使用支援工業 4.0 全面連線的統一網路安全平台

執行統一網路安全工業 4.0 部署工作，需要具備多層級連線能力。第一層級連線從廠區開始，可控制個別裝置，包括機械與機器人、感測器和可追溯性解決方案。第二層級連線會延伸至具有人機介面 (HMI) 以及機器對機器通訊的中階自動化。最高層級連線則會與公司的資訊技術 (IT) 以及營運技術 (OT) 系統連結，以協調整體物流運作並最大程度提升效率與生產力。

若要滿足各種連線需求，必須具備可支援多種開放式協定的自動化平台，例如 EtherCAT、Safety over EtherCAT (亦稱 FailSafe over EtherCAT (FSoE))、乙太網路工業協定 (EtherNet/IP)、通用工業協定 (CIP) 安全，以及可連接機械、機械控制、感測器、視覺系統、安全裝置和 HMI 的 IO-Link。

另外，為支援全體企業的資料彙整、共用和安全能見度，則需要「開放平台通訊統一架構 (OPC UA)」協定。最後，軟體平台必須透過直覺式介面整合設定、編程、模擬和監測等工作，以便工程師在一個系統中管理製程控制、動作、安全、視覺和機器人。

本文首先說明工業 4.0 自動化系統中的連線層級示意圖 (圖 1)，隨後再透過 Omron Automation 的產品範例，協助您瞭解 IO-Link 的各種自動化層級、適用於視覺系統的 EtherCAT 智慧感測與即時機械控制、適用於工廠自動化網路的 EtherNet/IP，以及 OPC UA 如何運用「訊息佇列遙測傳輸 (MQTT)」和其他標準協定，將工廠連結至更高層級的企業網路與雲端。最後再深入探討 Omron 的 Sysmac Studio 軟體如何連結以上所有層級。

圖 1：IO-Link 工業 4.0 自動化系統中使用的連線層級，從廠區的 IO-Link 到可達更高層級企業系統及雲端的 MQTT 與 OPC UA。(圖片來源：Omron Automation)

安全、感測器、伺服機

感測器、安全控制器、馬達驅動器和伺服機位於最靠近廠區的自動化網路層級，且具有特定連線需求。IO-Link 支援智慧感測，而 EtherCAT 可將各種動作、I/O、安全和視覺子系統連結至即時機械網路。

I/O 單元

工業 4.0 工廠需要採用各種 I/O 單元，以支援各式各樣的感測器。Omron 的 Sysmac NX I/O 單元提供逾 120 種型號選擇，且可支援眾多協定，包括可連線至感測器的 IO-Link，以及可連結動作、安全、視覺和其他控制器的 EtherCAT 和 EtherNet/IP。這些 I/O 單元亦支援 FSoE 與 CIP Safety 協定。

安全控制器

安全是執行工廠自動化作業時的關鍵考量因素。Omron 推出 NX 整合式安全控制器，該產品可支援強大且符合 PLe (根據 EN 13849-1) 和 SIL3 (根據 IEC 61508) 的安全系統，包括 FSoE 連線功能。此外，NX-EIC202 等 EtherNet/IP 耦合器單元可將 NX 整合式安全控制器連結 EtherNet/IP 多廠商網路、NX 系列 I/O 單元和其他安全單元。

安全 CPU 可控制多達 128 個安全 I/O 單元。安全單元可與任何標準 NX I/O 單元組合搭配使用。為進一步提高部署速度與靈活性，可使用 IEC 61131 中定義的程式組織單元 (POU) 進行設計和操作，進而有效率達到標準化及重複使用安全程式。

AI 型視覺

人工智慧 (AI) 型自動化視覺系統可提高各式工業 4.0 應用的整體生產力，例如機器人引導、程式碼讀取與驗證、色彩檢測、計數、缺陷識別、光學字元辨識 (OCR) 與光學字元驗證 (OCV)，以及存在／不存在偵測。

開發與部署 AI 型視覺系統非常複雜且耗時。Omron 的 FH 系列產品，包括快速實作各種 AI 型視覺應用所需的硬體與軟體。

例如，型號 FH-2050 可支援兩部攝影機。此外，此型號與 FH 系列中的其他型號一樣，可提供廣泛的連線選項，包括 EtherCAT、EtherNet/IP、乙太網路 TCP/IP、PROFINET、序列 RS-232C 和通用序列匯流排 (USB)，因此能夠無縫貼合工業 4.0 工廠的眾多位置。

大規模客製化是工業 4.0 生產線的一大特點，而實作自動化目視檢測可能極具挑戰。一直以來，業界都需要仰賴經驗豐富的人工檢測員來識別產品瑕疵。如今，AI 的能力已達至與人工檢測員一般無二，能夠辨識污點乃至刮痕等各種物件特點與瑕疵。此外，AI 可納入機器學習，進而可針對新需求持續改進與調整。

伺服機

伺服機與驅動器是工業 4.0 工廠不可或缺的組成部分。Omron 的 1S 伺服技術支援 50 W 至 15 kW 的單元。例如，R88D-1SN15H-ECT 型號是一款 1.5 kW 伺服驅動，適用於額定值為 200 至 240 Vac 的單相和三相輸入電源。該產品型號可與額定值為 1.5 kW、每分鐘轉速為 3,000 rpm、扭矩為 4.77 Nm 的 R88M-1L1K530T-BS2 伺服機相容。與所有 1S 伺服機一樣，此單元具備以下特點：

• 高解析度多轉 23 位元編碼器
• 配備嵌入式繼電器的直流馬達煞車控制
• 內建安全功能
  • 符合 PLe (根據 EN ISO 13849-1) 和 SIL3 (根據 IEC 61508) 的固線式安全扭矩關閉
  • 符合 PLd (根據 EN ISO 13849-1) 和 SIL2 (根據 IEC 61508) 的 FSoE 安全扭矩關閉

固線式與 FSoE 安全扭矩關閉皆符合 EN61800-5-2(STO)。固線式解決方案可透過切斷主電源，讓線路保持靜止。FSoE 支援更精細的回應並可傳送「安全操作停止」命令，且僅會顯示位於受影響區域的馬達。FSoE 還可傳送「安全停止」命令，並在必要時停止馬達。

機械控制器

Omron 的 NX1P2 系列等機械控制器可執行兩種功能。這些控制器可用來直接控制各種伺服機，以及位於即時機械控制 EtherCAT 層級的其他機械，還可提供高達 EtherNet/IP 工廠自動化層級的連結。

這些控制器支援整合式序列與動作控制，並可使用 EtherCAT 連線至多達八個控制軸 (圖 2)。此外，這些控制器還配備 EtherCAT 控制網路支援與 EtherNet/IP 連線能力，可連結工廠自動化控制器。設有可提供擴展連線的兩個選配板專用插槽，包括序列通訊和類比 I/O。這些控制器完全符合 IEC 61131-3 編程標準，可簡化及加速調試。

圖 2：NX1P 控制器可使用 EtherCAT 連線支援多達八個運動軸，例如八個 1S AC 伺服驅動。(圖片來源：Omron Automation)

Omron 的 NX1P 是一款不可或缺的多功能合一控制器產品，可管理進階動作、視覺、安全 I/O、網路和 IoT 連線。Sysmac NX502 控制器配備多達 254 個 CIP Safety 連線、多達 62 個運動軸、256 個 EtherCAT 節點、1 Gbps EtherNet/IP 連接埠和 OPC UA，非常適合複雜性高的機械控制應用，是網路設計人員的最新理想選擇。

進階機械控制

NX502 控制器適合用於 EtherCAT 和 EtherNet/IP 網路層級，且包含 MQTT、OPC UA 和結構化查詢語言 (SQL) 功能，可連線至公司的 IT 與 OT 系統及雲端。

NX502 控制器配備多達四個 EtherNet/IP (EIP) 擴充卡的專用插槽，且其資料傳輸率可達至 1 Gbps。每個 EIP 卡都會建立一個子網路、增加可控制的機械數量，並將機械層級網路與資料庫網路和工廠層級網路彼此區隔。網路區隔亦可透過限制對於不同子網路的存取，降低網路攻擊風險。

這些控制器位於網路架構的頂端，且支援各種控制、資訊和安全功能，包括 (圖 3)：

• 控制
  • 多達 32 個運動軸，週期時間為 250 μs
  • 高達 64 軸的伺服控制
  • 80 MB 程式儲存
  • 260 MB 可變儲存
• 資訊
  • OPC UA 提供適合製造執行系統 (MES) 和企業資源規劃 (ERP) 系統的安全連線
  • SQL 功能支援快速可靠地直接存取資料庫及生產資料通訊
  • MQTT 支援雲端直接連線與安全資料收集
  • 多達 10 個 1 Gbps EtherNet/IP 連接埠，可與擴充單元進行高容量通訊
• 安全
  • 多達 8 個 CIP Safety 網路，適用於全體生產線的網路模組化與安全控制
  • 多達 254 個 FSoE 連線，可在大型生產線中達到高速與高可靠性安全

圖 3：NX502 控制器 (中央) 可整合實作工業 4.0 自動化網路所需的一切功能。(圖片來源：Omron Automation)

人機介面

藉助 NA 系列進階可編程終端／HMI，操作人員和網路工程師能以可靠便利的方式，存取 Sysmac 自動化裝置和網路。這些寬螢幕終端配備兩個乙太網路連接埠，可支援同步存取控制裝置及維護活動。這些終端均可編程，從而以簡易方式實作自訂使用者介面。

這些 HMI 提供 7"、9"、12" 和 15" 等尺寸選擇，適合各式各樣的應用需求。12" 與 15" 型號具備 1,280 x 800 像素；7" 與 9" 型號則具備 800 x 480 像素。穿戴手套的操作人員可使用電阻式觸控螢幕，且在必要時可採用防水設計製成。可對功能鍵進行編程，以簡化使用者互動 (圖 4)。

圖 4：這些可編程 HMI 配備兩個乙太網路連接埠，並可採用防水設計製成。(圖片來源：Omron Automation)

網路安全軟體

Sysmac Studio 包含完備的網路安全軟體工具，可用於設計、驗證和操作工業網路。由此，網路設計人員能夠整合邏輯、動作和驅動、機器人、安全、視覺化、感測和資訊技術。設計與驗證期間的某些重要功能包括 (圖 5)：

• 透過安全裝置的輸入、輸出和停止條件，根據真值表執行自動化編程
• 使用者定義的功能方塊圖 (FB) 係用於支援說明檔案，以進行描述輸入和輸出條件及編程功能；可具備不同的安全性等級，進而保護其免遭未經授權的變更
• 在獨立電腦上執行離線模擬，且無須連接實際硬體
• 整合式安全功能的線上功能測試；可將測試結果輸出為報告

圖 5：Sysmac Studio 軟體可針對設計、驗證和操作工業 4.0 自動化網路，提供完善支援。(圖片來源：Omron Automation)

Sysmac Studio 軟體還支援持續操作與維護。使用包含記錄設定與安全資料記錄的 SD 記憶卡，最大程度縮短停機時間。此資料可協助網路技術人員有效判斷意外系統中斷的原因，並採取適當的預防與修正措施。

安全單元可恢復自動化設定重新啟動，以減少維護作業：

• 將恢復程式與設定儲存在安全裝置中的 SD 卡。更換安全控制器單元時，可快速將儲存的程式與設定複製到新單元中。
• 更換安全 I/O 單元時，自動化設定重新啟動會自動將設定資料下載至新單元中。

結論

Omron 的 Sysmac 自動化裝置與軟體，支援適用於工業 4.0 工廠自動化網路的完整連線需求。提供各種擴展功能，包括可連線至感測器的 IO-Link，以及可連結動作、安全、視覺和其他控制器的 EtherCAT 和 EtherNet/IP。此外還包括對 FSoE 和 CIP Safety 協定的支援。使用 OPC UA、SQL 和 MQTT 的強大控制器和軟體，可將工廠網路連結至公司的 IT 和 OT 系統以及雲端。