EtherNet/IP e PROFINET a confronto

L'adozione di Industrial Ethernet continua a prevalere su ogni altra scelta, via via che le aziende si connettono digitalmente. Questo è particolarmente vero laddove la funzionalità di Internet of Things (IoT) è impiegata nei sistemi di automazione e di controllo industriale per aumentare l'accessibilità e l'usabilità dei dati. EtherNet/IP e PROFINET sono le opzioni principali qui.

Struttura di EtherNet/IP e ampliamento dell'applicabilità di EtherNet/IP

EtherNet/IP è un protocollo di rete industriale che utilizza il Common Industrial Protocol (CIP) su Ethernet standard. Funziona su una rete strato di applicazione - che (nei due modelli concettuali di reti) è al livello "topmost" del dispositivo e al livello rivolto all'utente per consentire la comunicazione tra i controlli e i dispositivi di input-output (I/O). Più specificamente, EtherNet/IP è il livello superiore dei modelli Open Systems Interconnection (OSI) e Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP).

Cifra 1: I due modelli più comuni usati per descrivere le reti sono il modello OSI e il modello TCP/IP. (Immagine per gentile concessione di Design World)

EtherNet/IP impiega:

• Lo strato di applicazione appena menzionato
• Un livello di rete di protocollo Internet
• Lo strato di collegamento Ethernet standard

Si noti che IP in EtherNet/IP è l'abbreviazione di protocollo industriale e si riferisce a protocolli di rete originariamente sviluppati per consentire la comunicazione su connessioni seriali come RS-232 e RS-485 - entrambi standard per la trasmissione di dati industriali. Molte di queste connessioni ora operano su Ethernet utilizzando protocolli come TCP/IP, così comuni per le comunicazioni Internet. Le comunicazioni EtherNet/IP e il suo hardware molto standardizzato (inclusi hub, switch, router, cavi Ethernet e schede di rete Ethernet) sono definiti dal protocollo di controllo della trasmissione IEEE 802.3 e dal protocollo Internet.

Cifra 2: Poiché EtherNet/IP funziona sul livello applicativo, permette la comunicazione tra i controllori industriali e gli I/O. (NT24k cambia sorgente immagine: Red Lion)

Sviluppato nel 2009, EtherNet/IP è nato dalla collaborazione tra l'Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) e ControlNet International (CI) sotto l'egida dell'ODVA e dei suoi membri. La stessa ODVA è stata fondata nel 1995 come consorzio di società di automazione (tra cui Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron e Bosch Rexroth) per far progredire le comunicazioni aperte e interoperabili per l'automazione industriale. Secondo ODVA, EtherNet/IP è leader nell'adozione di reti Ethernet industriali - rappresentando una quota di mercato del 25% nel 2017 e del 28% nel 2018 con il maggior numero di nodi di reti Ethernet industriali spediti.

Attualmente, EtherNet/IP è una delle quattro reti ODVA che hanno adottato il CIP per le reti industriali. Le altre sono DeviceNet, ControlNet e CompoNet.

Il CIP è un canale di organizzazione e condivisione dei dati in dispositivi industriali. Più specificamente, utilizza diversi tipi di messaggi e servizi per lo scambio di dati in applicazioni di automazione industriale che includono il controllo di processo e di sistema, la sicurezza, la sincronizzazione, il movimento, la configurazione e le informazioni. Il CIP consente a queste applicazioni di integrarsi con le reti Ethernet di livello aziendale e con Internet. Si tratta di una rete di comunicazione unificata utilizzata per la produzione e le applicazioni industriali e ampiamente adottata dai fornitori di tutto il mondo.

Per i protocolli industriali, i dati sono ordinati come oggetti con elementi o attributi di dati. Questi oggetti di dati di solito vengono ordinati in oggetti richiesti e oggetti applicativi. I primi si trovano in ogni CIP.

Cifra 3: EtherNet/IP e PROFINET sono i principali protocolli Ethernet industriali. Entrambi sono supportati dall'ODVA. (Fonte immagine: ODVA Inc.)

EtherNet/IP è piuttosto facile da implementare ed è compatibile con gli switch Ethernet standard per l'automazione industriale. Tuttavia, la forma di base di EtherNet/IP non è deterministica e quindi non è adatta per le rigorose applicazioni industriali in tempo reale. CIP Motion può integrare EtherNet/IP per aiutare quest'ultimo a soddisfare gli esigenti requisiti per il controllo deterministico in tempo reale (incluso il controllo del movimento ad anello chiuso) con Ethernet non modificato in piena conformità con gli standard Ethernet IEEE 802.3 e TCP/IP.

EtherNet/IP integrato con la tecnologia CIP Motion offre un controllo del movimento distribuito multiasse. È scalabile e offre un'interfaccia applicativa comune per i progetti di movimento.

Trasmissione dati via EtherNet/IP

Il TCP e il protocollo UDP (User Datagram Protocol) sono i protocolli di comunicazione alla base di Internet e di molte reti private. EtherNet/IP utilizza una porta TCP per ciò che viene chiamato messaggistica esplicita. Tale messaggistica si ha quando il sistema invia i dati ad un cliente in risposta ad una specifica richiesta di tali dati. Utilizza il TCP/IP - un protocollo orientato alla connessione che gestisce esplicitamente i collegamenti tra client e server. Core to TCP/IP networking, il TCP aiuta a frammentare i pacchetti di dati in modo che i messaggi di dati raggiungano la loro destinazione. Si noti che l'IP si occupa solo dei pacchetti; il TCP permette a due host di stabilire la connessione e di scambiare flussi di dati. TCP garantisce la consegna dei dati e la consegna dei pacchetti nell'ordine in cui sono stati inviati.

EtherNet/IP utilizza una porta UDP per implicit messaging - comunicazioni di sistema inviate da posizioni di memoria preimpostate ad un controllore o ad un altro client ad un certo intervallo di tempo prestabilito. Tali comunicazioni sono molto più rapide della messaggistica esplicita e la trasmissione dei dati a senso unico delle connessioni UDP (senza convalida delle ricevute) semplifica gli aggiornamenti ciclici del sistema.

PROFINET per comunicazioni deterministiche

PROFINET è un altro standard tecnico che definisce un modo di comunicazione dati via Ethernet industriale. Le modifiche PROFINET alla Ethernet standard garantiscono una trasmissione dati corretta e tempestiva anche in applicazioni difficili. Le sue definizioni dettano un mezzo di raccolta dati da apparecchiature e sistemi industriali per soddisfare specifici e spesso stretti vincoli temporali. PROFINET è nato da PROFIBUS - uno standard per la comunicazione bus di campo a supporto dell'automazione. Mentre PROFIBUS è un classico bus di campo seriale basato su Ethernet industriale, PROFINET si spinge oltre con capacità aggiuntive per consentire comunicazioni più veloci e flessibili per il controllo dei componenti di automazione.

Cifra 4: EtherNet/IP è più comune negli Stati Uniti. PROFINET è ampiamente utilizzato in Europa. (Fonte immagine: PI Nord America)

Infatti, PROFINET aveva 30% della quota di mercato delle reti industriali a partire dal 2018, il che lo rende la soluzione di comunicazione basata su Ethernet leader mondiale per l'automazione industriale. Ogni anno vengono commercializzati oltre cinque milioni di dispositivi pronti per PROFINET.

Le comunicazioni PROFINET e PROFIBUS sono deterministiche, il che consente il supporto di sistemi di automazione con precisi limiti di struttura I/O ... e le loro strutture I/O definite consentono il calcolo preciso dei tempi massimi di aggiornamento. PROFINET può anche fornire uno scambio di dati isocrono in tempo reale (IRT). L'IRT sfrutta essenzialmente l'orologio temporale ultrapreciso di PROFINET per dare priorità al passaggio di alcuni tipi di traffico dati e bufferizzare il resto. L'IRT eccelle in applicazioni esigenti come il controllo del movimento e altre applicazioni che richiedono un funzionamento più deterministico rispetto al funzionamento in tempo reale. In uno scambio di dati in tempo reale, i tempi di ciclo del bus sono inferiori a 10 msec. Al contrario, gli scambi di dati IRT avvengono entro poche decine di μsec a pochi msec.

Ad esempio, PROFINET in un'operazione di imballaggio ed etichettatura può supportare la trasmissione dei dati per garantire che le bottiglie siano riempite ad un livello preciso in meno di un secondo - entro un msec circa. PROFINET è inoltre in grado di rilevare, quantificare e allertare gli operatori di eventuali anomalie nel processo di imbottigliamento e di arrestare immediatamente anche i processi.

Nota a margine sull'hardware PROFINET

La Ethernet standard è adatta solo per la trasmissione dati in casa, in ufficio e per selezionare le impostazioni di monitoraggio industriale. Al contrario, la Ethernet industriale di PROFINET è adatta per l'installazione in impianti industriali difficili che richiedono una comunicazione dati deterministica. I cavi e i connettori PROFINET si differenziano da quelli impiegati nella Ethernet standard - e comprendono connettori con meccanismi di blocco più pesanti e cavi industriali rinforzati. I router PROFINET (integrati in altri hardware o costruiti come elementi indipendenti) funzionano sul livello di rete tre (dai modelli di rete menzionati in precedenza) e comunicano mediante indirizzi IP.Questi router collegano le reti locali (LAN) e formano reti ad ampio raggio (WAN), utilizzando algoritmi per determinare i migliori percorsi di trasmissione dati tra le reti. Alcuni interruttori PROFINET utilizzano anche collegamenti in fibra ottica. Questi componenti ultraveloci integrano i dispositivi compatibili con PROFINET nelle reti Ethernet (o PROFIBUS) tramite elementi gateway per le conversioni da rame a fibra ottica.

Cifra 5: L'hardware PROFINET eccelle in condizioni difficili e severe soggette a vibrazioni, calore, polvere, olio e altre condizioni difficili. Questo Brad modulo HarshIO PROFINET IO-Link HarshIO è un esempio di componente robusto per l'automazione di fabbrica collegata a PROFINET. (Fonte immagine: Molex)

Interruttori gestiti e non gestiti PROFINET

I commutatori PROFINET lavorano sul secondo livello di dati del modello di rete concettuale coperto in precedenza. Funzionano per controllare la ricezione e la trasmissione dei segnali di dati attraverso la rete.

Gli switch PROFINET non gestiti inviano i dati Ethernet in ingresso attraverso le porte appropriate collegate agli endpoint dei dispositivi previsti. Le porte possono avere un indicatore LED per mostrare la presenza di un flusso di dati, ma questi interruttori non gestiti di solito non forniscono molte più informazioni su o gestione di tale flusso di dati.

Al contrario, gli switch PROFINET gestiti sono più intelligenti e funzionano con diversi protocolli IT - tra cui il semplice protocollo di gestione della rete (SNMP) e il protocollo di ricerca dei livelli di collegamento (LLDP) per PROFINET. Grazie alla loro intelligenza, gli interruttori gestiti sono spesso utilizzati laddove la prevenzione dei tempi di fermo è un obiettivo prioritario - e dove la risoluzione dei guasti è utile. Naturalmente, di solito sono più costosi degli interruttori non gestiti.

Confronto diretto delle caratteristiche EtherNet/IP e PROFINET

Gli adattamenti specifici di EtherNet/IP stanno trasformando molti settori industriali. Ad esempio, l'industria dell'imballaggio impiega EtherNet/IP per le comunicazioni ad alta velocità, il determinismo e le prestazioni in tempo reale. Settori come l'industria chimica, l'automazione tradizionale e la produzione di energia utilizzano EtherNet/IP per quantificare continuamente la produzione. Ancora altre applicazioni industriali implicano processi completamente automatizzati che richiedono il conteggio e l'acquisizione dei dati in tempo reale per il controllo. Qui sia EtherNet/IP che PROFINET eccellono nella creazione delle reti deterministiche richieste da tali applicazioni.

Considerare le qualità dei segnali EtherNet/IP e PROFINET, le dimensioni dei messaggi e le velocità di aggiornamento per i dettagli sulle differenze. PROFINET è generalmente più veloce rispetto a EtherNet/IP e viene utilizzato il più delle volte con hardware standard ... anche se PROFINET IRT richiede un hardware specifico. EtherNet/IP è più interoperabile, in quanto si basa su una programmazione orientata agli oggetti e si affida a componenti commerciali off-the-shelf (CotS). In effetti, l'uso di componenti e hardware CotS non dissimile dalle onnipresenti varianti impiegate nelle impostazioni d'ufficio significa che EtherNet/IP è molto conveniente per la connettività industriale ad alta velocità. Le economie di scala e la natura intercambiabile di gran parte di questo hardware contribuiscono a ridurre al minimo i costi iniziali.

Al contrario, i componenti pronti per PROFINET possono essere integrati nei bus di campo basati su PROFIBUS, in grado di integrare efficacemente i sistemi esistenti senza doverli sostituire completamente. Il modo in cui i dispositivi esistenti possono essere condivisi e le reti esistenti accettano l'aggiunta di hardware supplementare comporta dei vantaggi in termini di costi. Anche così, i costi iniziali per le tecnologie PROFINET possono essere fino al 15% in più rispetto a quelli basati su EtherNet/IP. Tale costo è parzialmente compensato da una più facile installazione, che si stima sia circa la metà complicata (leggi: costosa) rispetto all'installazione di Ethernet/IP.

Anche le topologie e i componenti supportati da EtherNet/IP e PROFINET sono in qualche modo diversi. La topologia di rete è la disposizione dei collegamenti e dei nodi di una rete. I collegamenti sono tecnologie wireless e cablate, come il cavo coassiale, a nastro e a doppino intrecciato e il cavo a fibre ottiche. I nodi di rete sono invece hub, bridge, switch, router, router, modem e interfacce firewall. Le topologie includono la stella, la linea, l'anello, la margherita e la maglia.

Le reti EtherNet/IP utilizzano principalmente una topologia a stella completata da altre: La topologia ad anello collega più dispositivi in sequenza - anche se se un cavo viene tagliato all'interno dell'anello, ogni dispositivo mantiene il suo percorso per il controllo. La topologia ad albero utilizza dispositivi o interruttori cablati con connessioni tra i gruppi di dispositivi; qualsiasi interruzione richiede un algoritmo per determinare il prossimo miglior percorso praticabile verso la soluzione.

La topologia di linea PROFINET utilizza un cablaggio minimo e nessun interruttore esterno; i collegamenti a qualsiasi topologia a stella e ad albero avvengono tramite interruttori indipendenti. Qui, in caso di guasto di un interruttore a stella o ad albero, le comunicazioni con tutti i nodi ne risentono - il che può essere problematico. Quindi, per garantire la continuità delle comunicazioni, PROFINET supporta le topologie con dispositivi aggiunti per fornire il backup dei supporti e altri elementi in caso di guasto di un cavo o di un nodo.

Si noti che le reti EtherNet/IP e PROFINET si installano in sistemi sotto controllo centralizzato e decentralizzato - e talvolta funzionano in sistemi che combinano entrambi i sistemi di controllo. Con EtherNet/IP e PROFINET, i sistemi centralizzati utilizzano un'impostazione client-server con un server centrale che collega uno o più nodi client. I nodi client inviano le richieste al server centrale piuttosto che elaborarle da soli, mentre il server si occupa di tutte le elaborazioni principali. Nei sistemi decentralizzati, ogni nodo esegue autonomamente la propria logica. Le azioni finali del sistema sono la somma della logica di tutti i nodi.

Gateway EtherNet/IP e PROFINET

I gateway (sia che si tratti di hardware autonomo o integrato con funzioni di router, firewall o server) controllano il flusso di dati in entrata e in uscita da una data rete e talvolta tra sistemi diversi. Ciò include alcuni gateway che sono specificamente progettati per comunicare I/O tra le reti EtherNet/IP e PROFINET. Per quest'ultimo, la maggior parte dei gateway funziona come dispositivo PROFINET e adattatore EtherNet/IP per la compatibilità automatica.

Oltre al loro ruolo primario, i gateway possono anche sgravare il PLC di un sistema di temporizzazione del segnale, conteggio, calcolo, confronto ed elaborazione dei compiti. I gateway EtherNet/IP e PROFINET con funzionalità router consentono ai computer di inviare e ricevere dati via Internet. Oggi, le interfacce uomo-macchina intelligenti (HMI) collegate alle reti svolgono a volte un doppio compito come gateway tra i sistemi di automazione e i controllori - per semplificare la messa in servizio e la manutenzione del sistema.

Cifra 6: Questo Gateway di conversione del protocollo A1Bus Communicator facilita il collegamento seriale di apparecchiature non in rete alle reti PROFINET. (Fonte immagine: Rete HMS)

Collegare i futuri impianti di automazione industriale

La connettività EtherNet/IP e PROFINET consentono nuove permutazioni innovative dell'automazione e dei controlli industriali con agilità e funzionalità IIoT senza precedenti. Poiché le tecnologie hardware, software e di connettività sfruttano EtherNet/IP e PROFINET in modi nuovi, aiutano i sistemi a soddisfare i requisiti sempre più esigenti della produzione industriale.