Struktura EtherNet / IP a jeho možné rozšíření

EtherNet / IP je průmyslový síťový protokol, který využívá protokol (CIP) standardního Ethernetu. Pracuje na aplikační vrstvě, která umožňuje komunikaci mezi ovládacími prvky a vstupy/výstupy (I / O) jednotlivých zařízení. Jednoduše řečeno EtherNet / IP se nachází v nejvyšší vrstvě modelu OSI (Open Systems Interconnection) a modelu TCP/IP (Transmission control protocol/internet protocol .

EtherNet / IP využívá:

• Aplikační vrstvu
• Síťovou vrstva internetového protokolu
• Linkovou vrstvu Ethernetu

IP v názvu EtherNet / IP je zkratka pro průmyslový protokol (Industrial Protocol). Původně se jednalo o síťové protokoly, které komunikovaly přes sériové rozhraní RS-232 nebo RS-485. Tyto sběrnice ve většině případů nahradilo rozhraní Ethernet s protokolem TCP / IP. Rozhraní EtherNet / IP a jeho standardizovaný hardware (rozbočovače, přepínače, směrovače, ethernetové kabely a síťové karty Ethernet) jsou definovány protokolem TCP/IP IEEE 802.3 (Transmission Control Protocol a Internet Protocol).

EtherNet / IP vznikl v roce 2009 spoluprací mezi sdružením Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) a ControlNet International (CI) pod záštitou ODVA a jejích členů. Samotné sdružení ODVA byla založena v roce 1995 jako konsorcium společností Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron a Bosch Rexroth za účelem rozvoje otevřené a interoperabilní komunikace pro průmyslovou automatizaci. EtherNet / IP dosáhl v oblasti průmyslového Ethernetu 25% podílu na trhu v roce 2017 a 28% podílu v roce 2018.

V současné době je EtherNet / IP jednou ze čtyř sítí, které spadají do ODVA, které přijaly CIP(Common Industrial Protocol) pro průmyslové sítě. Ostatní ODVA sítě jsou DeviceNet, ControlNet a CompoNet. Protokol CIP pracuje s objektovým modelem a využívá komunikaci na principu producent-konzument (producer-consumer). Použitím protokolu CIP se dosáhne interoperability mezi všemi sítěmi, které ho podporují – tedy mezi sítěmi DeviceNet, ControlNet a EtherNet/IP.

CIP je kanál pro sdílení dat v průmyslových zařízeních. Používá různé typy zpráv a služeb k výměně dat v průmyslové automatizaci, která slouží k řízení procesu a systému, bezpečnosti, synchronizaci, přenosu dat a konfiguraci. CIP umožňuje integraci do podnikových sítí Ethernet a Internetu. Je to sdílená komunikační síť používaná ve výrobních a průmyslových aplikacích a je široce přijímaná prodejci po celém světě.

Data jsou uspořádány jako objekty s datovými prvky nebo atributy. Tyto datové objekty se obvykle třídí do požadovaných objektů a objektů aplikace.

Implementace EtherNet / IP je poměrně snadná a je kompatibilní se standardními ethernetovými switchi pro průmyslovou automatizaci. Základní forma EtherNet / IP je však nedeterministická, a proto je nevhodná pro řízení průmyslové komunikace v reálném čase. CIP Motion doplňuje EtherNet / IP pro splnění náročných požadavků na deterministické řízení v reálném čase (včetně řízení pohybu v uzavřené smyčce) s nemodifikovaným Ethernetem v plném souladu s IEEE 802.3 a TCP / IP Ethernet standardy. EtherNet / IP doplněný technologií CIP Motion poskytuje víceosé distribuované řízení pohybu. Je škálovatelný a nabízí společné aplikační rozhraní pro aplikace s řízením pohybu.

Přenos dat přes EtherNet / IP

Protokol TCP a uživatelský datový protokol (UDP) jsou základními komunikačními protokoly Internetu. EtherNet / IP využívá TCP port pro tzv. Explicitní zasílání zpráv. To znamená, že systém odešle data klientovi v reakci na konkrétní požadavek. EtherNet/IP využívá TCP / IP protokol, který explicitně spravuje propojení mezi klientem a serverem. Část TCP, která je základem sítě TCP / IP, pomáhá fragmentovat datové pakety tak, aby datové zprávy dosáhly svého cíle. Část IP se zabývá pouze pakety. TCP umožňuje dvěma hostitelům navázat spojení a realizovat výměnu dat. TCP zaručuje včasné doručení dat a také, že pakety budou doručeny v pořadí, v jakém byly odeslány.

EtherNet / IP využívá port UDP pro implicitní zasílání zpráv - systémová komunikace odesílaná z přednastavených paměťových míst do kontroléru nebo jiného klienta v předem naplánovaném intervalu. Taková komunikace je mnohem rychlejší než explicitní zasílání zpráv a jednosměrný datový přenos UDP (bez ověřování příjmů) zjednodušuje cyklické aktualizace systému.

PROFINET pro deterministickou komunikaci

PROFINET je další standard, který definuje datovou komunikaci přes průmyslový Ethernet. Modifikace standardu Ethernet PROFINET zajišťuje správný a rychlý přenos dat i v náročných aplikacích. Jeho funkce slouží ke sběru dat z průmyslového zařízení a systémů, tak aby byly splněny náročné požadavky na čas.

PROFINET vznikl z PROFIBUSu - standard pro komunikaci po průmyslové sběrnici. PROFIBUS je klasická sériová sběrnice založena na průmyslovém Ethernetu. PROFINET má ale další funkce, které umožňují rychlejší a pružnější komunikaci pro řízení časově náročných aplikací.

Ve skutečnosti měl PROFINET od roku 2018 30% tržní podíl na průmyslových sítí. To z něj činí přední světové komunikační řešení pro průmyslovou automatizaci na bázi Ethernetu. Každý rok přichází na trh více než pět milionů zařízení podporující PROFINET.

Komunikace PROFINET a PROFIBUS jsou deterministické. To umožňuje podporu automatizačních systémů s předem definovanými strukturami vstupů/výstupů a jejich přesné načasování. PROFINET může také zajišťovat isochronní výměnu dat v reálném čase (IRT). IRT v podstatě využívá velmi přesné časové hodiny PROFINETu, aby upřednostňoval průchod některých typů datového provozu. IRT vyniká v náročných aplikacích, jako je řízení pohybu a aplikace, které vyžadují deterministický provoz než provoz v reálném čase. Při výměně dat v reálném čase jsou doby cyklu sběrnice kratší než 10 ms. Naproti tomu k výměně dat IRT dochází během několika desítek μsec.

Například pomocí protokolu PROFINET v procesu balení a označování se přenáší data během plnění lahví. Přenos je tak rychlý, že je schopen zajistit, aby lahve byli naplněny na správnou úroveň za méně než sekundu. PROFINET může také detekovat, kvantifikovat a upozorňovat operátory na jakékoli anomálie v procesu plnění a v případě havárie okamžitě vypnout plnící procesy.

Hardware s podporou PROFINETu

Standardní Ethernet je vhodný pouze pro přenos dat v domácnosti, kanceláři. Naproti tomu průmyslový Ethernet PROFINET je vhodný pro instalaci v náročných průmyslových zařízeních vyžadujících deterministickou datovou komunikaci. Kabely a konektory PROFINETu se liší od kabelů používaných ve standardním ethernetu. Konektory mají pevnější zámkové mechanismy a jsou připojeny k robustními kabely. Směrovače PROFINETu fungují na síťové vrstvě a komunikují pomocí IP adres. Tyto směrovače spojují lokální sítě (LAN) a vytvářejí rozsáhlé sítě (WAN) a využívají algoritmy k určení nejrychlejších cest přenosu dat mezi sítěmi.

Některé switche PROFINETu používají také optická vlákna. Tyto ultrarychlé komponenty integrují zařízení podporující PROFINET do sítí Ethernet nebo PROFIBUSu prostřednictvím speciálních převodníků kabel/optika.

Managed / Unmanaged PROFINET switch

Switche protokolu PROFINET pracují na datové vrstvě síťového modelu. Slouží k řízení přenosu dat. UnManaged neboli neřízené switche s podporou PROFINETu odesílají příchozí data do správných portů, kde jsou připojeny příslušná koncová zařízení. Porty mohou mít LED indikátory ukazující přítomnost datového toku. Tato signalizace je většinou jediná informace, kterou nespravované switche obvykle poskytují uživateli o přenášených datech.

Naproti tomu jsou řízené switche PROFINETu inteligentnější a pracují s protokolem SNMP (Simple Network Management Protocol) a protokolem LLDP (Link Layer Discovery Protocol). Z důvodu své inteligence se často řízené switche používají k optimalizaci sítě, stejně jako v běžné síti Ethernet. Dokáží zabránit přetížení sítě či prioritizovat datového spojení tak, aby nedocházelo k přerušení přenosu řídích dat strojů video přenosem. Tyto řízené switche jsou samozřejmě dražší než neřízené switche.

Porovnání vlastností EtherNet / IP vs PROFINET

Obalový průmysl používá EtherNet / IP kvůli vysokorychlostní komunikaci, determinismu a schopnosti pracovat v reálném čase. V chemickém průmyslu či elektrárnách se EtherNet / IP používá k nepřetržitému monitoringu výstupů. Obecně lze říci, že EtherNet / IP i PROFINET vynikají při vytváření deterministických sítí, které jsou nutností pro výše zmíněné aplikace.

PROFINET je obecně rychlejší než EtherNet / IP a nejčastěji je nasazen se standardním hardwarem, ale při použití přídavné funkce PROFINET IRT je nutné použít specifický hardware. EtherNet / IP je založen na objektově orientované programování a spoléhá se na komerční komponenty off-the-shelf (CotS). CotS je běžně rozšířen ve standardní síti, a to znamená, že nasazení EtherNet / IP je jednoduchou a levnou záležitostí.

Naproti tomu komponenty podporující PROFINET se mohou integrovat do průmyslových sítí založených na PROFIBUSu. Počáteční náklady na implementaci PROFINETu mohou být až o 15% vyšší než při implementaci EtherNet / IP. Tyto náklady jsou částečně kompenzovány snazší instalací, která se odhaduje asi na polovinu.

Topologie EtherNet / IP a PROFINET se také poněkud liší. Topologie sítě je uspořádání spojení(Links) a uzlů(Nodes) sítě. Spojení může být bezdrátové či kabelové (koaxiální kabel, páskový kabel, kroucený pár či optické vlákno). Mezi síťové uzly patří rozbočovače(hubs), mosty(bridges), přepínače(switches), směrovače(routers), modemy a brány firewall. Topologie mohou být typu hvězda(Star), linie(Line), kruh(Ring), řetěz (Chain) nebo pletivo(mesh).

Sítě EtherNet / IP primárně používají topologii typu hvězda. Topologie linky PROFINET používá minimální kabeláž a žádné externí přepínače. Připojení k topologii typu hvězda se provádí pomocí samostatných switchů. Pokud dojde k selhání switche ovlivní se komunikace do všech uzlů – to může být problematické. Aby byla zajištěna kontinuita komunikace, PROFINET podporuje topologie s přídavnými zařízeními pro zajištění komunikace v případě selhání kabelu nebo uzlu.

Brány EtherNet / IP a PROFINET

Jednotlivé brány řídí tok dat dovnitř a ven z dané sítě a někdy i mezi různými systémy. Existují i brány, které jsou speciálně navrženy pro komunikaci mezi sítěmi EtherNet / IP a PROFINET. Kromě jejich primární úlohy mohou brány také nahradit různé funkce PLC systému například časování, počítání, porovnávání a zpracování jednoduchých úloh.

Brány EtherNet / IP a PROFINET s funkcí routeru umožňují počítačům odesílat a přijímat data přes internet. HMI rozhraní bývá často připojeno k různým sítím, a proto je v nich brána přímo integrována, aby se jednotlivé sítě (systémy) propojily.

Článek vyšel v originále "EtherNet/IP versus PROFINET" na webu DigiKey.com, autorem je Lisa Eitel.