Utiliser une plateforme cybersécurisée unifiée pour prendre en charge la connectivité Industrie 4.0 complète

Un déploiement Industrie 4.0 unifié et cybersécurisé requiert plusieurs niveaux de connectivité. Le premier niveau de connectivité commence dans l'usine avec le contrôle des dispositifs individuels, notamment les machines et les robots, les capteurs et les solutions de traçabilité. Le deuxième niveau de connectivité s'étend à l'automatisation intermédiaire avec les interfaces homme-machine (IHM) et les communications machine-à-machine. Le niveau de connectivité le plus élevé relie les systèmes informatiques et opérationnels de l'entreprise afin de coordonner la logistique globale et d'optimiser le rendement et la productivité.

Pour répondre aux divers besoins de connectivité, il faut disposer d'une plateforme d'automatisation prenant en charge plusieurs protocoles ouverts, comme EtherCAT, Safety over EtherCAT (également appelé FailSafe over EtherCAT ou FSoE), EtherNet Industrial Protocol (EtherNet/IP), Common Industrial Protocol (CIP) Safety et IO-Link, pour connecter des machines, des commandes de machines, des capteurs, des systèmes de vision, des dispositifs de sécurité et des IHM.

Le protocole OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) est nécessaire pour prendre en charge la consolidation, le partage et la visibilité sécurisée des données dans toute l'entreprise. Enfin, il faut une plateforme logicielle qui intègre la configuration, la programmation, la simulation et la surveillance avec une interface intuitive, permettant aux ingénieurs de gérer le contrôle des processus, le mouvement, la sécurité, la vision et la robotique dans un seul système.

Cet article présente un diagramme des niveaux de connectivité dans les systèmes d'automatisation de l'Industrie 4.0 (Figure 1). Il utilise ensuite des exemples de produits d'Omron Automation pour étudier les différents niveaux d'automatisation, depuis IO-Link et la détection intelligente jusqu'à EtherCAT pour les systèmes de vision et le contrôle des machines en temps réel et EtherNet/IP pour les réseaux d'automatisation d'usine, et montre comment OPC UA connecte l'usine aux réseaux d'entreprise de niveau supérieur et au cloud à l'aide du protocole MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) et d'autres protocoles standard. Il se termine par un aperçu de la manière dont le logiciel Sysmac Studio d'Omron assure la cohésion de l'ensemble.

Figure 1 : Niveaux de connectivité utilisés dans les systèmes d'automatisation Industrie 4.0, depuis IO-Link dans l'usine jusqu'à MQTT et OPC UA pour atteindre les systèmes d'entreprise de niveau supérieur et le cloud. (Source de l'image : Omron Automation)

Sécurité, capteurs et servos

Au niveau du réseau d'automatisation le plus proche de l'usine, on trouve des capteurs, des contrôleurs de sécurité, des entraînements de moteur et des servos qui ont des exigences de connectivité spécifiques. IO-Link prend en charge la détection intelligente et EtherCAT relie les différents sous-systèmes de mouvement, d'E/S, de sécurité et de vision dans un réseau de machines en temps réel.

Unités E/S

De nombreuses unités E/S sont requises pour prendre en charge la diversité des capteurs dans les usines de l'Industrie 4.0. Les unités E/S Sysmac NX d'Omron incluent plus de 120 modèles et prennent en charge une large gamme de protocoles, notamment IO-Link pour la connexion aux capteurs, et EtherCAT et EtherNet/IP pour la liaison avec les contrôleurs de mouvement, de sécurité, de vision et autres. Ces unités E/S prennent également en charge les protocoles FSoE et CIP Safety.

Contrôleurs de sécurité

La sécurité est un facteur crucial pour l'automatisation d'usine. Omron propose les contrôleurs de sécurité intégrés NX qui prennent en charge des systèmes de sécurité robustes conformes à PLe selon EN 13849-1 et à SIL3 selon CEI 61508, y compris la connectivité FSoE. De plus, les unités de coupleurs EtherNet/IP comme le NX-EIC202 peuvent relier les contrôleurs de sécurité intégrés NX à un réseau multifournisseur EtherNet/IP, aux unités E/S série NX et à d'autres unités de sécurité.

L'unité centrale de sécurité peut contrôler jusqu'à 128 unités E/S de sécurité. Les unités de sécurité peuvent être utilisées avec toute combinaison d'unités E/S NX standard. Les programmes de sécurité peuvent être standardisés et réutilisés efficacement à l'aide d'unités d'organisation de programme (Program Organization Unit, POU) définies dans la norme CEI 61131 pour la conception et le fonctionnement, augmentant davantage la vitesse et la flexibilité de déploiement.

Vision basée sur l'IA

Les systèmes de vision automatisés basés sur l'intelligence artificielle (IA) peuvent dynamiser la productivité dans un large éventail d'applications Industrie 4.0 telles que le guidage de robots, la lecture et la vérification de codes, l'inspection des couleurs, le comptage, l'identification des défauts, la reconnaissance optique de caractères (OCR), la vérification optique de caractères (OCV) et la détection de présence/absence.

Le développement et le déploiement de systèmes de vision basés sur l'IA peuvent s'avérer complexes et chronophages. La série FH d'Omron inclut le matériel et les logiciels nécessaires pour implémenter rapidement diverses applications de vision basées sur l'IA.

Par exemple, le modèle FH-2050 peut prendre en charge deux caméras. De plus, comme les autres modèles de la série FH, il dispose de nombreuses options de connectivité, y compris EtherCAT, EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, PROFINET, RS-232C série et USB, ce qui lui permet de s'intégrer dans de nombreux emplacements des usines Industrie 4.0 en toute transparence.

Dans le cas de la personnalisation de masse, une caractéristique des lignes de production de l'Industrie 4.0, l'inspection visuelle automatisée peut s'avérer difficile à mettre en œuvre. Jusqu'à récemment, des inspecteurs humains expérimentés étaient indispensables pour identifier les défauts des produits. Aujourd'hui, l'IA a atteint un niveau de capacité lui permettant de reconnaître les caractéristiques et les défauts des objets, s'étendant des imperfections aux rayures, aussi bien que les inspecteurs humains. De plus, l'IA peut inclure l'apprentissage automatique (ML) pour soutenir l'amélioration et l'adaptation continues aux nouvelles exigences.

Servos

Les servos et les variateurs font partie intégrante des usines Industrie 4.0. La technologie servo 1S d'Omron prend en charge les unités de 50 W à 15 kW. Par exemple, le modèle R88D-1SN15H-ECT est une servocommande de 1,5 kW conçue pour une puissance d'entrée monophasée et triphasée de 200 VCA à 240 VCA. Il est compatible avec le servo R88M-1L1K530T-BS2, répertorié pour 1,5 kW et 3000 tours par minute avec un couple de 4,77 Nm. Comme tous les servos 1S, cette unité inclut :

• Codeur 23 bits multitour haute résolution
• Commande directe du frein moteur avec relais intégré
• Fonctions de sécurité intégrées
  • Absence sûre de couple (STO) câblée conforme à PLe selon EN ISO 13849-1 et SIL3 selon CEI 61508
  • Absence sûre de couple FSoE conforme à PLd selon EN ISO 13849-1 et SIL2 selon CEI 61508

La STO câblée et la STO FSoE sont conformes à EN61800-5-2(STO). Une solution câblée peut arrêter la ligne en coupant l'alimentation principale. FSoE prend en charge des réponses plus nuancées et peut envoyer une commande Safe Operating Stop (SOS) ralentissant uniquement les moteurs dans la zone affectée. FSoE peut également envoyer une commande Safe Stop, qui arrête les moteurs si nécessaire.

Contrôleurs de machines

Les contrôleurs de machines comme le NX1P2 d'Omron peuvent remplir deux fonctions. Ils peuvent être utilisés pour contrôler directement divers servos et autres machines au niveau EtherCAT de contrôle de machine en temps réel, et ils peuvent fournir une liaison jusqu'au niveau d'automatisation d'usine EtherNet/IP.

Ces contrôleurs prennent en charge le contrôle intégré de séquence et de mouvement et se connectent à jusqu'à huit axes contrôlés via EtherCAT (Figure 2). Ils prennent également en charge le réseau de contrôle EtherCAT et la connectivité EtherNet/IP pour la liaison aux contrôleurs d'automatisation d'usine. Ils sont dotés d'emplacements pour deux cartes optionnelles offrant une connectivité étendue, y compris des communications série et des E/S analogiques. Ces contrôleurs sont entièrement conformes aux normes de programmation CEI 61131-3 pour simplifier et accélérer la mise en service.

Figure 2 : Les contrôleurs NX1P peuvent utiliser la connectivité EtherCAT pour prendre en charge jusqu'à huit axes de mouvement, comme huit servocommandes CA 1S. (Source de l'image : Omron Automation)

Le NX1P d'Omron est un contrôleur tout-en-un essentiel capable de gérer les mouvements avancés, la vision, les E/S de sécurité, la mise en réseau et la connectivité IoT. Pour les applications de contrôle de machines plus complexes pouvant bénéficier de jusqu'à 254 connexions CIP Safety, de jusqu'à 62 axes de mouvement, de 256 nœuds EtherCAT, de ports 1 Gbps EtherNet/IP et d'OPC UA, les concepteurs de réseaux peuvent se tourner vers les contrôleurs Sysmac NX502.

Contrôle de machines avancé

Les contrôleurs NX502 conviennent à une utilisation aux niveaux des réseaux EtherCAT et EtherNet/IP, et ils incluent des capacités MQTT, OPC UA et SQL pour la connexion aux systèmes informatiques et opérationnels de l'entreprise et au cloud.

Les contrôleurs NX502 disposent d'emplacements pour jusqu'à quatre cartes d'extension EtherNet/IP (EIP) avec des taux de transfert de données atteignant 1 Gbps. Chaque carte EIP crée un sous-réseau, augmentant le nombre de machines pouvant être contrôlées et segmentant le réseau au niveau machine du réseau de base de données et du réseau au niveau de l'usine. La segmentation réseau réduit également le risque de cyberattaque en limitant l'accès aux différents sous-réseaux.

Ces contrôleurs se situent au sommet de l'architecture réseau et ils prennent en charge diverses fonctions de contrôle, d'information et de sécurité, notamment (Figure 3) :

• Contrôle
  • Jusqu'à 32 axes de mouvement avec temps de cycle de 250 μs
  • Servocommande avec jusqu'à 64 axes
  • 80 Mo de stockage programme
  • 260 Mo de stockage variable
• Informations
  • OPC UA fournit une connectivité sécurisée pour les systèmes industriels d'exécution (MES) et les systèmes de planification des ressources d'entreprise (ERP)
  • La fonctionnalité SQL prend en charge un accès direct rapide et fiable aux bases de données et la communication des données de production
  • MQTT prend en charge la connexion directe au cloud et la collecte de données sécurisée
  • Jusqu'à 10 ports 1 Gbps EtherNet/IP pour des communications haute vitesse et haute capacité avec unité d'extension
• Sécurité
  • Jusqu'à 8 réseaux CIP Safety pour la modularisation réseau et le contrôle de sécurité sur l'ensemble des lignes de production
  • Jusqu'à 254 connexions FSoE pour une sécurité haute vitesse et haute fiabilité dans les grandes lignes de production

Figure 3 : Les contrôleurs NX502 (au centre) peuvent combiner toutes les fonctions nécessaires à la mise en œuvre de réseaux d'automatisation Industrie 4.0. (Source de l'image : Omron Automation)

Interface homme-machine

Les terminaux/IHM programmables avancés série NA fournissent aux opérateurs et aux ingénieurs réseau un accès fiable et pratique aux réseaux et dispositifs d'automatisation Sysmac. Ces terminaux à écran large disposent de deux ports Ethernet prenant en charge l'accès simultané à un dispositif de contrôle et aux activités de maintenance. Ils sont programmables, ce qui simplifie la mise en œuvre d'interfaces utilisateur personnalisées.

Ces IHM sont disponibles dans des tailles de 7, 9, 12 et 15 pouces pour s'adapter à un large éventail de besoins applicatifs. Les modèles de 12 et 15 pouces ont une résolution de 1280 x 800 pixels, contre 800 x 480 pixels pour les modèles de 7 et 9 pouces. Les opérateurs portant des gants peuvent utiliser leur écran tactile résistif, qui peut être rendu étanche à l'eau si nécessaire. Les touches de fonction peuvent être programmées pour simplifier les interactions utilisateur (Figure 4).

Figure 4 : Ces IHM programmables disposent de deux ports Ethernet et peuvent être rendues étanches à l'eau. (Source de l'image : Omron Automation)

Logiciel cybersécurisé

Sysmac Studio inclut des outils logiciels complets et cybersécurisés pour la conception, la vérification et l'exploitation des réseaux industriels. Il permet aux concepteurs de réseaux d'intégrer des technologies de logique, de mouvement et d'entraînement, de robotique, de sécurité, de visualisation, de détection et d'information. Certaines des fonctionnalités clés lors de la conception et de la vérification incluent (Figure 5) :

• Programmation automatique basée sur des tables de vérité avec conditions d'entrée, de sortie et d'arrêt des dispositifs de sécurité
• Blocs fonctionnels (FB) définis par l'utilisateur pour prendre en charge les fichiers d'aide afin de décrire les conditions d'entrée et de sortie et les fonctionnalités du programme. Ils peuvent présenter différents niveaux de sécurité pour les protéger contre les modifications non autorisées
• Simulation hors ligne effectuée sur un ordinateur séparé sans connecter le matériel réel
• Test fonctionnel en ligne des fonctions de sécurité intégrées ; les résultats des tests peuvent être générés sous forme de rapport

Figure 5 : Le logiciel Sysmac Studio offre une prise en charge complète pour la conception, la vérification et l'utilisation des réseaux d'automatisation Industrie 4.0. (Source de l'image : Omron Automation)

Le logiciel Sysmac Studio prend également en charge les opérations et la maintenance continues. Les temps d'arrêt sont minimisés grâce à une carte mémoire SD contenant les paramètres d'enregistrement et le journal des données de sécurité. Ces données permettent aux techniciens réseau de déterminer efficacement la cause d'un arrêt inattendu du système et de prendre les mesures préventives et correctives appropriées.

L'unité de sécurité rétablit un redémarrage de configuration automatique pour réduire la maintenance :

• Les paramètres et les programmes de restauration sont stockés sur une carte SD dans l'unité de sécurité. Lorsqu'une unité de contrôleur de sécurité est remplacée, les programmes et paramètres stockés peuvent être rapidement copiés sur la nouvelle unité.
• Lorsqu'une unité E/S de sécurité est remplacée, le redémarrage de configuration automatique télécharge automatiquement les données de paramètres dans la nouvelle unité.

Conclusion

Les logiciels et dispositifs d'automatisation Sysmac d'Omron prennent en charge tous les besoins de connectivité pour les réseaux d'automatisation d'usine Industrie 4.0. Leurs capacités s'étendent d'IO-Link pour la connexion aux capteurs, à EtherCAT et EtherNet/IP pour la liaison avec les contrôleurs de mouvement, de sécurité, de vision et autres. La prise en charge des protocoles FSoE et CIP Safety est incluse. De puissants contrôleurs et logiciels utilisant OPC UA, SQL et MQTT sont disponibles pour relier le réseau de l'usine aux systèmes informatiques et opérationnels de l'entreprise ainsi qu'au cloud.