통합 사이버 보안 플랫폼을 사용하여 포괄적인 Industry 4.0 연결 지원

통합 사이버 보안 Industry 4.0을 배포하려면 다양한 수준의 연결이 필요합니다. 첫 번째 수준의 연결은 작업 현장에서 기계, 로봇, 센서, 추적 가능성 솔루션 등 개별 장치를 제어하는 것에서 시작합니다. 두 번째 수준의 연결은 인간 기계 간 인터페이스(HMI)와 사물 지능 통신을 통해 중간 수준 자동화까지 확장됩니다. 가장 높은 수준의 연결은 기업의 정보 기술(IT) 및 운영 기술(OT) 시스템과 연결하여 전체 물류를 조정하고 효율성과 생산성을 극대화합니다.

다양한 연결 요구 사항을 충족하려면 기계, 기계 제어, 센서, 비전 시스템, 안전 장치 및 HMI를 연결하기 위한 EtherCAT, Safety over EtherCAT(FailSafe over EtherCAT 또는 FSoE라고도 함), 이더넷 산업 프로토콜(이더넷/IP), 공통 산업 프로토콜(CIP) Safety, IO-Link와 같은 여러 개방형 프로토콜을 지원하는 자동화 플랫폼이 있어야 합니다.

기업 전반에서 데이터 통합, 공유 및 안전한 가시성을 지원하려면 개방형 플랫폼 커뮤니케이션스 통합 아키텍처(OPC UA) 프로토콜이 필요합니다. 마지막으로 구성, 프로그래밍, 시뮬레이션, 모니터링을 직관적인 인터페이스와 통합하여 엔지니어가 공정 제어, 동작, 안전, 비전, 로봇 공학 등을 하나의 시스템에서 모두 관리할 수 있는 소프트웨어 플랫폼이 필요합니다.

이 기사에서는 먼저 Industry 4.0 자동화 시스템의 연결 수준 구성도를 보여줍니다(그림 1). 그런 다음 Omron Automation의 제품을 예로 들어 IO-Link 및 지능형 감지부터 비전 시스템 및 실시간 기계 제어를 위한 EtherCAT, 공장 자동화 네트워크를 위한 이더넷/IP까지 다양한 수준의 자동화를 안내하고, OPC UA가 MQTT(메시지 큐잉 텔레메트리 트랜스포트) 및 기타 표준 프로토콜을 사용하여 공장을 상위 수준의 엔터프라이즈 네트워크 및 클라우드에 연결하는 방법을 설명합니다. 마지막으로 Omron의 Sysmac Studio 소프트웨어를 사용하여 연결하는 방법을 살펴봅니다.

그림 1: Industry 4.0 자동화 시스템에서 사용되는 연결 수준은 작업 현장의 IO-Link부터 상위 수준 엔터프라이즈 시스템 및 클라우드에 연결하는 MQTT 및 OPC UA까지 다양합니다. (이미지 출처: Omron Automation)

안전, 센서 및 서보

작업 현장과 가장 가까운 자동화 네트워크 수준에서는 센서, 안전 컨트롤러, 모터 구동기, 서보 등을 찾아볼 수 있고 특정 연결 요구 사항이 있습니다. IO-Link는 지능형 감지를 지원하고 EtherCAT은 다양한 동작, I/O, 안전 및 비전 서브 시스템을 실시간 기계 네트워크에 연결합니다.

I/O 장치

Industry 4.0 공장의 다양한 센서를 지원하려면 광범위한 I/O 장치가 필요합니다. Omron의 Sysmac NX I/O 장치는 120개 이상의 모델로 제공되며 센서 연결을 위한 IO-Link, 동작, 안전, 비전 및 기타 컨트롤러 연결을 위한 EtherCAT 및 이더넷/IP 등 광범위한 프로토콜을 지원합니다. 이러한 I/O 장치는 FSoE 및 CIP 안전 프로토콜도 지원합니다.

안전 컨트롤러

공장 자동화 작업에서 안전은 매우 중요한 고려 사항입니다. Omron은 FSoE 연결을 포함하여 EN 13849-1에 따른 PLe와 IEC 61508에 따른 SIL3을 충족하는 강력한 안전 시스템을 지원하는 NX 통합 안전 컨트롤러를 제공합니다. 또한 NX-EIC202와 같은 이더넷/IP 커플러 장치는 NX 통합 안전 컨트롤러를 이더넷/IP 다중 벤더 네트워크, NX 계열 I/O 장치 및 기타 안전 장치와 연결할 수 있습니다.

안전 CPU는 최대 128개의 안전 I/O 장치를 제어할 수 있습니다. 안전 장치를 모든 조합의 표준 NX I/O 장치와 함께 사용할 수 있습니다. 배포 속도와 유연성을 더욱 향상시켜 설계 및 운영을 위해 IEC 61131에 정의된 POU(Program Organization Unit)를 활용하여 안전 프로그램을 표준화하고 효율적으로 재사용할 수 있습니다.

AI 기반 비전

인공 지능(AI) 기반 자동화 비전 시스템은 로봇 안내, 코드 판독 및 인증, 색상 검사, 계수, 결함 식별, 광학 문자 인식(OCR), 광학 문자 인증(OCV), 재/부재 감지 등 다양한 Industry 4.0 응용 분야에서 생산성을 높일 수 있습니다.

AI 기반 비전 시스템을 개발하여 배포하는 작업은 복잡하고 시간이 많이 소요될 수 있습니다. Omron의 FH 계열에는 다양한 AI 기반 비전 응용 제품을 빠르게 구현하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어가 포함되어 있습니다.

예를 들어 FH-2050 모델은 두 대의 카메라를 지원할 수 있습니다. 또한 FH 계열의 다른 모델과 마찬가지로 EtherCAT, 이더넷/IP, 이더넷 TCP/IP, PROFINET, 직렬 RS-232C, 범용 직렬 버스(USB) 등 다양한 연결 옵션을 지원하므로 Industry 4.0 공장의 여러 위치에 원활하게 설치할 수 있습니다.

Industry 4.0 생산 라인의 특징인 대량 맞춤 설정의 경우, 자동화된 육안 검사를 구현하기가 어려울 수 있습니다. 최근까지도 제품 결함을 식별하기 위해서는 숙련된 검사자가 필요했습니다. 오늘날 AI는 인간 검사자처럼 흠집부터 긁힌 자국까지 물체의 특징과 결함을 인식할 수 있는 수준에 도달했습니다. 또한 AI는 지속적인 개선과 새로운 요구 사항에 대한 적응을 지원하는 머신 러닝을 포함할 수 있습니다.

서보

서보와 구동기는 Industry 4.0 공장의 필수 요소입니다. Omron의 1S 서보 기술은 50W ~ 15kW 장치를 지원합니다. 예를 들어, R88D-1SN15H-ECT 모델은 200Vac ~ 240Vac 단상 및 3상 입력 전력에 적합한 1.5kW 서보 구동기이며, 정격 1.5kW, 3,000rpm, 4.77Nm 토크를 지원하는 R88M-1L1K530T-BS2 서보와 호환됩니다. 모든 1S 서보와 마찬가지로 이 장치도 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 고분해능 다회전 23비트 인코더
• 내장형 계전기를 통한 직접 모터 브레이크 제어
• 내장된 안전 기능
  • EN ISO 13849-1에 따른 PLe와 IEC 61508에 따른 SIL3을 충족하는 하드와이어드 안전 토크 오프
  • EN ISO 13849-1에 따른 PLd와 IEC 61508에 따른 SIL2를 충족하는 FSoE 안전 토크 오프

하드와이어드 및 FSoE 안전 토크 오프는 모두 EN61800-5-2(STO)를 충족합니다. 하드와이어드 솔루션은 주 전력을 차단하여 라인을 멈출 수 있습니다. FSoE는 세세한 응답을 지원하며 안전 작동 중지 명령을 전송하여 영향을 받는 영역의 모터만 감속할 수 있습니다. 또한 FSoE는 안전 중지 명령을 전송하여 필요할 때 모터를 멈출 수 있습니다.

기계 컨트롤러

Omron의 NX1P2 계열과 같은 기계 컨트롤러는 두 가지 기능을 수행할 수 있습니다. EtherCAT 수준의 실시간 기계 제어에서 다양한 서보 및 기타 기계를 직접 제어하는 데 사용될 수 있으며, 이더넷/IP 공장 자동화 수준까지 링크를 제공할 수 있습니다.

이러한 컨트롤러는 통합 시퀀스와 동작 제어를 지원하며 EtherCAT을 사용하여 최대 8개의 제어된 축에 연결할 수 있습니다(그림 2). 또한 공장 자동화 컨트롤러에 연결할 수 있는 EtherCAT 제어 네트워크 지원 기능과 이더넷/IP 연결 기능도 갖추고 있습니다. 직렬 통신, 아날로그 I/O 등 확장된 연결을 제공하는 두 개의 옵션 기판용 슬롯이 있습니다. 이 컨트롤러는 IEC 61131-3 프로그래밍 표준을 완벽하게 준수하여 커미셔닝을 간소화 및 가속화합니다.

그림 2: NX1P 컨트롤러는 EtherCAT 연결을 사용하여 최대 8개의 동작 축(예: 8개의 1S AC 서보 드라이브)을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron Automation)

Omron의 NX1P는 고급 동작, 비전, 안전 I/O, 네트워킹 및 IoT 연결을 관리할 수 있는 필수 일체형 컨트롤러입니다. 최대 254개의 CIP 안전 연결, 최대 62개의 동작 축, 256개의 EtherCAT 노드, 1Gbps 이더넷/IP 포트 및 OPC UA를 활용할 수 있는 복잡한 기계 제어 응용 분야의 경우 네트워크 설계자는 Sysmac NX502 컨트롤러를 사용할 수 있습니다.

고급 기계 제어

NX502 컨트롤러는 EtherCAT 및 이더넷/IP 네트워크 수준에서 사용하는 데 적합하며, 기업의 IT 및 OT 시스템과 클라우드에 연결하기 위한 MQTT, OPC UA, 구조적 쿼리 언어(SQL) 기능을 포함합니다.

NX502 컨트롤러에는 최대 1Gbps의 데이터 전송 속도를 지원하는 최대 4개의 이더넷/IP(EIP) 확장 카드용 슬롯이 있습니다. 각 EIP 카드는 서브넷을 생성하여 제어할 수 있는 기계 수를 늘리고 데이터베이스 네트워크와 공장 수준 네트워크에서 기계 수준 네트워크를 분할합니다. 또한 네트워크 분할은 다른 서브넷에 대한 액세스를 제한하여 사이버 공격 위험을 줄입니다.

이러한 컨트롤러는 네트워크 아키텍처의 정점에 위치하며 다음과 같은 다양한 제어, 정보 및 안전 기능을 지원합니다(그림 3).

• 제어
  • 주기 시간이 250μs인 최대 32개 동작 축
  • 최대 64개 축으로 서보 제어
  • 80MB 프로그램 스토리지
  • 260MB 가변 스토리지
• 정보
  • 제조 실행 시스템(MES) 및 전사적 자원 관리(ERP) 시스템에 보안 연결을 제공하는 OPC UA
  • 데이터베이스에 대한 빠르고 안정적인 직접 액세스와 생산 데이터 통신을 지원하는 SQL 기능
  • 클라우드 직접 연결과 보안 데이터 수집을 지원하는 MQTT
  • 확장 장치와의 고속, 대용량 통신을 위한 최대 10개의 1Gbps 이더넷/IP 포트
• 안전
  • 생산 라인 전반에서 네트워크 모듈화 및 안전 제어를 위한 최대 8개의 CIP 안전 네트워크
  • 대규모 생산 라인에서 고속 및 고신뢰성 안전을 지원하는 최대 254개의 FSoE 연결

그림 3: NX502 컨트롤러(가운데)는 Industry 4.0 자동화 네트워크를 구현하는 데 필요한 모든 기능을 결합할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron Automation)

인간 기계 간 인터페이스

NA 계열 고급 프로그래밍 가능 단자/HMI를 사용하면 운영자와 네트워크 엔지니어가 Sysmac 자동화 장치와 네트워크에 안정적이고 편리하게 액세스할 수 있습니다. 이 와이드스크린 단자에는 제어 장치와 유지보수 활동에 대한 동시 액세스를 지원하는 2개의 이더넷 포트가 있습니다. 프로그래밍이 가능하므로 맞춤형 사용자 인터페이스를 간단하게 구현할 수 있습니다.

이 HMI는 7인치, 9인치, 12인치, 15인치 크기로 제공되므로 다양한 응용 분야의 요구 사항에 맞게 선택할 수 있습니다. 12인치 모델과 15인치 모델은 1,280픽셀 x 800픽셀이고, 7인치 모델과 9인치 모델은 800픽셀 x 480픽셀입니다. 저항막 방식 터치 스크린(필요 시 방수 기능 지원 가능)은 장갑을 착용한 상태에서 사용할 수 있습니다. 기능 키를 프로그래밍하여 사용자 상호 작용을 단순화할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 이 프로그래밍 가능한 HMI는 2개의 이더넷 포트를 제공하며 방수 기능을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron Automation)

사이버 보안 소프트웨어

Sysmac Studio에는 산업용 네트워크를 설계, 검증, 운영하기 위한 포괄적인 사이버 보안 소프트웨어 도구가 포함되어 있습니다. 네트워크 설계자는 이러한 도구를 사용하여 논리, 동작 및 구동, 로봇 공학, 안전, 시각화, 감지, 정보 기술을 통합할 수 있습니다. 주요 설계 및 검증 기능은 다음과 같습니다(그림 5).

• 자동 프로그래밍: 안전 장치의 입력, 출력 및 정지 조건에 관한 진리표에 기반합니다.
• 사용자 정의 기능 블록(FB): 입/출력 조건과 프로그램 기능을 설명하는 도움말 파일을 지원하며, 무단 변경으로부터 보호하기 위해 다양한 보안 수준을 설정할 수 있습니다.
• 오프라인 시뮬레이션: 실제 하드웨어를 연결하지 않고 별도의 컴퓨터에서 수행됩니다.
• 온라인 기능: 통합 안전 기능을 온라인으로 테스트하고, 테스트 결과를 보고서로 출력할 수 있습니다.

그림 5: Sysmac Studio 소프트웨어는 Industry 4.0 자동화 네트워크의 설계, 검증, 운영을 위한 포괄적인 지원을 제공합니다. (이미지 출처: Omron Automation)

또한 Sysmac Studio 소프트웨어는 지속적인 운영 및 유지보수를 지원합니다. 로깅 설정 및 안전 데이터 로깅이 포함된 SD 메모리 카드를 사용하여 다운타임을 최소화할 수 있습니다. 네트워크 기술자는 이 데이터를 활용하여 예기치 않은 시스템 중단의 원인을 효율적으로 파악하고 적절한 예방 및 수정 조치를 취할 수 있습니다.

안전 장치는 자동 구성 재시작을 복원하여 유지보수를 줄입니다.

• 복원 프로그램과 설정은 안전 장치의 SD 카드에 저장됩니다. 안전 컨트롤러 장치를 교체할 때 저장된 프로그램과 설정을 새 장치에 빠르게 복사할 수 있습니다.
• 안전 I/O 장치를 교체할 때 자동 구성 재시작을 통해 설정 데이터를 새 장치에 자동으로 다운로드합니다.

결론

Omron의 Sysmac 자동화 장치 및 소프트웨어는 Industry 4.0 공장 자동화 네트워크에 필요한 완벽한 연결을 지원합니다. 센서 연결을 위한 IO-Link부터 동작, 안전, 비전 및 기타 컨트롤러 연결을 위한 EtherCAT 및 이더넷/IP까지 기능이 확장됩니다. 여기에는 FSoE 및 CIP 안전 프로토콜에 대한 지원이 포함됩니다. OPC UA, SQL, MQTT를 사용하는 강력한 컨트롤러 및 소프트웨어를 활용하여 공장 네트워크를 회사 IT 및 OT 시스템과 클라우드에 연결할 수 있습니다.