EtherNet/IP versus PROFINET

Industrieel Ethernet wordt steeds vaker gebruikt dan andere opties omdat bedrijven steeds meer digitaal verbonden zijn. Dat geldt met name wanneer Internet of Things (IoT)-functionaliteit wordt toegepast in automatiserings- en industriële besturingssystemen om de toegankelijkheid en bruikbaarheid van gegevens te verbeteren. EtherNet/IP en PROFINET zijn hier de topopties

Structuur van EtherNet/IP en uitbreiding van EtherNet/IP-toepassingen

EtherNet/IP is een industrieel netwerkprotocol dat het Common Industrial Protocol (CIP) toepast op standaard-Ethernet. Het werkt op een netwerktoepassingslaag - die (in de twee conceptuele modellen van netwerken) zich op de "bovenste" apparaat- en gebruikersgerichte laag bevindt om communicatie tussen besturingsorganen en input-output (I/O) apparaten mogelijk te maken. Meer in het bijzonder is EtherNet/IP de bovenste laag van de Open Systems Interconnection (OSI)- en transmissiecontroleprotocol/internetprotocol (TCP/IP)-modellen.

Figuur 1: De twee meest gebruikte modellen om netwerken te beschrijven zijn het OSI-model en het TCP/IP-model. (Bron afbeelding: Design World))

EtherNet/IP in dienst:

• De zojuist genoemde toepassingslaag
• Een Internet Protocol netwerklaag
• De standaard Ethernet link laag

Het IP in EtherNet/IP is een afkorting van "industrial protocol " en verwijst naar netwerkprotocollen die oorspronkelijk zijn ontwikkeld om communicatie via seriële verbindingen zoals RS-232 en RS-485 mogelijk te maken - beide standaarden voor industriële datatransmissie. Veel van dergelijke verbindingen werken nu via Ethernet met protocollen zoals TCP/IP, zo gebruikelijk voor Internet-communicatie. EtherNet/IP-communicatie en de zeer gestandaardiseerde hardware (waaronder hubs, switches, routers, Ethernet-kabels en Ethernet-netwerkkaarten) wordt gedefinieerd door het IEEE 802.3 Transmission Control Protocol en het Internet Protocol.

Figuur 2: Omdat EtherNet/IP op de toepassingslaag werkt, maakt het communicatie tussen industriële controllers en I/O's mogelijk. (bron NT24k-schakelaar: Red Lion)

EtherNet/IP, dat in 2009 werd ontwikkeld, is voortgekomen uit de samenwerking tussen de Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) en ControlNet International (CI) onder auspiciën van ODVA en haar leden. ODVA zelf werd in 1995 opgericht als een consortium van automatiseringsbedrijven (waaronder Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron, en Bosch Rexroth) om open en interoperabele communicatie voor industriële automatisering te bevorderen. Volgens ODVA leidt EtherNet/IP de adoptie van industriële Ethernet - goed voor 25% marktaandeel in 2017 en 28% in 2018 met de meeste verscheepte nodes van industriële Ethernet-netwerken.

Op dit moment is EtherNet/IP een van de vier ODVA-netwerken die CIP voor industriële netwerken hebben ingevoerd. De andere zijn DeviceNet, ControlNet en CompoNet.

CIP is een kanaal voor het organiseren en delen van gegevens in industriële apparatuur. Meer in het bijzonder maakt het gebruik van verschillende soorten berichten en diensten voor de uitwisseling van gegevens in industriële automatiseringstoepassingen, waaronder proces- en systeemregeling, veiligheid, synchronisatie, beweging, configuratie en informatie. Met CIP kunnen deze toepassingen worden geïntegreerd met Ethernet-netwerken op bedrijfsniveau en het Internet. Het is een uniform communicatienetwerk dat wordt gebruikt voor productie- en industriële toepassingen en dat op grote schaal wordt toegepast door verkopers over de hele wereld.

Voor industriële protocollen worden gegevens geordend als objecten met gegevenselementen of attributen. Deze gegevensobjecten worden gewoonlijk gesorteerd in vereiste objecten en toepassingsobjecten. De eerste zijn te vinden in elk KCI.

Figuur 3: EtherNet/IP en PROFINET zijn toonaangevende industriële ethernetprotocollen. Beide worden gesteund door de ODVA. (Afbeelding bron: ODVA Inc.)

EtherNet/IP is vrij eenvoudig te implementeren, en het is compatibel met standaard-Ethernet-switches voor industriële automatisering. De basisvorm van EtherNet/IP is echter niet-deterministisch en daarom ongeschikt voor strikte real-time industriële toepassingen. CIP Motion kan EtherNet/IP aanvullen om deze laatste te helpen voldoen aan veeleisende vereisten voor deterministische real-timebesturing (met inbegrip van closed-loop motion control) met ongewijzigd Ethernet in volledige overeenstemming met IEEE 802.3 en TCP/IP Ethernet-normen.

EtherNet/IP aangevuld met CIP Motion-technologie zorgt voor gedistribueerde motion control met meerdere assen. Het is schaalbaar en biedt een gemeenschappelijke toepassingsinterface voor bewegingsontwerpen.

Gegevensoverdracht via EtherNet/IP

TCP en het User Datagram Protocol (UDP) zijn de onderliggende communicatieprotocollen van het Internet en ook van vele particuliere netwerken. EtherNet/IP maakt gebruik van een TCP-poort voor wat expliciete berichtenuitwisseling wordt genoemd. Van een dergelijke berichtgeving is sprake wanneer het systeem gegevens aan een cliënt zendt in antwoord op een specifiek verzoek om die gegevens. Het maakt gebruik van TCP/IP - een verbindingsgeoriënteerd protocol dat expliciet de verbindingen tussen clients en servers beheert. TCP is de kern van TCP/IP-netwerken en helpt bij het fragmenteren van gegevenspakketten, zodat de gegevens hun bestemming bereiken. Merk op dat IP alleen betrekking heeft op pakketten; TCP laat twee hosts een verbinding tot stand brengen en gegevensstromen uitwisselen. TCP garandeert dat de gegevens worden afgeleverd en dat de pakketten worden afgeleverd in de volgorde waarin zij zijn verzonden.

EtherNet/IP maakt gebruik van een UDP-poort voor impliciete berichtenuitwisseling - systeemcommunicatie die met een vooraf gepland interval vanaf vooraf ingestelde geheugenlocaties naar een controller of andere client wordt verzonden. Dergelijke communicatie is veel sneller dan expliciete berichtenuitwisseling, en de eenrichtingsdatatransmissie van UDP-verbindingen (zonder validatie van ontvangstbevestigingen) vereenvoudigt cyclische systeemupdates.

PROFINET voor deterministische communicatie

PROFINET is een andere technische norm die een wijze van datacommunicatie via industrieel Ethernet definieert. PROFINET-aanpassingen aan standaard-Ethernet zorgen voor een correcte en snelle gegevensoverdracht, zelfs bij veeleisende toepassingen. De definities ervan dicteren een methode voor het verzamelen van gegevens van industriële apparatuur en systemen om te voldoen aan specifieke en vaak krappe tijdslimieten. PROFINET is voortgekomen uit PROFIBUS - een standaard voor veldbuscommunicatie ter ondersteuning van de automatisering. Terwijl PROFIBUS een klassieke seriële veldbus is op basis van industrieel Ethernet, gaat PROFINET verder met extra mogelijkheden om snellere en flexibele communicatie mogelijk te maken voor de besturing van automatiseringscomponenten.

Figuur 4: EtherNet/IP is het meest gangbaar in de Verenigde Staten. PROFINET wordt veel gebruikt in Europa. (Foto bron: PI North America)

In feite had PROFINET in 2018 30% van het marktaandeel in industriële netwerken, waarmee het 's werelds toonaangevende op Ethernet gebaseerde communicatieoplossing voor industriële automatisering is. Elk jaar komen er meer dan vijf miljoen PROFINET-ready apparaten op de markt.

PROFINET- en PROFIBUS-communicatie zijn deterministisch, waardoor automatiseringssystemen met precieze I/O-structuurgrenzen kunnen worden ondersteund ... en dankzij de gedefinieerde I/O-structuren kunnen de maximale updatetijden nauwkeurig worden berekend. PROFINET kan ook isochrone real-time (IRT) gegevensuitwisseling mogelijk maken. IRT maakt in wezen gebruik van de uiterst nauwkeurige tijdklok van PROFINET om prioriteit te geven aan de passage van bepaalde soorten dataverkeer en de rest te bufferen. IRT blinkt uit in veeleisende toepassingen zoals motion control en andere toepassingen die een meer deterministische werking vereisen dan real-time werking. Bij een real-time gegevensuitwisseling zijn de buscyclustijden minder dan 10 msec. IRT-gegevensuitwisselingen daarentegen vinden plaats binnen enkele tientallen μsec tot enkele msec.

PROFINET in een verpakkings- en etiketteerbedrijf kan bijvoorbeeld gegevensoverdracht ondersteunen om ervoor te zorgen dat flessen in minder dan een seconde tot op een nauwkeurig niveau worden gevuld - tot op een msec of zo. PROFINET kan ook anomalieën in het bottelproces detecteren, kwantificeren en de operatoren waarschuwen en de processen onmiddellijk stopzetten.

Kanttekening bij PROFINET hardware

Standaard Ethernet is alleen geschikt voor datatransmissie in huis, op kantoor en in bepaalde industriële bewakingsomgevingen. Het industriële Ethernet van PROFINET is daarentegen geschikt voor installatie in ruwe industriële installaties die een deterministische datacommunicatie vereisen. PROFINET-kabels en -connectoren verschillen van die welke in standaard-Ethernet worden gebruikt - en omvatten connectoren met zwaardere vergrendelingsmechanismen en robuuste industriële kabels. PROFINET-routers (of zij nu in andere hardware zijn geïntegreerd of als zelfstandige elementen zijn gebouwd) functioneren op netwerklaag drie (van de eerder genoemde netwerkmodellen) en communiceren met behulp van IP-adressen.Deze routers verbinden lokale netwerken (LAN's) en vormen wide area networks (WAN's), terwijl ze gebruik maken van algoritmen om de beste datatransmissieroutes tussen netwerken te bepalen. Sommige PROFINET-switches maken ook gebruik van glasvezelverbindingen. Deze ultrasnelle componenten integreren PROFINET-geschikte apparaten in Ethernet-netwerken (of PROFIBUS) via gateway-elementen voor koper-naar-glasvezelomzettingen.

Afbeelding 5: PROFINET-hardware blinkt uit onder zware en zware omstandigheden die worden blootgesteld aan trillingen, hitte, stof, olie en andere uitdagende omstandigheden. Deze Brad PROFINET IO-Link HarshIO module is een voorbeeld van een robuuste component voor PROFINET-geschakelde fabrieksautomatisering. (Afbeelding bron: Molex)

PROFINET beheerde en onbeheerde schakelaars

PROFINET-switches werken op de tweede datalaag van het eerder behandelde conceptuele netwerkmodel. Zij dienen om de ontvangst en verzending van datasignalen door het netwerk te regelen.

Onbeheerde PROFINET-switches sturen inkomende Ethernet-data via de juiste poorten die zijn aangesloten op de beoogde eindpunten van de apparaten. Poorten kunnen een LED-indicator hebben om de aanwezigheid van een gegevensstroom aan te geven, maar deze onbeheerde schakelaars bieden gewoonlijk niet veel meer informatie over of beheer van die gegevensstroom.

Beheerde PROFINET-switches zijn daarentegen intelligenter en werken met verschillende IT-protocollen - waaronder het simple network management protocol (SNMP) en het link layer discovery protocol (LLDP) voor PROFINET. Vanwege hun intelligentie worden beheerde switches vaak gebruikt waar het voorkomen van downtime een hoofddoelstelling is - en waar het opsporen van storingen nuttig is. Natuurlijk zijn ze meestal duurder dan onbeheerde schakelaars.

Directe vergelijking van de kenmerken van EtherNet/IP en PROFINET

Branchespecifieke aanpassingen van EtherNet/IP transformeren veel bedrijfstakken. De verpakkingsindustrie maakt bijvoorbeeld gebruik van EtherNet/IP voor hogesnelheidscommunicatie, determinisme en real-time prestaties. Industrieën zoals chemische verwerking, traditionele automatisering en energieopwekking maken gebruik van EtherNet/IP om de output voortdurend te kwantificeren. Weer andere industriële toepassingen omvatten volledig geautomatiseerde processen waarbij tellen en real-time gegevensverwerving voor controle nodig zijn. Hier blinken zowel EtherNet/IP als PROFINET uit in het creëren van de deterministische netwerken die dergelijke toepassingen vereisen.

Bekijk EtherNet/IP en PROFINET signaalkwaliteiten, berichtgroottes en updatefrequenties voor details over hoe de twee verschillen. PROFINET is over het algemeen sneller dan EtherNet/IP en wordt meestal ingezet met standaard hardware ... hoewel PROFINET IRT specifieke hardware vereist. EtherNet/IP is meer interoperabel, aangezien het is gebaseerd op objectgeoriënteerd programmeren en gebruikmaakt van commerciële kant-en-klare (CotS) componenten. In feite betekent het gebruik van CotS-componenten en -hardware, vergelijkbaar met de alomtegenwoordige varianten die in kantooromgevingen worden gebruikt, dat EtherNet/IP zeer kosteneffectief is voor industriële hogesnelheidsconnectiviteit. Schaalvoordelen en de uitwisselbaarheid van veel van deze hardware helpen de aanloopkosten het meest te beperken.

Daarentegen kunnen PROFINET-ready componenten worden geïntegreerd in PROFIBUS-gebaseerde veldbussen, waardoor bestaande systemen effectief kunnen worden aangevuld zonder dat volledige vervanging nodig is. Er zijn kostenvoordelen verbonden aan de manier waarop bestaande apparatuur kan worden gedeeld en bestaande netwerken de toevoeging van extra hardware aanvaarden. Desondanks kunnen de aanloopkosten voor PROFINET-technologieën tot 15% hoger zijn dan die voor technologieën op basis van EtherNet/IP. Die kosten worden gedeeltelijk gecompenseerd door een eenvoudiger installatie, die naar schatting ongeveer half zo ingewikkeld (lees: duur) is als de installatie van Ethernet/IP.

Ook de door EtherNet/IP en PROFINET ondersteunde topologieën en componenten verschillen enigszins. Netwerktopologie is de rangschikking van de links en de knooppunten van een netwerk. Links zijn draadloze en bekabelde technologieën zoals coaxiale, lint- en twisted-pair-kabel, alsmede glasvezelkabel. Netwerkknooppunten daarentegen zijn hubs, bruggen, schakelaars, routers, modems en firewall-interfaces. Topologieën zijn onder meer ster, lijn, ring, margrietketting en mesh.

EtherNet/IP-netwerken maken voornamelijk gebruik van een stertopologie, aangevuld met andere topologieën: Ring topologie verbindt meerdere apparaten opeenvolgend - hoewel als een kabel binnen de ring wordt doorgesneden, elk apparaat zijn pad naar de besturing behoudt. Boomtopologie maakt gebruik van apparaten of schakelaars met verbindingen tussen groepen apparaten; elke onderbreking leidt tot een algoritme om het volgende werkbare pad naar de oplossing te bepalen.

De lijntopologie van PROFINET maakt gebruik van minimale bekabeling en geen externe schakelaars; verbindingen met eventuele ster- en boomtopologieën verlopen via standalone schakelaars. Als hier een ster- of boomschakelaar uitvalt, wordt de communicatie naar alle knooppunten beïnvloed - wat problematisch kan zijn. Om de continuïteit van de communicatie te waarborgen, ondersteunt PROFINET topologieën met toegevoegde apparaten voor mediaback-up en andere elementen voor het geval een kabel of knooppunt uitvalt.

EtherNet/IP- en PROFINET-netwerken worden ingezet in systemen met gecentraliseerde en gedecentraliseerde besturing - en werken soms in systemen die beide besturingsregelingen combineren. Bij EtherNet/IP en PROFINET maken gecentraliseerde systemen gebruik van een client-server omgeving met een centrale server die een of meer client nodes verbindt. Cliëntknooppunten dienen verzoeken in bij de centrale server in plaats van deze op eigen houtje te verwerken, terwijl de server alle belangrijke bewerkingen voor zijn rekening neemt. In gedecentraliseerde systemen voert elk knooppunt autonoom zijn eigen logica uit. De uiteindelijke acties van het systeem zijn de som van de logica van alle knooppunten.

EtherNet/IP- en PROFINET-gateways

Gateways (of het nu gaat om zelfstandige hardware of om hardware die geïntegreerd is met router-, firewall- of serverfuncties) regelen de gegevensstroom in en uit een bepaald netwerk en soms tussen ongelijksoortige systemen. Daartoe behoren ook gateways die speciaal zijn ontworpen voor I/O-communicatie tussen EtherNet/IP- en PROFINET-netwerken. Voor dit laatste fungeren de meeste gateways als PROFINET-apparaat en EtherNet/IP-adapter voor automatische compatibiliteit.

Naast hun primaire rol kunnen gateways ook de PLC van een systeem ontlasten van taken op het gebied van signaaltiming, tellen, berekenen, vergelijken en verwerken. EtherNet/IP- en PROFINET-gateways met routerfunctionaliteit laten computers gegevens verzenden en ontvangen via het internet. Tegenwoordig doen slimme, op netwerken aangesloten mens-machine-interfaces(HMI's) soms ook dienst als gateways tussen automatiseringssystemen en controllers - voor een vereenvoudigde inbedrijfstelling en onderhoud van systemen.

Afbeelding 6: Deze Anybus Communicator protocol-converter gateway vergemakkelijkt de seriële aansluiting van niet-netwerkgebonden apparatuur op PROFINET-netwerken. (Afbeelding bron: HMS Networks)

Aansluiting van toekomstige industriële automatiseringsinstallaties

EtherNet/IP- en PROFINET-connectiviteit maken innovatieve nieuwe configuraties van automatisering en industriële besturingen mogelijk met een ongekende flexibiliteit en IIoT-functionaliteit. Nu hardware, software en connectiviteitstechnologieën op nieuwe manieren gebruikmaken van EtherNet/IP en PROFINET, zullen ze systemen helpen om te voldoen aan de steeds hogere eisen die aan industriële productie worden gesteld.