作者：Jeff Shepard

　　从汽车生产到食品加工，各种工厂都需要具有集成安全性和高水平网络安全的灵活、高速机器控制。这些环境中的网络通信和安全实施必须灵活。网络上的某些设备将使用现场总线协议(如 EtherCAT)，而其他设备可能使用以太网/IP。此外，有些设备将使用标准连接，有些则需要安全协议。

　　为了加快部署速度，工业网络设计人员需要将通用工业协议 (CIP) 安全性和基于 EtherCAT 的安全性(也称为基于 EtherCAT 的故障安全 (FSoE))相结合的控制器。 CIP Safety 支持使用 EtherNet/IP 连接的工业机器人等设备，而 FSoE 则适用于使用 EtherCAT 的设备。需要一系列能够处理多达 254 个 CIP 安全连接、多达 62 个运动轴和多达 256 个 EtherCAT 节点的控制器。需要多种输入/输出 (I/O) 单元，以支持轻松调试和维护，并能适应各种自动化系统设计。

　　此外，控制器制造商必须提供符合 IEC 61131-3 标准的软件开发套件，以便快速轻松地控制所有连接的设备。该公司还必须获得 IEC 62443-4-1 工业自动化和控制系统安全认证，包括安全产品开发生命周期要求，以减轻影响并通常防止成功的网络攻击。

　　本文首先对 EtherCAT 和以太网/IP 连接的应用进行比较。它着眼于 FSoE 和 CIP 安全如何适应国际电工委员会 (IEC) 标准 IEC 61508 和 IEC 61784-3 并与之相关，并考虑如何使用国际标准组织 (ISO) 12100 标准评估安全风险。然后，它审查了符合 IEC 61131-3 的软件开发套件的要求，以及获得 IEC 62443-4-1 网络安全认证所需的条件。最后介绍了Omron Automation精选的适合网络安全高速工业自动化安装的控制器和 I/O 单元。

　　工业自动化网络可能需要高速机器控制以及工厂与云、企业资源规划 (ERP) 和其他管理系统的连接。

　　这就是Omron 的Sysmac NX102等带有 EtherCAT 和 EtherNet/IP 的控制器的用武之地。 EtherCAT 可用于与电机和服务器控制器进行高速通信，例如欧姆龙 1S 系列伺服驱动器和电机，包括R88D-1SN10H-ECT 1 kW 伺服驱动器和R88M-1L1K030T 1 kW、3,000 RPM 服务器电机。

　　同一个 NX102 控制器可以使用 EtherNet/IP 来控制标准工业机器人，并提供与云、ERP 和其他系统的工厂连接。所有这些功能都可以通过 Omron 用于机器和工厂自动化的Sysmac Studio集成开发环境 (IDE)来实现(图 1)：

　　用于机器控制的 EtherCAT

　　冗余最大限度地减少停机时间

　　灵活的系统配置支持多达512个从站

　　125 微秒 (μs) 的快速循环时间和 1 μs 抖动的同步

　　使用带有 RJ45 连接器的标准屏蔽双绞线 (STP) 以太网电缆实现简单连接

　　支持FSoE

　　用于工厂连接的 EtherNet/IP

　　点对点控制器通信

　　支持 Microsoft SQL Server、Oracle、IBM DB2、MySQL 和 Firebird 的数据库连接

　　集成FTP服务器

　　消息队列遥测传输 (MQTT) 协议，用于安全连接到云和其他网络

　　支持 CIP 安全

　　图 1：Omron NX102 等控制器可以在单个网络上实施 EtherCAT 加 FSoE 和 EtherNet/IP 加 CIP 安全。 (图片来源：欧姆龙自动化)

　　IEC 安全和 ISO 风险评估

　　有多种方法可以混合和匹配 EtherCAT 和 EtherNet/IP 设备。选择特定设备时要做出的关键决策之一是网络效率和安全性的优化。这需要了解 IEC 安全标准并根据 ISO 要求实施有效的风险评估计划：

　　IEC 61508，电气/电子/可编程电子安全相关系统(E/E/PE，或E/E/PES)的功能安全，是适用于所有行业的基本功能安全标准。它包括应用、设计、部署和维护称为安全相关系统的自动保护设备的方法。

　　IEC 61784-3:2021，功能安全现场总线 – 一般规则和配置文件定义，描述了可用于在根据 IEC 61508 功能安全要求设计的分布式网络中传输安全相关消息的通用原则。 FSoE 和 CIP 安全符合此标准。

　　ISO 12100，机械安全 - 设计一般原则 - 风险评估和风险降低，描述了独立于已部署的安全协议的风险评估和管理。评估由五个步骤或行动组成(图 2)：

　　确定机器的限制- 了解机器操作的限制和预期的操作员交互

　　危险识别——包括机器制造、使用、维护和处置带来的危险

　　风险评估——量化每个风险发生的概率和预期的危害严重程度

　　风险评估– 确定风险是否已降低至可管理且安全的水平：如果答案为“是”，则记录结果并部署系统;如果答案是“否”，则制定额外的风险降低策略

　　降低风险——扩大风险降低措施并返回行动1

　　图 2：实施 ISO 12100 中详述的风险评估所需的五项行动。(图片来源：Omron Automation)

　　FSoE 和 CIP 安全 — 有什么区别?

　　FSoE 和 CIP 安全符合 IEC 61784-3:2021 的要求，可实现不同供应商的设备互操作性。应使用安全风险评估来确定每个安装的安全需求和正确配置。必须缓解八种类型的网络错误以确保功能安全，并在 FSoE 和 CIP 安全中进行不同的处理。 FSoE 增加了第九个考虑因素，“解决交换机中的内存故障”。两种协议处理的八种网络错误包括(表 1)：

　　表 1：CIP 安全(顶部)和 FSoE(底部)支持处理网络错误的不同方法。 (表格来源：欧姆龙自动化)

　　符合 IEC 61131-3 的 IDE

　　高效的网络开发和部署也很重要。 Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 的语法和语义要求，简化了软件开发。工业自动化IDE通常需要单独开发运动控制程序和安全控制编程。 Sysmac Studio 支持带有顺序和运动控制的集成安全编程，包括设计、验证、调试、操作和持续改进。

　　它还支持复杂的工业自动化系统，包括 I/O、运动和安全设备。该IDE平台使用相同的图形用户界面(GUI)进行机器排序和控制以及安全控制设计，从而简化并加快了开发过程。

　　由此产生的软件可以使用支持在新应用程序中重用的模块化结构进行设计，从而减少后续应用程序所需的验证和确认。

　　IEC 62443-4-1 认证

　　IEC 62443-4-1 定义了实施和维护电子安全工业自动化和控制系统 (IACS) 的要求和流程。它建立了一系列安全最佳实践，并包括一种评估所实现的安全级别的方法。该标准遵循网络安全的整体方法，消除了运营和信息技术以及流程安全和网络安全之间的脱节。

　　工业 4.0 中设备的互联性日益增强，导致网络安全风险相应增加，因此需要实施全面的安全措施，以减轻网络攻击造成运营中断的可能性。欧姆龙自动化已获得 IEC 62443-4-1 认证，为其 PLC 产品和软件建立了安全的开发生命周期。

　　机器自动化控制器

　　Omron 的NX502 控制器旨在提供具有精确运动和强大安全性的可扩展自动化解决方案。它们围绕 Sysmac 的“一个控制器、一种连接和一种软件”架构构建，其中一个控制器在一款软件 Sysmac Studio 下集成了逻辑、运动、安全、机器人、视觉、信息、可视化和网络(图 3)。

　　图 3：NX502 控制器围绕 Sysmac 的“一个控制器、一个连接和一个软件”架构构建(图片来源：Omron Automation)

　　NX502 控制器还可以最大限度地降低网络攻击的风险，并集中和简化工厂自动化控制。它可以包括多达 254 个 CIP 安全连接、多达 62 个运动轴的控制、256 个 EtherCAT 节点、80 兆字节 (MB) 程序存储器、1 千兆位每秒 (Gbps) EtherNet/IP 端口，并包括对开放平台的支持通信统一架构 (OPC UA) 和结构化查询语言 (SQL) 关系数据库。

　　这些控制器可在处理器单元左侧处理最多四个 EtherNet/IP (EIP) 扩展卡，从而能够通过单个处理器单元控制多台机器。每个 EIP 扩展卡都会创建一个子网，将连接的机器与数据库和工厂级网络分开。

　　NX502 控制器提供三种型号：

　　NX502-1300，可控制16个伺服轴

　　NX502-1400，可控制32个伺服轴

　　NX502-1500，可控制64个伺服轴

　　小型网络的自动化

　　小型工厂自动化装置的设计者可以转向 Omron 的NX102 控制器。与较大的 NX502 控制器一样，这些单元体现了 Sysmac 的“一个控制器、一个连接和一个软件”架构。它们使用 EtherCAT、EtherNet/IP 和 IO-Link 等本机通信协议加快小型网络中 IIoT 功能的实施。

　　所有 NX 系列控制器都具有通用 I/O 连接，并且可以在 Sysmac Studio 软件上进行编程，从而使使用 NX102 控制器部署的小型网络能够轻松地使用 NX502 等大型控制器进行扩展。 NX102 控制器的其他功能包括：

　　EtherCAT 循环时间为 1 至 32 毫秒 (ms)，增量为 0.25 ms

　　预装 OPC UA 和 SQL

　　控制多达八个运动轴;例如，NX102-1200具有八轴能力，NX102-1100具有四轴能力，NX102-1020具有两轴能力

　　多达 256 个 EtherCAT 节点

　　多达 16 个 CIP 安全连接

　　5 MB 程序存储器

　　每个 CPU 32 个本地 I/O，带有远程 NX I/O 的总 I/O 400 个

　　Sysmac NX I/O 单元

　　I/O 连接是所有工厂自动化网络的关键部分。 Sysmac NX I/O产品组合包括 120 多个 I/O 设备，可以在工厂车间实现各种功能并将其连接到更大的控制网络。

　　这些 I/O 单元与常见通信协议兼容，包括 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE、CIP Safety 和 IO-Link。例如，型号NX1P2-9024DT包括 24 个 NPN 数字晶体管 I/O、1.5 MB 内存、支持 16 个 EtherCAT 节点、EtherNet/IP 和 1 个串行选项端口，型号NX1P2-9024DT1具有相同的规格，只是 24 个NPN 数字晶体管 I/O 替换为 24 个 PNP 数字晶体管 I/O(图 4)。可用模块的示例包括：

　　数字 I/O

　　模拟 I/O

　　温度 I/O

　　编码和定位

　　电源和连接单元

　　图 4：带有 24 个数字 NPN 晶体管 I/O 的 Sysmac NX1P CPU。 (图片来源：欧姆龙自动化)

　　概括

　　Omron Sysmac 控制器为机器和自动化网络设计人员提供全面的解决方案。它们支持 EtherCAT、EtherNet/IP、FSoE 和 CIP 安全。该型号仅适用于几个控制节点，其他型号可支持最多 254 个 CIP 安全连接、最多 62 个运动轴的控制和 256 个 EtherCAT 节点。 Sysmac Studio IDE 符合 IEC 61131-3 标准，整个系列均经过 IEC 62443-4-1 网络安全认证。