FH 系列中的其他型号一样，其拥有广泛的连接选项，包括 EtherCAT、EtherNet/IP、以太网 TCP/IP、PROFINET、串行 RS-232C 和通用串行总线 (USB)，这使其能够无缝集成到工业 4.0 工厂中的许多位置。

工业 4.0 生产线的一个特征是大规模定制，在这种情况下，实现自动化视觉检测极具挑战性。直到最近，还是需要经验丰富的人类检查员来识别产品缺陷。而现在，人工智能在识别物体特征和缺陷（从瑕疵到划痕）方面的能力水平已经不亚于人类检查员。此外，人工智能还可加入机器学习技术，以支持持续改进和适应新要求。

伺服系统

伺服系统和驱动器是工业 4.0 工厂不可或缺的组成部分。Omron 的 1S 伺服技术支持 50 W 至 15 kW 的设备。例如，型号 R88D-1SN15H-ECT 是一款 1.5 kW 的伺服驱动器，额定使用 200 至 240 Vac 的单相和三相输入电源。该驱动器与 R88M-1L1K530T-BS2 伺服系统兼容，后者额定功率为 1.5 kW，额定每分钟转数 (rpm) 为 3,000，额定扭矩为 4.77 Nm。与所有 1S 伺服系统一样，该装置的特性包括：

• 高分辨率多圈 23 位编码器
• 通过嵌入式继电器实现直接电机制动控制
• 内置安全功能
  • 符合 EN ISO 13849-1 PLe 级和 IEC 61508 SIL3 级的硬接线安全扭矩关断
  • 符合 EN ISO 13849-1 PLd 级和 IEC 61508 SIL2 级的 FSoE 安全扭矩关断

硬接线和 FSoE 安全扭矩关断均符合 EN61800-5-2(STO)。硬接线解决方案可通过切断主电源使生产线停止运行。FSoE 支持更细致的响应，可发送安全操作停止指令，只减慢受影响区域的电机。FSoE 还能发送安全停止指令，在需要时停止电机。

机器控制器

Omron 的 NX1P2 系列等机器控制器可实现两种功能。它们可用于直接控制 EtherCAT 实时机器控制层级的各种伺服系统和其他机器，并且可与 EtherNet/IP 工厂自动化层级相连。

这些控制器支持集成式序列和运动控制，并可通过 EtherCAT 连接多达八根受控轴（图 2）。它们还支持 EtherCAT 控制网络和 EtherNet/IP 连接，可与工厂自动化控制器相连。这些控制器有两个选件板插槽，可提供扩展连接，包括串行通信和模拟 I/O。它们完全符合 IEC 61131-3 编程标准，可简化和加快调试。

图 2：NX1P 控制器可通过 EtherCAT 连接支持多达八根运动轴，如八个 1S 交流伺服驱动器。（图片来源：Omron Automation）

Omron 的 NX1P 是一款理想的多功能控制器，可管理高级运动、视觉、安全 I/O、网络和物联网连接。对于可受益于多达 254 个 CIP 安全连接、多达 62 根运动轴、256 个 EtherCAT 节点、1 Gbps EtherNet/IP 端口以及 OPC UA 的更复杂机器控制应用，网络设计人员可使用 Sysmac NX502 控制器。

先进的机器控制

NX502 控制器适用于 EtherCAT 和 EtherNet/IP 网络层级，包括 MQTT、OPC UA 和结构化查询语言 (SQL) 功能，可连接到公司的 IT 和 OT 系统以及云。

NX502 控制器最多可插四张 EtherNet/IP (EIP) 扩展卡，数据传输速率最高可达 1 Gbps。每张 EIP 卡都可创建一个子网，从而增加可控制的机器数量，并将机器级网络与数据库网络和工厂级网络分开。网络分割还可通过限制对不同子网的访问来降低网络攻击风险。

这些控制器位于网络架构的顶端，支持各种控制、信息和安全功能，包括（图 3）：

• 控制
  • 多达 32 根运动轴，周期时间为 250 μs
  • 多达 64 轴的伺服控制
  • 80 MB 程序存储空间
  • 260 MB 变量存储空间
• 信息
  • OPC UA 可为制造执行系统 (MES) 和企业资源规划 (ERP) 系统提供安全连接
  • 借助 SQL 功能可快速、可靠地直接访问数据库和进行生产数据通信
  • MQTT 支持与云直连和安全的数据收集
  • 多达 10 个 1 Gbps EtherNet/IP 端口，可与扩展单元进行高速大容量通信
• 安全
  • 多达 8 个 CIP 安全网络，可实现网络模块化和跨生产线的安全控制
  • 多达 254 个 FSoE 连接，可在大型生产线中提供高速、高可靠性的安全保障

图 3：NX502 控制器（中）可集成实现工业 4.0 自动化网络所需的所有功能。（图片来源：Omron Automation）

人机接口

NA 系列先进可编程终端/HMI 为操作员和网络工程师访问 Sysmac 自动化设备和网络提供了可靠且便捷的途径。这些宽屏终端有两个以太网端口，支持同时访问控制装置和进行维护活动。它们可编程，因此易于实现自定义用户界面。

这些 HMI 的尺寸有 7”、9”、12” 和 15”，能够满足广泛的应用需求。12” 和 15” 型号的分辨率为 1,280 x 800 像素，而 7” 和 9” 型号的分辨率则为 800 x 480 像素。戴手套的操作员可使用它们的电阻式触摸屏，如果需要，还可提供防水功能。功能键可进行编程，以简化用户交互（图 4）。

图 4：这些可编程 HMI 具有两个以太网端口，并且可提供防水功能。（图片来源：Omron Automation）

网络安全软件

Sysmac Studio 包括全面的网络安全软件工具，用于设计、验证和运行工业网络。借助该软件，网络设计人员能够整合逻辑、运动和驱动、机器人、安全、可视化、感应和信息技术。设计和验证过程中的一些关键功能包括（图 5）：

• 自动编程，基于包含安全装置输入、输出和停止条件的真值表
• 用户自定义功能块 (FB)，支持描述输入和输出条件和程序功能的帮助文件；可设置不同的安全级别，以防止未经授权的更改
• 离线模拟，在独立计算机上进行，无需连接实际硬件
• 在线功能测试，对集成安全功能进行测试；测试结果可输出为报告

图 5：Sysmac Studio 软件可为设计、验证和运行工业 4.0 自动化网络提供全面支持。（图片来源：Omron Automation）

Sysmac Studio 软件还可为持续运行和维护提供支持。使用包含日志记录设置和安全数据记录的 SD 存储卡，可最大限度缩短停机时间。借助这些数据，网络技术人员可高效地确定系统意外停机的原因，并采取适当的预防和纠正措施。

安全单元可恢复自动配置重启，从而减少维护工作：

• 恢复程序和设置存储在安全单元的 SD 卡中。更换安全控制器单元后，可将存储的程序和设置快速复制到新单元。
• 更换安全 I/O 单元后，自动配置重启会自动将设置数据下载到新单元中。

总结

Omron 的 Sysmac 自动化设备和软件支持工业 4.0 工厂自动化网络的全部连接需求。其功能包括用于连接传感器的 IO-Link，以及用于连接运动、安全、视觉和其他控制器的 EtherCAT 和 EtherNet/IP。它们还支持 FSoE 和 CIP 安全协议。这些功能强大的控制器和软件采用 OPC UA、SQL 和 MQTT 协议，可将工厂网络与公司的 IT 和 OT 系统以及云相连。