EtherNet/IP versus PROFINET

Anvendelsen af industriel Ethernet fortsætter med at overhale andre muligheder, efterhånden som virksomheder bliver digitalt forbundet. Det gælder især, når IoT-funktioner (Internet of Things) anvendes i automatiserings- og industrielle styresystemer for at øge dataadgang og anvendelighed. EtherNet/IP og PROFINET er de bedste muligheder her

EtherNet/IP's struktur og udvidelse af EtherNet/IP's anvendelsesmuligheder

EtherNet/IP er en industriel netværksprotokol, der anvender CIP-protokollen (Common Industrial Protocol) til standard Ethernet. Det fungerer på et netværksapplikationslag - som (i de to konceptuelle netværksmodeller) befinder sig på det "øverste" enheds- og brugervendte lag for at muliggøre kommunikation mellem kontrol- og input-output-enheder (I/O-enheder). Mere specifikt er EtherNet/IP det øverste lag i OSI-modellen (Open Systems Interconnection) og TCP/IP-modellen (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).

Figur 1: De to mest almindelige modeller, der anvendes til at beskrive netværk, er OSI-modellen og TCP/IP-modellen. (Billedkilde: Design World)

EtherNet/IP anvender:

• Det netop nævnte applikationslag
• Et internetprotokol-netværkslag
• Standard Ethernet-linklag

Bemærk, at IP i EtherNet/IP er en forkortelse for Industrial Protocol og henviser til netværksprotokoller, der oprindeligt blev udviklet til at muliggøre kommunikation via serielle forbindelser som RS-232 og RS-485 - begge standarder for industriel datatransmission. Mange af disse forbindelser fungerer nu over Ethernet ved hjælp af protokoller som TCP/IP, der er så almindelige for internetkommunikation. EtherNet/IP-kommunikation og den meget standardiserede hardware (herunder hubs, switche, routere, Ethernet-kabler og Ethernet-netkort) er defineret af IEEE 802.3 Transmission Control Protocol og Internet Protocol.

Figur 2: Fordi EtherNet/IP arbejder på applikationslaget, giver det mulighed for kommunikation mellem industrielle styringer og I/O'er. (NT24k switch image source: Red Lion)

EtherNet/IP blev udviklet i 2009 og er opstået i samarbejde mellem Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) og ControlNet International (CI) under ODVA's og medlemmernes auspicier. ODVA selv blev grundlagt i 1995 som et konsortium af automatiseringsvirksomheder (herunder Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron og Bosch Rexroth) for at fremme åben og interoperabel kommunikation for industriel automatisering. Ifølge ODVA er EtherNet/IP førende inden for industriel Ethernet - med en markedsandel på 25 % i 2017 og 28 % i 2018 med de fleste leverede knudepunkter af industrielle Ethernet-netværk.

I øjeblikket er EtherNet/IP et af de fire ODVA-netværk, der har vedtaget CIP for industrielle netværk. De andre er DeviceNet, ControlNet og CompoNet.

CIP er en kanal til organisering og deling af data i industrielle enheder. Mere specifikt bruger den forskellige typer meddelelser og tjenester til at udveksle data i industrielle automatiseringsapplikationer, herunder proces- og systemstyring, sikkerhed, synkronisering, bevægelse, konfiguration og information. CIP gør det muligt at integrere disse applikationer med Ethernet-netværk på virksomhedsniveau og internettet. Det er et ensartet kommunikationsnetværk, der bruges til produktion og industrielle applikationer og er bredt anvendt af leverandører over hele verden.

For industriprotokoller ordnes data som objekter med dataelementer eller attributter. Disse dataobjekter er typisk opdelt i nødvendige objekter og applikationsobjekter. De førstnævnte findes i alle programmer for konkurrenceevne og innovation.

Figur 3: EtherNet/IP og PROFINET er de førende industrielle Ethernet-protokoller. Begge støttes af ODVA. (Billedkilde: ODVA Inc.)

EtherNet/IP er ret let at implementere, og det er kompatibelt med standard Ethernet-switche til industriel automatisering. Grundformen af EtherNet/IP er imidlertid ikke-deterministisk og er derfor uegnet til industrielle applikationer i streng realtid. CIP Motion kan supplere EtherNet/IP for at hjælpe sidstnævnte med at opfylde krævende krav til deterministisk realtidsstyring (herunder bevægelsesstyring i lukket kredsløb) med umodificeret Ethernet i fuld overensstemmelse med IEEE 802.3 og TCP/IP Ethernet-standarderne.

EtherNet/IP suppleret med CIP Motion-teknologi leverer multi-akse distribueret bevægelsesstyring. Det er skalerbart og tilbyder en fælles applikationsgrænseflade til bevægelsesdesigns.

Datatransmission via EtherNet/IP

TCP og UDP (User Datagram Protocol) er de underliggende kommunikationsprotokoller på internettet og i mange private netværk. EtherNet/IP anvender en TCP-port til det, der kaldes eksplicit messaging. Sådan messaging er, når systemet sender data til en klient som svar på en specifik anmodning om disse data. Den anvender TCP/IP - en forbindelsesorienteret protokol, der eksplicit styrer forbindelserne mellem klienter og servere. TCP er en central del af TCP/IP-netværk og hjælper med at fragmentere datapakker, så datameddelelser når frem til deres destination. Bemærk, at IP kun beskæftiger sig med pakker, mens TCP gør det muligt for to værter at oprette forbindelse og udveksle datastrømme. TCP garanterer levering af data og garanterer, at pakkerne leveres i den rækkefølge, de blev sendt.

EtherNet/IP anvender en UDP-port til implicit messaging - systemkommunikation, der sendes fra forudindstillede hukommelsesplaceringer til en controller eller en anden klient med et forudbestilt interval. Denne form for kommunikation er langt hurtigere end eksplicit messaging, og UDP-forbindelsernes envejsdatatransmission (uden validering af kvitteringer) forenkler cykliske systemopdateringer.

PROFINET til deterministisk kommunikation

PROFINET er en anden teknisk standard, der definerer en måde at kommunikere data på via industriel Ethernet. PROFINET-modifikationer til standard Ethernet sikrer korrekt og hurtig dataoverførsel selv i udfordrende applikationer. Definitionerne foreskriver en metode til dataindsamling fra industrielt udstyr og industrielle systemer for at opfylde specifikke og ofte stramme tidsbegrænsninger. PROFINET er opstået af PROFIBUS - en standard for feltbuskommunikation til understøttelse af automatisering. Mens PROFIBUS er en klassisk seriel feltbus baseret på industriel Ethernet, går PROFINET videre med yderligere funktioner for at muliggøre hurtigere og fleksibel kommunikation til styring af automatiseringskomponenter.

Figur 4: EtherNet/IP er mest udbredt i USA. PROFINET anvendes i vid udstrækning i Europa. (Billedkilde: PI North America)

PROFINET havde faktisk 30 % af markedsandelen for industrielle netværk i 2018, hvilket gør det til verdens førende Ethernet-baserede kommunikationsløsning til industriel automatisering. Der kommer mere end fem millioner PROFINET-kompatible enheder på markedet hvert år.

PROFINET- og PROFIBUS-kommunikation er deterministisk, hvilket giver mulighed for at understøtte automatiseringssystemer med præcise I/O-strukturgrænser ... og deres definerede I/O-strukturer giver mulighed for præcis beregning af maksimale opdateringstider. PROFINET kan også levere isochron realtids (IRT)-udveksling af data. IRT udnytter i det væsentlige PROFINET's ultrapræcise tidsklok til at prioritere passage af visse typer datatrafik og buffer resten. IRT udmærker sig i krævende applikationer som f.eks. bevægelsesstyring og andre applikationer, der kræver mere deterministisk drift end realtidsdrift. I en dataudveksling i realtid er buscyklustiderne mindre end 10 msek. I modsætning hertil sker IRT-dataudvekslingerne inden for nogle få dusin μsec til nogle få msec.

F.eks. kan PROFINET i en pakke- og etiketteringsoperation understøtte dataoverførsel for at sikre, at flaskerne fyldes til et præcist niveau på mindre end et sekund - med en nøjagtighed på blot en msek. eller deromkring. PROFINET kan også registrere, kvantificere og advare operatørerne om eventuelle uregelmæssigheder i aftapningsprocessen og straks lukke processerne ned.

Sidebemærkning om PROFINET-hardware

Standard Ethernet er kun egnet til dataoverførsel i hjemmet, på kontoret og i udvalgte industrielle overvågningsmiljøer. I modsætning hertil er PROFINET's industrielle Ethernet egnet til installation i barske industrianlæg, der kræver deterministisk datakommunikation. PROFINET-kabler og -stik adskiller sig fra dem, der anvendes i standard Ethernet - og omfatter stik med tungere låsemekanismer og robuste industrikabler. PROFINET-routere (uanset om de er integreret i anden hardware eller bygget som selvstændige elementer) fungerer på netværkslag tre (fra de tidligere nævnte netværksmodeller) og kommunikerer ved hjælp af IP-adresser.Disse routere forbinder lokalnetværk (LAN) og danner vidnetværk (WAN) og anvender algoritmer til at bestemme de bedste datatransmissionsruter mellem netværkene. Nogle PROFINET-switche anvender også fiberoptiske forbindelser. Disse ultrahurtige komponenter integrerer PROFINET-kompatible enheder i Ethernet-netværk (eller PROFIBUS) via gateway-elementer til kobber- til fiberoptiske konverteringer.

Figur 5: PROFINET-hardware udmærker sig under barske og vanskelige forhold, der er udsat for vibrationer, varme, støv, olie og andre udfordrende forhold. Dette Brad PROFINET IO-Link HarshIO-modul er et eksempel på en robust komponent til PROFINET-tilsluttet fabriksautomatisering. (Billedkilde: Molex)

PROFINET-administrerede og ikke-administrerede switche

PROFINET switche arbejder på det andet datalag i den tidligere beskrevne konceptuelle netværksmodel. De fungerer til at styre modtagelse og overførsel af datasignaler gennem netværket.

Uadministrerede PROFINET-switche sender indgående Ethernet-data gennem de korrekte porte, der er forbundet til de tilsigtede enhedsendepunkter. Porte kan have en LED-indikator for at vise tilstedeværelsen af datastrøm, men disse uadministrerede switche giver normalt ikke meget mere information om eller administration af datastrømmen.

I modsætning hertil er administrerede PROFINET-switche mere intelligente og fungerer med forskellige IT-protokoller - herunder SNMP (Simple Network Management Protocol) og LLDP (Link Layer Discovery Protocol) for PROFINET. På grund af deres intelligens bruges administrerede switche ofte, hvor det er vigtigt at forhindre nedetid - og hvor det er nyttigt at fejlfinde fejl. Selvfølgelig er de normalt dyrere end uadministrerede switche.

Direkte sammenligning af EtherNet/IP- og PROFINET-egenskaber

Branchespecifikke tilpasninger af EtherNet/IP er ved at ændre mange brancher. Emballageindustrien anvender f.eks. EtherNet/IP til højhastighedskommunikation, determinisme og realtidspræstation. Industrier som f.eks. kemisk forarbejdning, traditionel automatisering og elproduktion bruger EtherNet/IP til løbende at kvantificere output. Andre industrielle anvendelser omfatter fuldt automatiserede processer, der kræver tælling og dataindsamling i realtid til kontrol. Her udmærker både EtherNet/IP og PROFINET sig ved at skabe de deterministiske netværk, som sådanne applikationer kræver.

Se EtherNet/IP- og PROFINET-signalkvaliteter, meddelelsesstørrelser og opdateringshastigheder for at få oplysninger om, hvordan de to systemer adskiller sig fra hinanden. PROFINET er generelt hurtigere end EtherNet/IP og implementeres oftest med standardhardware ... selv om PROFINET IRT kræver specifik hardware. EtherNet/IP er mere interoperabelt, da det er baseret på objektorienteret programmering og er baseret på kommercielle standardkomponenter (Commercial Off-the-shelf). Faktisk betyder brugen af CotS-komponenter og hardware, der ikke er ulig de allestedsnærværende variationer, der anvendes i kontormiljøer, at EtherNet/IP er meget omkostningseffektiv til højhastighedsforbindelser i industrien. Stordriftsfordele og den udskiftelige karakter af meget af denne hardware er med til at minimere de indledende omkostninger mest muligt.

I modsætning hertil kan PROFINET-komponenter integreres i PROFIBUS-baserede feltbusser, hvilket effektivt kan supplere eksisterende systemer uden at kræve en komplet udskiftning. Der er omkostningsmæssige fordele ved den måde, hvorpå eksisterende enheder kan deles, og hvorpå eksisterende netværk accepterer tilføjelsen af ekstra hardware. Alligevel kan startomkostningerne for PROFINET-teknologier være op til 15 % højere end for teknologier baseret på EtherNet/IP. Denne omkostning opvejes delvist af en nemmere installation, som skønnes at være ca. halvt så kompliceret (læs: dyr) som installation af Ethernet/IP.

Topologier og komponenter, der understøttes af EtherNet/IP og PROFINET, er også noget forskellige. Netværkstopologien er placeringen af forbindelserne og knuderne i et netværk. Forbindelser er trådløse og kablede teknologier som koaksial-, bånd- og snoede parkabler samt fiberoptiske kabler. I modsætning hertil er netværksknuder hubs, broer, switche, routere, modemmer og firewallgrænseflader. Topologier omfatter stjerne, linje, ring, daisy chain og mesh.

EtherNet/IP-netværk anvender primært en stjernetopologi suppleret af andre topologier: Ring-topologi forbinder flere enheder sekventielt - men hvis et kabel skæres af i ringen, bevarer hver enhed sin vej til kontrol. Træ-topologien anvender enheder eller switche, der er forbundet med forbindelser mellem enhedsgrupperinger; enhver afbrydelse får en algoritme til at bestemme den næstbedste brugbare vej til en løsning.

PROFINET's linjetopologi bruger minimal kabelføring og ingen eksterne switche; forbindelser til stjerne- og trætopologier sker via selvstændige switche. Hvis en stjerne- eller tree switch svigter, påvirkes kommunikationen til alle knudepunkter - hvilket kan være problematisk. Så for at sikre kontinuitet i kommunikationen understøtter PROFINET topologier med ekstra enheder til at levere mediebackup og andre elementer, hvis et kabel eller en knude svigter.

Bemærk, at EtherNet/IP- og PROFINET-netværk kan anvendes i systemer med centraliseret og decentraliseret styring - og nogle gange fungerer de i systemer, der kombinerer begge styringsformer. Med EtherNet/IP og PROFINET bruger centraliserede systemer en klient-server-opsætning med en central server, der forbinder en eller flere klientknudepunkter. Klientknuder sender forespørgsler til den centrale server i stedet for at behandle dem selv, mens serveren håndterer al den vigtigste behandling. I decentraliserede systemer udfører hver enkelt knude selvstændigt sin egen logik. Systemets endelige handlinger er summen af alle knudepunkters logik.

EtherNet/IP- og PROFINET-gateways

Gateways (uanset om de er selvstændige stykker hardware eller integreret med router-, firewall- eller serverfunktioner) styrer datastrømmen ind og ud af et givet netværk og nogle gange mellem forskellige systemer. Det omfatter nogle gateways, der er specielt designet til at kommunikere I/O mellem EtherNet/IP- og PROFINET-netværk. I sidstnævnte tilfælde fungerer de fleste gateways som en PROFINET-enhed og EtherNet/IP-adapter med henblik på automatisk kompatibilitet.

Ud over deres primære rolle kan gateways også aflaste et systems PLC med opgaver vedrørende signaltiming, tælling, beregning, sammenligning og behandling af signaler. EtherNet/IP- og PROFINET-gateways med routerfunktionalitet giver computere mulighed for at sende og modtage data via internettet. I dag fungerer smarte brugergrænseflader(HMI'er), der er forbundet til netværk, nogle gange også som gateways mellem automatiseringssystemer og controllere - for at forenkle idriftsættelse og vedligeholdelse af systemet.

Figur 6: Denne Anybus Communicator-protokolkonverterende gateway letter den serielle forbindelse af udstyr uden netværk til PROFINET-netværk. (Billedkilde: HMS Networks)

Tilslutning af fremtidige industrielle automatiseringsanlæg

EtherNet/IP- og PROFINET-tilslutning muliggør innovative nye kombinationer af automatisering og industriel styring med hidtil uset fleksibilitet og IIoT-funktionalitet. Efterhånden som hardware-, software- og forbindelsesteknologier udnytter EtherNet/IP og PROFINET på nye måder, vil de hjælpe systemer med at opfylde stadig mere krævende krav til industriel produktion.