Uso de una plataforma cibersegura unificada para respaldar la conectividad integral de la Industria 4.0

Una implementación unificada y cibersegura de la Industria 4.0 requiere múltiples niveles de conectividad. El primer nivel de conectividad comienza en la planta de producción con el control de dispositivos individuales, incluidas máquinas y robots, sensores y soluciones de trazabilidad. El segundo nivel de conectividad se extiende a la automatización de nivel medio con interfaces hombre-máquina (HMI) y comunicación máquina a máquina. El más alto nivel de conectividad enlaza con los sistemas de tecnología de la información (TI) y tecnología de operaciones (TO) de la empresa para coordinar la logística global y maximizar la eficiencia y la productividad.

Para satisfacer las diversas necesidades de conectividad se requiere una plataforma de automatización compatible con varios protocolos abiertos como EtherCAT, Safety over EtherCAT (también denominado FailSafe over EtherCAT o FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), Common Industrial Protocol (CIP) Safety e IO-Link para conectar máquinas, controles industriales, sensores, sistemas de visión, dispositivos de seguridad y HMI.

El protocolo de Arquitectura Unificada de Comunicaciones de Plataforma Abierta (OPC UA) es necesario para respaldar la consolidación, el intercambio y la visibilidad segura de los datos en toda la empresa. Por último, se necesita una plataforma de software que integre configuración, programación, simulación y supervisión con una interfaz intuitiva, lo que permite a los ingenieros gestionar el control de procesos, el movimiento, la seguridad, la visión y la robótica en un solo sistema.

Este artículo presenta en primer lugar un diagrama de los niveles de conectividad en los sistemas de automatización de la Industria 4.0 (Figura 1). A continuación, utiliza ejemplos de productos de Omron Automation para avanzar por los distintos niveles de automatización, desde IO-Link y detección inteligente hasta EtherCAT para sistemas de visión y control de máquinas en tiempo real, EtherNet/IP para redes de automatización de fábricas, y cómo OPC UA enlaza la fábrica con redes empresariales de nivel superior y la nube mediante Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) y otros protocolos estándar. Por último, se explica cómo el software Sysmac Studio de Omron es el nexo de unión.

Figura 1: Niveles de conectividad utilizados en los sistemas de automatización de la Industria 4.0, desde IO-Link en la planta de producción hasta MQTT y OPC UA, que llegan a sistemas empresariales de nivel superior y a la nube. (Fuente de la imagen: Omron Automation)

Seguridad, sensores y servos

En el nivel de la red de automatización más cercano a la planta de producción se encuentran los sensores, los controladores de seguridad, los impulsores de motor y los servos, que tienen requisitos de conectividad específicos. IO-Link es compatible con la detección inteligente, y EtherCAT enlaza los distintos subsistemas de movimiento, E/S, seguridad y visión en una red de máquinas en tiempo real.

Unidades de E/S

Se necesita un amplio rango de/una amplia gama de unidades de E/S para soportar la diversidad de sensores en las fábricas de Industria 4.0. Las unidades de E/S Sysmac NX de Omron incluyen más de 120 modelos y son compatibles con un amplio rango de protocolos, incluido IO-Link para conectarse a sensores y EtherCAT y EtherNet/IP para enlazarse con controladores de movimiento, seguridad, visión y otros. Estas unidades de E/S también son compatibles con los protocolos FSoE y CIP Safety.

Controles de seguridad

La seguridad es un aspecto crucial cuando se trabaja con la automatización de fábricas. Omron ofrece los controladores de seguridad integrados NX que admiten sistemas de seguridad resistentes que cumplen PLe según EN 13849-1 y SIL3 según IEC 61508, incluida la conectividad FSoE. Además, las unidades de acoplador EtherNet/IP como el NX-EIC202 pueden enlazar los controladores de seguridad integrados NX con una red EtherNet/IP multiproveedor, las unidades de E/S de la serie NX y otras unidades de seguridad.

La CPU de seguridad puede controlar hasta 128 unidades de E/S de seguridad. Las unidades de seguridad pueden utilizarse con cualquier combinación de unidades de E/S NX estándar. Para aumentar aún más la velocidad y flexibilidad de implementación, los programas de seguridad pueden estandarizarse y reutilizarse eficazmente utilizando las unidades de organización de programas (POU) definidas en la norma IEC 61131 para el diseño y el funcionamiento.

Visión basada en IA

Los sistemas de visión automatizada basados en inteligencia artificial (IA) pueden elevar la productividad en una amplia matriz de aplicaciones de la Industria 4.0 como el guiado de robots, la lectura y verificación de códigos, la inspección de color, el recuento, la identificación de defectos, el reconocimiento óptico de caracteres (OCR) y la verificación óptica de caracteres (OCV), y la detección de presencia/ausencia.

Desarrollar e implantar sistemas de visión basados en IA puede ser una actividad compleja y lenta. La serie FH de Omron incluye el hardware y el software necesarios para implementar rápidamente diversas aplicaciones de visión basadas en IA.

Por ejemplo, el modelo FH-2050 admite dos cámaras. Además, al igual que otros modelos de la serie FH, cuenta con un amplio rango de opciones de conectividad, como EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, RS-232C serie y bus serie universal (USB), lo que le permite adaptarse sin problemas a muchas ubicaciones de las fábricas de la Industria 4.0.

En el caso de la personalización en masa, un sello distintivo de las líneas de producción de la Industria 4.0, la inspección visual automatizada puede ser difícil de implementar. Hasta hace poco, se necesitaban inspectores humanos experimentados para identificar los defectos de los productos. Actualmente, la IA ha alcanzado un nivel de capacidad que le permite reconocer las características y defectos de los objetos, desde manchas a arañazos, tan bien como los inspectores humanos. Además, la IA puede incluir el aprendizaje automático para apoyar la mejora continua y la adaptación a nuevos requisitos.

Servos

Los servos y accionamientos son parte integrante de las fábricas de la Industria 4.0. La servotecnología 1S de Omron admite unidades de 50 A a 15 kW. Por ejemplo, el modelo R88D-1SN15H-ECT es un servovariador de 1.5 kW para una potencia de entrada monofásica y trifásica de 200 a 240 VCA. Es compatible con el servo R88M-1L1K530T-BS2, con una potencia nominal de 1.5 kW y 3,000 revoluciones por minuto (rpm) con 4.77 medidores de Newton (Nm) de par de torsión. Como todos los servos 1S, esta unidad presenta:

• Codificador multivuelta de alta resolución de 23 bits
• Control directo del freno motor con relé integrado
• Funciones de seguridad integradas
  • Par de torsión seguro cableado que cumple PLe según EN ISO 13849-1 y SIL3 según IEC 61508
  • Par de torsión seguro FSoE que cumple PLd según EN ISO 13849-1 y SIL2 según IEC 61508

Tanto la desconexión de par segura por cable como la FSoE cumplen la norma EN61800-5-2(STO). Una solución cableada puede paralizar la línea cortando la alimentación principal. FSoE admite respuestas más matizadas y puede enviar una orden de parada de funcionamiento segura, que solo ralentiza los motores de la zona afectada. FSoE también puede enviar un comando de parada segura, parando los motores cuando sea necesario.

Controladores de máquinas

Los controladores de máquinas como la serie NX1P2 de Omron pueden cumplir dos funciones. Pueden utilizarse para controlar directamente varios servos y otras máquinas en el nivel EtherCAT de control de máquinas en tiempo real, y pueden proporcionar un enlace hasta el nivel EtherNet/IP de automatización de fábricas.

Estos controladores admiten secuenciación y control de movimiento integrados y se conectan a hasta ocho ejes controlados mediante EtherCAT (Figura 2). También son compatibles con la red de control EtherCAT y la conectividad EtherNet/IP para enlazar con los controladores de automatización de la fábrica. Tienen ranuras para dos placas opcionales que proporcionan conectividad ampliada, incluidas comunicaciones serie y E/S analógicas. Estos controladores se ajustan plenamente a las normas de programación IEC 61131-3 para simplificar y agilizar la puesta en servicio.

Figura 2: Los controladores NX1P pueden utilizar la conectividad EtherCAT para admitir hasta ocho ejes de movimiento, como ocho servoaccionamientos de CA 1S. (Fuente de la imagen: Omron Automation)

NX1P de Omron es un controlador todo en uno esencial que puede gestionar movimiento avanzado, visión, E/S de seguridad, redes y conectividad IoT. Para aplicaciones de control de máquinas más complejas que pueden beneficiarse de hasta 254 conexiones de seguridad CIP, hasta 62 ejes de movimiento, 256 nodos EtherCAT, puertos EtherNet/IP de 1 Gbps y OPC UA, los diseñadores de redes pueden recurrir a los controladores Sysmac NX502.

Control avanzado de máquinas

Los controladores NX502 son adecuados para su uso en los niveles de red EtherCAT y EtherNet/IP, e incluyen MQTT, OPC UA y capacidad de lenguaje de consulta estructurado (SQL) para conectarse a los sistemas de TI y TO de la empresa y a la nube.

Los controladores NX502 tienen ranuras para hasta cuatro tarjetas de expansión EtherNet/IP (EIP) con tasas de transferencia de datos de hasta 1 Gigabit por segundo (Gbps). Cada tarjeta EIP crea una subred, lo que aumenta el número de máquinas que pueden controlarse y segmenta la red a nivel de máquina de la red de base de datos y la red a nivel de fábrica. La segmentación de la red también redujo el riesgo de ciberataques al limitar el acceso a las distintas subredes.

Estos controladores se sitúan en la cúspide de la arquitectura de red y soportan diversas funciones de control, información y seguridad (Figura 3):

• Controlar
  • Hasta 32 ejes de movimiento con un tiempo de ciclo de 250 μs
  • Servocontrol con hasta 64 ejes
  • 80 MB de almacenamiento de programas
  • 260 MB de almacenamiento variable
• Información
  • OPC UA proporciona conectividad segura para sistemas de ejecución de fabricación (MES) y sistemas de planificación de recursos empresariales (ERP)
  • La funcionalidad SQL permite un acceso directo rápido y fiable a las bases de datos y la comunicación de los datos de producción.
  • MQTT permite la conexión directa a la nube y la recogida segura de datos
  • Hasta 10 puertos EtherNet/IP de 1 Gbps para comunicaciones de alta velocidad y gran capacidad con unidad de expansión
• Seguridad
  • Hasta 8 redes CIP Safety para modular la red y controlar la seguridad en todas las líneas de producción
  • Hasta 254 conexiones FSoE para alta velocidad y seguridad de alta fiabilidad en grandes líneas de producción

Figura 3: Los controladores NX502 (centro) pueden combinar todas las funciones necesarias para implantar redes de automatización de la Industria 4.0. (Fuente de la imagen: Omron Automation)

Interfaz de máquina humana

El terminal/HMI programable avanzado de la serie NA proporciona a los operadores e ingenieros de redes un acceso fiable y cómodo a los dispositivos y redes de automatización de Sysmac. Estos terminales de pantalla ancha disponen de dos puertos Ethernet que permiten el acceso simultáneo a un dispositivo de control y a las actividades de mantenimiento. Son programables, lo que simplifica la implantación de interfaces de usuario personalizadas.

Estas HMI están disponibles en tamaños de 7", 9", 12" y 15" para adaptarse a una amplia gama de necesidades de aplicación. Los modelos de 12" y 15" tienen 1,280 x 800 píxeles, mientras que los de 7" y 9" tienen 800 x 480 píxeles. Los operadores con guantes pueden utilizar su pantalla táctil resistiva, que puede hacerse impermeable si es necesario. Las teclas de función pueden programarse para simplificar las interacciones del usuario (Figura 4).

Figura 4: Estas HMI programables disponen de dos puertos Ethernet y pueden fabricarse a prueba de agua. (Fuente de la imagen: Omron Automation)

Software ciberseguro

Sysmac Studio incluye herramientas de software completas y ciberseguras para diseñar, verificar y explotar redes industriales. Permite a los diseñadores de redes integrar tecnologías de lógica, movimiento y accionamientos, robótica, seguridad, visualización, detección e información. Algunas capacidades clave durante el diseño y la verificación incluyen (Figura 5):

• Programación automática basada en tablas de verdad con condiciones de entrada, salida y parada de los dispositivos de seguridad.
• Bloques de función definidos por el usuario (FB) para admitir archivos de ayuda que describan las condiciones de entrada y salida y la funcionalidad del programa; pueden tener distintos niveles de seguridad para protegerlos de cambios no autorizados.
• Simulación fuera de línea realizada en una computadora independiente sin conectar el hardware real.
• Pruebas funcionales en línea de las funciones de seguridad integradas; los resultados de las pruebas pueden presentarse en forma de informe.

Figura 5: El software Sysmac Studio ofrece una asistencia completa para el diseño, la verificación y el funcionamiento de las redes de automatización de la Industria 4.0. (Fuente de la imagen: Omron Automation)

El software Sysmac Studio también es compatible con las operaciones y el mantenimiento en curso. El tiempo de inactividad se reduce al mínimo mediante una tarjeta de memoria SD que contiene los ajustes de registro y el registro de datos de seguridad. Estos datos permiten a los técnicos de red determinar eficazmente la causa de una parada inesperada del sistema y adoptar las medidas preventivas y correctoras adecuadas.

La unidad de seguridad restablece un reinicio automático de la configuración para reducir el mantenimiento:

• Los programas y ajustes de restauración se almacenan en una tarjeta SD en la unidad de seguridad. Cuando se sustituye una unidad de control de seguridad, los programas y ajustes almacenados pueden copiarse rápidamente a la nueva unidad.
• Cuando se sustituye una unidad de E/S de seguridad, el reinicio automático de la configuración descarga automáticamente los datos de configuración en la nueva unidad.

Conclusión:

Los dispositivos y el software de automatización Sysmac de Omron satisfacen todas las necesidades de conectividad de las redes de automatización de fábricas de la Industria 4.0. Sus capacidades abarcan desde IO-Enlace para conectarse a sensores y EtherCAT y EtherNet/IP para enlazar con controladores de movimiento, seguridad, visión y otros. Incluyen compatibilidad con los protocolos FSoE y CIP Safety. Existen potentes controladores y software que utilizan OPC UA, SQL y MQTT para enlazar la red de la fábrica con los sistemas de TI y TO de la empresa, así como con la nube.