作者：Jeff Shepard

　　從汽車生產到食品加工，各種工廠都需要具有集成安全性和高水平網絡安全的靈活、高速機器控制。這些環境中的網絡通信和安全實施必須靈活。網絡上的某些設備將使用現場總線協議(如 EtherCAT)，而其他設備可能使用以太網/IP。此外，有些設備將使用標準連接，有些則需要安全協議。

　　為了加快部署速度，工業網絡設計人員需要將通用工業協議 (CIP) 安全性和基于 EtherCAT 的安全性(也稱為基于 EtherCAT 的故障安全 (FSoE))相結合的控制器。 CIP Safety 支持使用 EtherNet/IP 連接的工業機器人等設備，而 FSoE 則適用于使用 EtherCAT 的設備。需要一系列能夠處理多達 254 個 CIP 安全連接、多達 62 個運動軸和多達 256 個 EtherCAT 節點的控制器。需要多種輸入/輸出 (I/O) 單元，以支持輕松調試和維護，并能適應各種自動化系統設計。

　　此外，控制器制造商必須提供符合 IEC 61131-3 標準的軟件開發套件，以便快速輕松地控制所有連接的設備。該公司還必須獲得 IEC 62443-4-1 工業自動化和控制系統安全認證，包括安全產品開發生命周期要求，以減輕影響并通常防止成功的網絡攻擊。

　　本文首先對 EtherCAT 和以太網/IP 連接的應用進行比較。它著眼于 FSoE 和 CIP 安全如何適應國際電工委員會 (IEC) 標準 IEC 61508 和 IEC 61784-3 并與之相關，并考慮如何使用國際標準組織 (ISO) 12100 標準評估安全風險。然后，它審查了符合 IEC 61131-3 的軟件開發套件的要求，以及獲得 IEC 62443-4-1 網絡安全認證所需的條件。最后介紹了Omron Automation精選的適合網絡安全高速工業自動化安裝的控制器和 I/O 單元。

　　工業自動化網絡可能需要高速機器控制以及工廠與云、企業資源規劃 (ERP) 和其他管理系統的連接。

　　這就是Omron 的Sysmac NX102等帶有 EtherCAT 和 EtherNet/IP 的控制器的用武之地。 EtherCAT 可用于與電機和服務器控制器進行高速通信，例如歐姆龍 1S 系列伺服驅動器和電機，包括R88D-1SN10H-ECT 1 kW 伺服驅動器和R88M-1L1K030T 1 kW、3,000 RPM 服務器電機。

　　同一個 NX102 控制器可以使用 EtherNet/IP 來控制標準工業機器人，并提供與云、ERP 和其他系統的工廠連接。所有這些功能都可以通過 Omron 用于機器和工廠自動化的Sysmac Studio集成開發環境 (IDE)來實現(圖 1)：

　　用于機器控制的 EtherCAT

　　冗余最大限度地減少停機時間

　　靈活的系統配置支持多達512個從站

　　125 微秒 (μs) 的快速循環時間和 1 μs 抖動的同步

　　使用帶有 RJ45 連接器的標準屏蔽雙絞線 (STP) 以太網電纜實現簡單連接

　　支持FSoE

　　用于工廠連接的 EtherNet/IP

　　點對點控制器通信

　　支持 Microsoft SQL Server、Oracle、IBM DB2、MySQL 和 Firebird 的數據庫連接

　　集成FTP服務器

　　消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協議，用于安全連接到云和其他網絡

　　支持 CIP 安全

　　圖 1：Omron NX102 等控制器可以在單個網絡上實施 EtherCAT 加 FSoE 和 EtherNet/IP 加 CIP 安全。 (圖片來源：歐姆龍自動化)

　　IEC 安全和 ISO 風險評估

　　有多種方法可以混合和匹配 EtherCAT 和 EtherNet/IP 設備。選擇特定設備時要做出的關鍵決策之一是網絡效率和安全性的優化。這需要了解 IEC 安全標準并根據 ISO 要求實施有效的風險評估計劃：

　　IEC 61508，電氣/電子/可編程電子安全相關系統(E/E/PE，或E/E/PES)的功能安全，是適用于所有行業的基本功能安全標準。它包括應用、設計、部署和維護稱為安全相關系統的自動保護設備的方法。

　　IEC 61784-3:2021，功能安全現場總線 – 一般規則和配置文件定義，描述了可用于在根據 IEC 61508 功能安全要求設計的分布式網絡中傳輸安全相關消息的通用原則。 FSoE 和 CIP 安全符合此標準。

　　ISO 12100，機械安全 - 設計一般原則 - 風險評估和風險降低，描述了獨立于已部署的安全協議的風險評估和管理。評估由五個步驟或行動組成(圖 2)：

　　確定機器的限制- 了解機器操作的限制和預期的操作員交互

　　危險識別——包括機器制造、使用、維護和處置帶來的危險

　　風險評估——量化每個風險發生的概率和預期的危害嚴重程度

　　風險評估– 確定風險是否已降低至可管理且安全的水平：如果答案為“是”，則記錄結果并部署系統;如果答案是“否”，則制定額外的風險降低策略

　　降低風險——擴大風險降低措施并返回行動1

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

　　FSoE 和 CIP 安全 — 有什么區別?

　　FSoE 和 CIP 安全符合 IEC 61784-3:2021 的要求，可實現不同供應商的設備互操作性。應使用安全風險評估來確定每個安裝的安全需求和正確配置。必須緩解八種類型的網絡錯誤以確保功能安全，并在 FSoE 和 CIP 安全中進行不同的處理。 FSoE 增加了第九個考慮因素，“解決交換機中的內存故障”。兩種協議處理的八種網絡錯誤包括(表 1)：

　　表 1：CIP 安全(頂部)和 FSoE(底部)支持處理網絡錯誤的不同方法。 (表格來源：歐姆龍自動化)

　　符合 IEC 61131-3 的 IDE

　　高效的網絡開發和部署也很重要。 Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 的語法和語義要求，簡化了軟件開發。工業自動化IDE通常需要單獨開發運動控制程序和安全控制編程。 Sysmac Studio 支持帶有順序和運動控制的集成安全編程，包括設計、驗證、調試、操作和持續改進。

　　它還支持復雜的工業自動化系統，包括 I/O、運動和安全設備。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計，從而簡化并加快了開發過程。

　　由此產生的軟件可以使用支持在新應用程序中重用的模塊化結構進行設計，從而減少后續應用程序所需的驗證和確認。

　　IEC 62443-4-1 認證

　　IEC 62443-4-1 定義了實施和維護電子安全工業自動化和控制系統 (IACS) 的要求和流程。它建立了一系列安全最佳實踐，并包括一種評估所實現的安全級別的方法。該標準遵循網絡安全的整體方法，消除了運營和信息技術以及流程安全和網絡安全之間的脫節。

　　工業 4.0 中設備的互聯性日益增強，導致網絡安全風險相應增加，因此需要實施全面的安全措施，以減輕網絡攻擊造成運營中斷的可能性。歐姆龍自動化已獲得 IEC 62443-4-1 認證，為其 PLC 產品和軟件建立了安全的開發生命周期。

　　機器自動化控制器

　　Omron 的NX502 控制器旨在提供具有精確運動和強大安全性的可擴展自動化解決方案。它們圍繞 Sysmac 的“一個控制器、一種連接和一種軟件”架構構建，其中一個控制器在一款軟件 Sysmac Studio 下集成了邏輯、運動、安全、機器人、視覺、信息、可視化和網絡(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”架構構建(圖片來源：Omron Automation)

　　NX502 控制器還可以最大限度地降低網絡攻擊的風險，并集中和簡化工廠自動化控制。它可以包括多達 254 個 CIP 安全連接、多達 62 個運動軸的控制、256 個 EtherCAT 節點、80 兆字節 (MB) 程序存儲器、1 千兆位每秒 (Gbps) EtherNet/IP 端口，并包括對開放平臺的支持通信統一架構 (OPC UA) 和結構化查詢語言 (SQL) 關系數據庫。

　　這些控制器可在處理器單元左側處理最多四個 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 擴展卡都會創建一個子網，將連接的機器與數據庫和工廠級網絡分開。

　　NX502 控制器提供三種型號：

　　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

　　小型網絡的自動化

　　小型工廠自動化裝置的設計者可以轉向 Omron 的NX102 控制器。與較大的 NX502 控制器一樣，這些單元體現了 Sysmac 的“一個控制器、一個連接和一個軟件”架構。它們使用 EtherCAT、EtherNet/IP 和 IO-Link 等本機通信協議加快小型網絡中 IIoT 功能的實施。

　　所有 NX 系列控制器都具有通用 I/O 連接，并且可以在 Sysmac Studio 軟件上進行編程，從而使使用 NX102 控制器部署的小型網絡能夠輕松地使用 NX502 等大型控制器進行擴展。 NX102 控制器的其他功能包括：

　　EtherCAT 循環時間為 1 至 32 毫秒 (ms)，增量為 0.25 ms

　　預裝 OPC UA 和 SQL

　　控制多達八個運動軸;例如，NX102-1200具有八軸能力，NX102-1100具有四軸能力，NX102-1020具有兩軸能力

　　多達 256 個 EtherCAT 節點

　　多達 16 個 CIP 安全連接

　　5 MB 程序存儲器

　　每個 CPU 32 個本地 I/O，帶有遠程 NX I/O 的總 I/O 400 個

　　Sysmac NX I/O 單元

　　I/O 連接是所有工廠自動化網絡的關鍵部分。 Sysmac NX I/O產品組合包括 120 多個 I/O 設備，可以在工廠車間實現各種功能并將其連接到更大的控制網絡。

　　這些 I/O 單元與常見通信協議兼容，包括 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE、CIP Safety 和 IO-Link。例如，型號NX1P2-9024DT包括 24 個 NPN 數字晶體管 I/O、1.5 MB 內存、支持 16 個 EtherCAT 節點、EtherNet/IP 和 1 個串行選項端口，型號NX1P2-9024DT1具有相同的規格，只是 24 個NPN 數字晶體管 I/O 替換為 24 個 PNP 數字晶體管 I/O(圖 4)。可用模塊的示例包括：

　　數字 I/O

　　模擬 I/O

　　溫度 I/O

　　編碼和定位

　　電源和連接單元

　　圖 4：帶有 24 個數字 NPN 晶體管 I/O 的 Sysmac NX1P CPU。 (圖片來源：歐姆龍自動化)

　　概括

　　Omron Sysmac 控制器為機器和自動化網絡設計人員提供全面的解決方案。它們支持 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE 和 CIP 安全。該型號僅適用于幾個控制節點，其他型號可支持最多 254 個 CIP 安全連接、最多 62 個運動軸的控制和 256 個 EtherCAT 節點。 Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 標準，整個系列均經過 IEC 62443-4-1 網絡安全認證。