作者：Jeff Shepard

從汽車生產(chǎn)到食品加工，無論什么樣的工廠，都需要既靈活又高速，而且兼具集成式安全和高網(wǎng)絡(luò)安全水平的機器控制。在這些環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)通信和安全實現(xiàn)必須具有靈活性。網(wǎng)絡(luò)上的一些設(shè)備將使用 EtherCAT 等現(xiàn)場總線協(xié)議，而其他設(shè)備則可能使用 Ethernet/IP。此外，還有些設(shè)備采用標準連接，有些則需要安全協(xié)議。

為了加快部署，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員需要能將通用工業(yè)協(xié)議安全 (CIP Safety) 與 Safety over EtherCAT（也稱為 FailSafe over EtherCAT [FSoE]）相結(jié)合的控制器。CIP Safety 為采用 EtherNet/IP 連接的工業(yè)機器人等設(shè)備提供支持，而 FSoE 則與采用 EtherCAT 的設(shè)備配合使用。因此，不僅需要一系列能夠處理多達 254 個 CIP Safety 連接、62 個運動軸和 256 個 EtherCAT 節(jié)點的控制器，還需要各種方便調(diào)試和維護并適應(yīng)眾多自動化系統(tǒng)設(shè)計的輸入/輸出 (I/O) 單元。

除此之外，控制器制造商還必須提供符合 IEC 61131-3 標準的軟件開發(fā)套件，以便輕松快速地控制所有連接設(shè)備。公司還必須通過 IEC 62443-4-1（工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的安全性）認證，包括安全產(chǎn)品開發(fā)生命周期要求，以減輕影響并經(jīng)常性防止網(wǎng)絡(luò)攻擊得逞。

本文首先比較了采用 EtherCAT 和 Ethernet/IP 連接的應(yīng)用。然后，探討了 FSoE 和 CIP Safety 如何符合國際電工委員會 (IEC) 標準 IEC 61508 和 IEC 61784-3 并與之相關(guān)聯(lián)，以及如何使用國際標準化組織 (ISO) 12100 標準來評估安全風(fēng)險。隨后，本文回顧了符合 IEC 61131-3 標準的軟件開發(fā)套件的要求，以及獲得 IEC 62443-4-1 網(wǎng)絡(luò)安全認證所需的條件。最后，介紹了 [Omron Automation]的一系列控制器和 I/O 單元，這些產(chǎn)品非常適合確保高速工業(yè)自動化裝置的網(wǎng)絡(luò)安全。

工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)可能需要實現(xiàn)高速的機器控制，以及工廠與云端、企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 和其他管理系統(tǒng)的連接。

這正是支持 EtherCAT 和 EtherNet/IP 的控制器的用武之地，比如 Omron 的 [Sysmac NX102]。EtherCAT 可用于與電機和服務(wù)器控制器（如 Omron 的 1S 系列伺服驅(qū)動器和電機，包括 [R88D-1SN10H-ECT] 1 kW 伺服驅(qū)動器和 [R88M-1L1K030T] 1 kW、3000 RPM 服務(wù)器電機）進行高速通信。

這款 NX102 控制器可使用 EtherNet/IP 控制標準工業(yè)機器人，并提供工廠與云端、ERP 和其他系統(tǒng)的連接。所有這些功能都可通過 Omron 用于機器和工廠自動化的 [Sysmac Studio] 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 來實現(xiàn)（圖 1）：

• 使用 EtherCAT 實現(xiàn)機器控制
  • 通過冗余功能盡可能減少停機時間
  • 靈活的系統(tǒng)配置支持多達 512 個從屬設(shè)備
  • 125 μs 的短周期時間，與 1 μs 抖動保持同步
  • 使用帶 RJ45 連接器的標準屏蔽雙絞線 (STP) 以太網(wǎng)電纜進行簡單連接
  • 支持 FSoE
• 使用 EtherNet/IP 實現(xiàn)工廠連接
  • 點對點控制器通信
  • 支持 Microsoft SQL Server、Oracle、IBM DB2、MySQL 和 Firebird 的數(shù)據(jù)庫連接
  • 集成 FTP 服務(wù)器
  • 采用消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協(xié)議，實現(xiàn)與云端和其他網(wǎng)絡(luò)的安全連接
  • 支持 CIP Safety

圖 1：Omron NX102 等控制器可在單個網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn) EtherCAT 加 FSoE 和 EtherNet/IP 加 CIP Safety。（圖片來源：Omron Automation）

IEC 安全和 ISO 風(fēng)險評估

EtherCAT 和 EtherNet/IP 器件有多種混搭方式。在選擇具體器件時，要做出的關(guān)鍵決策之一是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)效率和安全性。這需要了解 IEC 安全標準，并根據(jù) ISO 要求實施有效的風(fēng)險評估計劃：

• IEC 61508 《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（E/E/PE 或 E/E/PES）的功能安全》是適用于所有行業(yè)的基本功能安全標準。其中包括應(yīng)用、設(shè)計、部署和維護自動化保護設(shè)備（也稱為安全相關(guān)系統(tǒng)）的方法。
• IEC 61784-3:2021 《功能安全現(xiàn)場總線 – 一般規(guī)則和配置文件定義》規(guī)定了在根據(jù) IEC 61508 功能安全要求設(shè)計的分布式網(wǎng)絡(luò)中傳輸安全相關(guān)信息時可使用的通用原則。FSoE 和 CIP Safety 均符合這一標準。

ISO 12100 《機械安全 – 設(shè)計的一般原則 – 風(fēng)險評估和風(fēng)險降低》描述了如何獨立于已部署的安全協(xié)議來評估和管理風(fēng)險。評估包括五個步驟或行動（圖 2）：

1. 確定機械限制 – 了解機器運行和預(yù)期操作員交互的限制
2. 危險識別 – 包括機器制造、使用、維護和處置過程中的危險
3. 風(fēng)險估計 – 量化每種風(fēng)險的發(fā)生概率和預(yù)期危害嚴重程度
4. 風(fēng)險評估 – 確定風(fēng)險是否已降至可控的安全水平：如果答案為“是”，則記錄評估結(jié)果并部署系統(tǒng)；如果答案為“否”，則制定其他風(fēng)險降低策略
5. 風(fēng)險降低 – 擴大風(fēng)險降低措施的實施范圍，再回到行動 1 繼續(xù)進行評估

圖 2：實施 ISO 12100 中詳述的風(fēng)險評估所需的五項行動。（圖片來源：Omron Automation）

FSoE 與 CIP Safety 有何區(qū)別？

FSoE 和 CIP Safety 均符合 IEC 61784-3:2021 的要求，可實現(xiàn)不同供應(yīng)商的設(shè)備之間的互操作性。應(yīng)通過安全風(fēng)險評估來確定每個裝置的安全需求和正確配置。為確保功能安全，必須減少八種類型的網(wǎng)絡(luò)錯誤，并在 FSoE 和 CIP Safety 中采用不同的處理方式。FSoE 增加了第九個考慮因素，即“解決交換機的存儲器故障”。這兩種協(xié)議均須處理的八種網(wǎng)絡(luò)錯誤包括（表 1）：

• 信號中斷
• 意外的重復(fù)消息
• 錯誤消息順序
• 消息丟失
• 不可接受的消息延遲
• 插入另一個意外消息
• 偽裝消息
• 非按預(yù)期對消息尋址

| | CIP SAFETY
IEC 61784-3-2:2016

表 1：CIP Safety（上）和 FSoE（下）支持不同的網(wǎng)絡(luò)錯誤處理方法。（表格來源：Omron Automation）

符合 IEC 61131-3 標準的 IDE

高效的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和部署也很重要。Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 的語法和語義要求，簡化了軟件開發(fā)。工業(yè)自動化 IDE 通常需要單獨開發(fā)運動控制程序并對安全控制進行編程。Sysmac Studio 支持對順序和運動控制進行集成安全編程，包括設(shè)計、驗證、調(diào)試、操作和持續(xù)改進。

該產(chǎn)品還支持復(fù)雜的工業(yè)自動化系統(tǒng)，包括 I/O、運動和安全設(shè)備。該 IDE 平臺使用相同的圖形用戶界面 (GUI) 進行機器排序和控制以及安全控制設(shè)計，簡化并加快了開發(fā)過程。

由此產(chǎn)生的軟件可采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，支持在新的應(yīng)用中重復(fù)使用，減少了后續(xù)應(yīng)用所需的驗證和確認工作。

IEC 62443-4-1 認證

IEC 62443-4-1 規(guī)定了實施和維護電子安全工業(yè)自動化和控制系統(tǒng) (IACS) 的要求和流程。它確立了一系列最佳安全實踐，并提供了一種評估所達到的安全級別的方法。該標準采用全面的網(wǎng)絡(luò)安全方法，消除了操作和信息技術(shù)與過程安全和網(wǎng)絡(luò)安全脫節(jié)的問題。

工業(yè) 4.0 中設(shè)備的連接性越來越強，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險相應(yīng)增加，因此需要實施全面的安全措施，才能降低網(wǎng)絡(luò)攻擊造成運營中斷的可能性。Omron Automation 已通過 IEC 62443-4-1 認證，為其 PLC 產(chǎn)品和軟件建立了安全的開發(fā)生命周期。

機器自動化控制器

Omron 的 [NX502 控制器]旨在提供可擴展的自動化解決方案，具有精確的運動控制和強大的安全性。這些控制器圍繞 Sysmac 的“一個控制器、一個連接和一個軟件”架構(gòu)而構(gòu)建，使用一個控制器將邏輯、運動、安全、機器人、視覺、信息、可視化和網(wǎng)絡(luò)集成到 Sysmac Studio 這一個軟件中（圖 3）。

圖 3：NX502 控制器圍繞 Sysmac 的“一個控制器、一個連接和一個軟件”架構(gòu)而構(gòu)建（圖片來源：Omron Automation）。

NX502 控制器還能最大限度地降低遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險，集中并簡化工廠自動化控制。該器件可包含多達 254 個 CIP Safety 連接、62 個運動軸、256 個 EtherCAT 節(jié)點、80 MB 程序存儲器、1 Gbps EtherNet/IP 端口，并支持開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu) (OPC UA) 和結(jié)構(gòu)化查詢語言 (SQL) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

這些控制器可處理處理器單元左側(cè)的多達四個 EtherNet/IP (EIP) 擴展卡，從而能夠通過單個處理器單元控制多臺機器。每個 EIP 擴展卡都會創(chuàng)建一個子網(wǎng)，將連接的機器與數(shù)據(jù)庫和工廠級網(wǎng)絡(luò)分開。

NX502 控制器有三種型號：

[NX502-1300，可控制 16 個伺服軸

[NX502-1400]，可控制 32 個伺服軸

[NX502-1500]，可控制 64 個伺服軸

小型網(wǎng)絡(luò)的自動化

小型工廠自動化裝置的設(shè)計人員可以使用 Omron 的 [NX102 控制器] -Link 等本地通信協(xié)議的小型網(wǎng)絡(luò)中加快實現(xiàn) IIoT 功能。

所有 NX 系列控制器都配有通用 I/O 連接，并可在 Sysmac Studio 軟件上進行編程，這樣使用 NX102 控制器部署的小型網(wǎng)絡(luò)就能通過 NX502 等較大的控制器輕松擴展。NX102 控制器的其他特性包括：

• EtherCAT 周期時間為 1 至 32 ms，以 0.25 ms 為增量
• 預(yù)裝有 OPC UA 和 SQL
• 最多可控制八個運動軸；例如，[NX102-1200] 支持八軸運動控制，[NX102-1100]支持四軸運動控制，[NX102-1020]) 支持兩軸運動控制
• 最多 256 個 EtherCAT 節(jié)點
• 最多 16 個 CIP Safety 連接
• 5 MB 程序存儲器
• 每個 CPU 32 個本地 I/O，總共 400 個 I/O，帶遠程 NX I/O

Sysmac NX I/O 單元

I/O 連接是所有工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。[Sysmac NX I/O] 產(chǎn)品組合包括 120 多種 I/O 單元，可在工廠車間實現(xiàn)各種功能，并將它們連接到更大的控制網(wǎng)絡(luò)。

這些 I/O 單元與常見的通信協(xié)議兼容，包括 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE、CIP Safety 和 IO-Link。例如，[NX1P2-9024DT] 型號包括 24 個 NPN 數(shù)字晶體管 I/O、1.5 MB 存儲器、支持 16 個 EtherCAT 節(jié)點、EtherNet/IP 和一個串行選項端口，而 [NX1P2-9024DT1] 型號的規(guī)格相同，只是將 24 個 NPN 數(shù)字晶體管 I/O 換成了 24 個 PNP 數(shù)字晶體管 I/O（圖 4）。可用模塊的示例：

• 數(shù)字輸入/輸出
• 模擬 I/O
• 溫度輸入/輸出
• 編碼和定位
• 電源和連接單元

圖 4：帶 24 個數(shù)字 NPN 晶體管 I/O 的 NX1P CPU 圖片。（圖片來源：Omron Automation）

總結(jié)

Omron Sysmac 控制器為機器和自動化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員提供了全面的解決方案。這些器件支持 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE 和 CIP Safety。既提供僅支持幾個控制節(jié)點的型號，也提供支持多達 254 個 CIP Safety 連接、62 個運動軸和 256 個 EtherCAT 節(jié)點的型號。Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 標準，全系列產(chǎn)品均通過了 IEC 62443-4-1 網(wǎng)絡(luò)安全認證。

審核編輯 黃宇