Différences entre EtherNet/IP et PROFINET

L'adoption de l'Ethernet industriel surpasse toujours les autres options à mesure que les entreprises deviennent numériquement connectées. Cela est particulièrement vrai lorsque la fonctionnalité Internet des objets (IoT) est utilisée dans les systèmes d'automatisation et de contrôle industriel pour améliorer l'accessibilité et l'utilisabilité des données. EtherNet/IP et PROFINET sont les principales options ici.

Structure d'EtherNet/IP et extension de l'applicabilité d'EtherNet/IP

EtherNet/IP est un protocole réseau industriel qui adapte le protocole CIP (Common Industrial Protocol) à la norme Ethernet. Il fonctionne sur une couche application réseau — qui (dans les deux modèles conceptuels de réseaux) se trouve au niveau de la couche supérieure pour permettre la communication entre les commandes et les dispositifs entrée/sortie (E/S). Plus précisément, EtherNet/IP est la couche supérieure des modèles OSI (Open Systems Interconnection) et TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).

Figure 1 : Les deux modèles les plus courants utilisés pour décrire les réseaux sont le modèle OSI et le modèle TCP/IP. (Source de l'image : Design World)

EtherNet/IP exploite :

• La couche application que nous venons de mentionner
• Une couche de mise en réseau du protocole Internet
• La couche de liaison Ethernet standard

Notez que « IP » dans EtherNet/IP est l'abréviation de protocole industriel et fait référence aux protocoles réseaux développés à l'origine pour permettre la communication sur des connexions série telles que RS-232 et RS-485, deux normes pour la transmission de données industrielles. Nombre de ces connexions fonctionnent désormais sur Ethernet en utilisant des protocoles tels que TCP/IP, courants pour les communications Internet. Les communications EtherNet/IP et le matériel très standardisé (notamment les concentrateurs, les commutateurs, les routeurs, les câbles Ethernet et les cartes réseau Ethernet) sont définis par TCP/IP IEEE 802.3.

Figure 2 : Comme EtherNet/IP fonctionne sur la couche application, il permet les communications entre les contrôleurs industriels et les E/S. (Source de l'image du commutateur NT24k : Red Lion)

Développé en 2009, EtherNet/IP est né de la collaboration entre Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) et ControlNet International (CI) sous l'égide de l'ODVA et de ses membres. L'ODVA elle-même a été fondée en 1995 en tant que consortium d'entreprises d'automatisation (dont Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron et Bosch Rexroth) pour faire progresser les communications ouvertes et interopérables pour l'automatisation industrielle. Selon l'ODVA, EtherNet/IP stimule l'adoption de l'Ethernet industriel, représentant 25 % de parts de marché en 2017 et 28 % en 2018 avec le plus grand nombre de nœuds de réseaux Ethernet industriel livrés.

Actuellement, EtherNet/IP est l'un des quatre réseaux ODVA qui ont adopté le protocole CIP pour les réseaux industriels. Les autres sont DeviceNet, ControlNet et CompoNet.

Le protocole CIP est un canal d'organisation et de partage des données dans les dispositifs industriels. Plus précisément, il utilise différents types de messages et de services pour échanger des données dans des applications d'automatisation industrielle incluant le contrôle de processus et de systèmes, la sécurité, la synchronisation, le mouvement, la configuration et l'information. Le protocole CIP permet à ces applications de s'intégrer à l'Internet et aux réseaux Ethernet de niveau entreprise. Il s'agit d'un réseau de communication unifié, utilisé pour des applications industrielles et de fabrication, et largement adopté par les fournisseurs du monde entier.

Pour les protocoles industriels, les données sont ordonnées sous forme d'objets avec des éléments ou des attributs de données. Ces objets de données sont généralement triés en objets requis et en objets d'application. Les premiers se retrouvent dans chaque CIP.

Figure 3 : EtherNet/IP et PROFINET sont les principaux protocoles Ethernet industriel. Ils sont tous les deux soutenus par l'ODVA. (Source de l'image : ODVA Inc.)

EtherNet/IP est assez facile à mettre en œuvre, et il est compatible avec les commutateurs Ethernet standard pour l'automatisation industrielle. Cependant, la forme de base d'EtherNet/IP est non déterministe et donc inadaptée aux applications industrielles en temps réel strictes. CIP Motion peut compléter EtherNet/IP pour l'aider à répondre aux exigences de contrôle déterministe en temps réel (y compris le contrôle de mouvement en boucle fermée) avec Ethernet non modifié, en totale conformité avec les normes Ethernet TCP/IP et IEEE 802.3.

EtherNet/IP, accompagné de la technologie CIP Motion, permet un contrôle de mouvement distribué sur plusieurs axes. Il est évolutif et offre une interface d'application commune pour les conceptions de mouvements.

Transmission de données via EtherNet/IP

TCP et le protocole UDP (User Datagram Protocol) sont les protocoles de communication sous-jacents d'Internet et de nombreux réseaux privés également. EtherNet/IP utilise un port TCP pour ce qui est appelé la messagerie explicite. Ce type de messagerie est utilisé lorsque le système envoie des données à un client en réponse à une demande spécifique pour ces données. Il utilise TCP/IP, un protocole orienté connexion qui gère explicitement les liaisons entre les clients et les serveurs. Cœur du réseau TCP/IP, le protocole TCP permet de fragmenter les paquets de données afin que les messages de données atteignent leur destination. Notez qu'IP ne traite que les paquets ; TCP permet à deux hôtes d'établir une connexion et d'échanger des flux de données. Le TCP garantit la distribution des données et des paquets dans l'ordre dans lequel ils ont été envoyés.

EtherNet/IP utilise un port UDP pour la messagerie implicite — communications système envoyées à partir d'emplacements mémoire prédéfinis vers un contrôleur ou un autre client à intervalles préprogrammés. Ces communications sont beaucoup plus rapides que la messagerie explicite, et la transmission de données unidirectionnelle des connexions UDP (sans validation des accusés de réception) simplifie les mises à jour cycliques du système.

PROFINET pour les communications déterministes

PROFINET est une autre norme technique qui définit un mode de communication de données via l'Ethernet industriel. Les modifications PROFINET à l'Ethernet standard garantissent une transmission des données correcte et rapide, même dans des applications difficiles. Ses définitions dictent un moyen de collecte de données depuis des installations et des systèmes industriels pour répondre à des contraintes de temps spécifiques et souvent serrées. PROFINET est né de PROFIBUS, une norme de communication de bus de terrain pour soutenir l'automatisation. Tandis que PROFIBUS est un bus de terrain série classique basé sur l'Ethernet industriel, PROFINET va plus loin avec des capacités supplémentaires pour permettre des communications plus rapides et flexibles pour contrôler les composants d'automatisation.

Figure 4 : EtherNet/IP est plus fréquent aux États-Unis. PROFINET est largement utilisé en Europe. (Source de l'image : PI North America)

En fait, PROFINET détenait 30 % du marché des réseaux industriels en 2018, ce qui en fait la première solution de communication basée sur Ethernet pour l'automatisation industrielle. Plus de cinq millions de dispositifs compatibles PROFINET sont mis sur le marché chaque année.

Les communications PROFINET et PROFIBUS sont déterministes, ce qui permet de prendre en charge les systèmes d'automatisation avec des limites de structures E/S précises ... et leurs structures E/S définies permettent le calcul précis des temps de mise à jour maximum. PROFINET peut également assurer l'échange de données en temps réel isochrone (IRT). L'IRT s'appuie essentiellement sur l'horloge ultra-précise de PROFINET pour hiérarchiser le passage de certains types de trafic de données et mettre en mémoire tampon le reste. L'IRT excelle dans les applications exigeantes telles que le contrôle de mouvement et d'autres applications qui nécessitent un fonctionnement plus déterministe que le fonctionnement en temps réel. Dans un échange de données en temps réel, les temps de cycle de bus sont inférieurs à 10 ms. En revanche, les échanges de données IRT se font dans un délai de quelques dizaines de microsecondes à quelques millisecondes.

Par exemple, PROFINET, dans une opération de conditionnement et d'étiquetage, peut prendre en charge la transmission de données pour garantir que les bouteilles sont remplies à un niveau précis en moins d'une seconde, à environ une milliseconde près. PROFINET peut également détecter et quantifier toute anomalie dans le processus de remplissage et alerter les opérateurs, et également stopper immédiatement les processus.

Note complémentaire sur le matériel PROFINET

L'Ethernet standard ne convient qu'à la transmission de données à la maison, au bureau et dans certains environnements de surveillance industrielle. En revanche, l'Ethernet industriel de PROFINET est adapté à une installation dans des sites industriels difficiles exigeant des communications de données déterministes. Les câbles et les connecteurs PROFINET diffèrent de ceux utilisés dans l'Ethernet standard, et ils incluent des connecteurs avec des mécanismes de verrouillage plus robustes et des câbles industriels renforcés. Les routeurs PROFINET (qu'ils soient intégrés dans d'autres matériels ou construits comme éléments autonomes) fonctionnent sur la troisième couche réseau (d'après les modèles réseaux mentionnés plus haut) et communiquent en utilisant des adresses IP. Ces routeurs connectent les réseaux locaux (LAN) et forment des réseaux étendus (WAN) tout en employant des algorithmes pour déterminer les meilleurs chemins de transmission de données entre les réseaux. Certains commutateurs PROFINET utilisent également des connexions fibre optique. Ces composants ultrarapides intègrent des dispositifs compatibles PROFINET dans les réseaux Ethernet (ou PROFIBUS) via des éléments de passerelle pour les conversions cuivre-fibre optique.

Figure 5 : Le matériel PROFINET excelle en conditions difficiles et exposées à des vibrations, à la chaleur, à la poussière, à l'huile et à d'autres conditions difficiles. Ce module Brad PROFINET IO-Link HarshIO est un exemple de composant renforcé pour l'automatisation industrielle avec connectivité PROFINET. (Source de l'image : Molex)

Commutateurs PROFINET administrés et non administrés

Les commutateurs PROFINET fonctionnent sur la deuxième couche de données du modèle réseau conceptuel dont il a été question plus haut. Ils ont pour fonction de contrôler la réception et la transmission des signaux de données sur le réseau.

Les commutateurs PROFINET non administrés envoient les données Ethernet entrantes via les ports appropriés connectés aux points d'extrémité des dispositifs prévus. Les ports peuvent être équipés d'un voyant LED pour indiquer la présence d'un flux de données, mais ces commutateurs non administrés ne fournissent généralement pas beaucoup plus d'informations sur ce flux de données ou sur sa gestion.

En revanche, les commutateurs PROFINET administrés sont plus intelligents et fonctionnent avec différents protocoles IT, notamment le protocole SNMP (Simple Network Management Protocol) et le protocole LLDP (Link Layer Discovery Protocol) pour PROFINET. En raison de leur intelligence, les commutateurs administrés sont souvent utilisés lorsque la prévention des temps d'arrêt est un objectif prioritaire, et lorsque le dépannage des défaillances est utile. Évidemment, ils sont généralement plus chers que les commutateurs non administrés.

Comparaison directe des caractéristiques d'EtherNet/IP et de PROFINET

Les adaptations spécifiques à l'industrie d'EtherNet/IP transforment de nombreuses industries. Par exemple, l'industrie du conditionnement utilise EtherNet/IP pour les communications haute vitesse, le déterminisme et les performances en temps réel. Les industries telles que le traitement chimique, l'automatisation traditionnelle et la production d'énergie utilisent EtherNet/IP pour quantifier continuellement la production. D'autres applications industrielles impliquent des processus entièrement automatisés qui nécessitent un comptage et une acquisition de données en temps réel pour le contrôle. Dans ce domaine, EtherNet/IP et PROFINET excellent dans la création des réseaux déterministes nécessaires à ces applications.

Comparez la qualité des signaux EtherNet/IP et PROFINET, la taille des messages et le taux d'actualisation pour voir en quoi les deux systèmes diffèrent. PROFINET est généralement plus rapide qu'EtherNet/IP et le plus souvent déployé avec du matériel standard ... bien que PROFINET IRT nécessite un matériel spécifique. EtherNet/IP est plus interopérable, car il est basé sur la programmation orientée objet et s'appuie sur des composants commerciaux prêts à l'emploi (CotS). En fait, l'utilisation de composants et de matériel CotS, qui n'est pas sans rappeler les variantes omniprésentes dans les environnements de bureau, signifie qu'EtherNet/IP est très rentable pour la connectivité industrielle haut débit. Les économies d'échelle et la nature interchangeable d'une grande partie de ce matériel permettent de réduire au maximum les coûts initiaux.

En contraste, les composants compatibles PROFINET peuvent s'intégrer dans les bus de terrain basés sur PROFIBUS, ce qui permet de compléter efficacement les systèmes existants sans avoir à les remplacer complètement. La manière dont les dispositifs existants peuvent être partagés et dont les réseaux existants acceptent l'ajout de matériel supplémentaire présente des avantages en termes de coûts. Malgré cela, les coûts initiaux des technologies PROFINET peuvent être jusqu'à 15 % plus élevés que ceux des technologies basées sur EtherNet/IP. Ce coût est partiellement compensé par une installation plus facile, qui est estimée être environ deux fois moins compliquée (comprendre : coûteuse) que l'installation d'Ethernet/IP.

Les topologies et les composants pris en charge par EtherNet/IP et PROFINET diffèrent également quelque peu. La topologie réseau est l'agencement des liaisons et des nœuds d'un réseau. Les liaisons sont des technologies sans fil et câblées, telles que les câbles coaxiaux, plats et à paires torsadées, ainsi que les câbles fibre optique. En revanche, les nœuds de réseau sont des concentrateurs, des ponts, des commutateurs, des routeurs, des modems et des interfaces de pare-feu. Les topologies incluent : étoile, ligne, anneau, en chaîne et maillée.

Les réseaux EtherNet/IP utilisent principalement une topologie en étoile complétée par d'autres : la topologie en anneau connecte plusieurs dispositifs de manière séquentielle, bien que si un câble est coupé dans l'anneau, chaque dispositif conserve son chemin vers le contrôle. La topologie arborescente utilise des dispositifs ou des commutateurs câblés avec des connexions entre les groupes de dispositifs ; toute rupture déclenche un algorithme pour déterminer la meilleure solution possible.

La topologie en ligne de PROFINET utilise un câblage minimal et aucun commutateur externe ; les connexions à toutes les topologies en étoile et arborescentes se font via des commutateurs autonomes. Dans ce cas, si un commutateur en étoile ou arborescent présente une défaillance, les communications vers tous les nœuds sont affectées, ce qui peut être problématique. Aussi, pour garantir la continuité des communications, PROFINET prend en charge des topologies avec des dispositifs supplémentaires pour fournir une sauvegarde des supports et d'autres éléments en cas de défaillance d'un câble ou d'un nœud.

Notez que les réseaux EtherNet/IP et PROFINET se déploient dans des systèmes sous contrôle centralisé et décentralisé, et ils fonctionnent parfois dans des systèmes qui combinent les deux modalités de contrôle. Avec EtherNet/IP et PROFINET, les systèmes centralisés utilisent une configuration client-serveur avec un serveur central connectant un ou plusieurs nœuds clients. Les nœuds clients soumettent des demandes au serveur central plutôt que de les traiter eux-mêmes, tandis que le serveur se charge de tous les principaux traitements. Dans les systèmes décentralisés, chaque nœud exécute sa propre logique de manière autonome. Les actions finales du système sont la somme de la logique de tous les nœuds.

Passerelles EtherNet/IP et PROFINET

Les passerelles (qu'il s'agisse de composants matériels autonomes ou intégrés à des fonctions de routeur, de pare-feu ou de serveur) contrôlent le flux de données entrant et sortant d'un réseau donné et parfois entre des systèmes disparates. Cela inclut certaines passerelles spécialement conçues pour la communication E/S entre les réseaux EtherNet/IP et PROFINET. Pour ces derniers, la plupart des passerelles fonctionnent comme un dispositif PROFINET et un adaptateur EtherNet/IP pour une compatibilité automatique.

Outre leur rôle principal, les passerelles peuvent également décharger le PLC d'un système des tâches de synchronisation, de comptage, de calcul, de comparaison et de traitement des signaux. Les passerelles EtherNet/IP et PROFINET avec fonction de routeur permettent aux ordinateurs d'envoyer et de recevoir des données sur Internet. Aujourd'hui, les interfaces homme-machine (IHM) intelligentes connectées aux réseaux remplissent parfois une double fonction de passerelle entre les systèmes d'automatisation et les contrôleurs, pour une mise en service et une maintenance simplifiées des systèmes.

Figure 6 : Cette passerelle de conversion de protocole Anybus Communicator facilite la connexion en série d'équipements non connectés aux réseaux PROFINET. (Source de l'image : HMS Networks)

Connecter les futures installations d'automatisation industrielle

La connectivité EtherNet/IP et PROFINET permet de nouvelles permutations innovantes de l'automatisation et des contrôles industriels avec une agilité et une fonctionnalité IIoT sans précédent. Comme le matériel, les logiciels et les technologies de connectivité exploitent EtherNet/IP et PROFINET de manière inédite, ils aideront les systèmes à répondre aux exigences de production industrielle toujours plus élevées.