EtherNet/IP versus PROFINET

Die Einführung von Industrial Ethernet übertrifft weiterhin andere Optionen, wenn Unternehmen digital vernetzt werden. Das gilt insbesondere dort, wo die Funktionalität des Internet der Dinge (IoT) in Automatisierungs- und industriellen Steuerungssystemen eingesetzt wird, um die Zugänglichkeit und Nutzbarkeit von Daten zu verbessern. EtherNet/IP und PROFINET sind hier die wichtigsten Optionen.

Struktur von EtherNet/IP und Erweiterung der EtherNet/IP-Anwendbarkeit

EtherNet/IP ist ein industrielles Netzwerkprotokoll, das das Common Industrial Protocol (CIP) zum Standard-Ethernet verwendet. Es arbeitet in einem Netzwerk Anwendungsschicht - das (in den beiden konzeptionellen Modellen von Netzwerken) auf der "obersten" Geräte- und Benutzer-zugewandten Schicht liegt, um die Kommunikation zwischen Bedienelementen und Ein-/Ausgabegeräten (E/A) zu ermöglichen. Genauer gesagt ist EtherNet/IP die oberste Schicht des Open Systems Interconnection (OSI)- und Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP)-Modells.

Abbildung 1: Die beiden am häufigsten zur Beschreibung von Netzwerken verwendeten Modelle sind das OSI-Modell und das TCP/IP-Modell. (Bildquelle: Design World)

EtherNet/IP verwendet:

• Die soeben erwähnte Anwendungsschicht
• Eine Internet-Protokoll-Netzwerkschicht
• Die Standard-Ethernet-Verbindungsschicht

Beachten Sie, dass das IP in EtherNet/IP die Abkürzung für Industrieprotokoll ist und sich auf Netzwerkprotokolle bezieht, die ursprünglich entwickelt wurden, um die Kommunikation über serielle Verbindungen wie RS-232 und RS-485 - beides Standards für die industrielle Datenübertragung - zu ermöglichen. Viele solcher Verbindungen funktionieren heute über Ethernet und verwenden Protokolle wie TCP/IP, die für die Internet-Kommunikation so üblich sind. Die EtherNet/IP-Kommunikation und ihre sehr standardisierte Hardware (einschließlich Hubs, Switches, Router, Ethernet-Kabel und Ethernet-Netzwerkkarten) wird durch das IEEE 802.3 Transmission Control Protocol und das Internet-Protokoll definiert.

Abbildung 2: Da EtherNet/IP auf der Anwendungsschicht arbeitet, ermöglicht es die Kommunikation zwischen industriellen Steuerungen und E/As. (NT24k Bildquelle umschalten: Red Lion)

EtherNet/IP wurde 2009 entwickelt und entstand aus der Zusammenarbeit zwischen der Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) und ControlNet International (CI) unter der Schirmherrschaft der ODVA und ihrer Mitglieder. Die ODVA selbst wurde 1995 als ein Konsortium von Automatisierungsunternehmen (darunter Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron und Bosch Rexroth) gegründet, um die offene und interoperable Kommunikation für die industrielle Automatisierung voranzutreiben. Nach Angaben der ODVA ist EtherNet/IP führend bei der Einführung von Industrial-Ethernet - mit einem Marktanteil von 25 % im Jahr 2017 und 28 % im Jahr 2018, wobei die meisten Knoten von Industrial-Ethernet-Netzwerken ausgeliefert werden.

Gegenwärtig ist EtherNet/IP eines von vier ODVA-Netzwerken, die CIP für industrielle Netzwerke übernommen haben. Die anderen sind DeviceNet, ControlNet und CompoNet.

CIP ist ein Kanal für die Organisation und den Austausch von Daten in industriellen Geräten. Genauer gesagt verwendet es verschiedene Arten von Nachrichten und Diensten zum Datenaustausch in industriellen Automatisierungsanwendungen, die Prozess- und Systemsteuerung, Sicherheit, Synchronisierung, Bewegung, Konfiguration und Informationen umfassen. CIP ermöglicht die Integration dieser Anwendungen in Ethernet-Netzwerke auf Unternehmensebene und in das Internet. Es handelt sich um ein einheitliches Kommunikationsnetzwerk, das für Fertigungs- und Industrieanwendungen verwendet und von Anbietern auf der ganzen Welt weithin angenommen wird.

Für industrielle Protokolle werden Daten als Objekte mit Datenelementen oder Attributen geordnet. Diese Datenobjekte werden typischerweise in benötigte Objekte und Anwendungsobjekte sortiert. Erstere finden sich in jedem CIP.

Abbildung 3: EtherNet/IP und PROFINET sind führende industrielle Ethernet-Protokolle. Beide werden von der ODVA unterstützt. (Bildquelle: ODVA Inc.)

EtherNet/IP ist relativ einfach zu implementieren und mit Standard-Ethernet-Switches für die industrielle Automatisierung kompatibel. Die Grundform von EtherNet/IP ist jedoch nicht-deterministisch und daher für strikte Echtzeit-Industrieanwendungen ungeeignet. CIP Motion kann EtherNet/IP ergänzen, um letztere dabei zu unterstützen, die anspruchsvollen Anforderungen an eine deterministische Echtzeitsteuerung (einschließlich Bewegungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis) mit unmodifiziertem Ethernet in voller Übereinstimmung mit den Ethernet-Standards IEEE 802.3 und TCP/IP zu erfüllen.

EtherNet/IP, ergänzt durch die CIP Motion-Technologie, ermöglicht eine verteilte Mehrachsen-Bewegungssteuerung. Es ist skalierbar und bietet eine gemeinsame Anwendungsschnittstelle für Bewegungsentwürfe.

Datenübertragung über EtherNet/IP

TCP und das User Datagram Protocol (UDP) sind die zugrunde liegenden Kommunikationsprotokolle des Internets und vieler privater Netzwerke. EtherNet/IP verwendet einen TCP-Port für das so genannte explizite Nachrichtenübermittlung. Eine solche Nachrichtenübermittlung liegt vor, wenn das System als Antwort auf eine spezifische Anforderung dieser Daten Daten Daten an einen Kunden sendet. Es verwendet TCP/IP - ein verbindungsorientiertes Protokoll, das explizit Verbindungen zwischen Clients und Servern verwaltet. Als Kernstück eines TCP/IP-Netzwerks hilft TCP bei der Fragmentierung von Datenpaketen, so dass Datennachrichten ihr Ziel erreichen. Beachten Sie, dass IP nur mit Paketen umgeht; TCP lässt zwei Hosts eine Verbindung herstellen und Datenströme austauschen. TCP garantiert sowohl die Zustellung der Daten als auch, dass die Pakete in der Reihenfolge, in der sie gesendet wurden, zugestellt werden.

EtherNet/IP verwendet einen UDP-Port für implizites Messaging - Systemkommunikationen, die von voreingestellten Speicherplätzen zu einem Controller oder einem anderen Client in einem vordefinierten Intervall gesendet werden. Solche Kommunikationen sind weitaus schneller als explizite Nachrichtenübermittlung, und die einseitige Datenübertragung von UDP-Verbindungen (ohne Validierung von Quittungen) vereinfacht zyklische Systemaktualisierungen.

PROFINET für deterministische Kommunikation

PROFINET ist ein weiterer technischer Standard, der eine Art der Datenkommunikation über Industrial Ethernet definiert. PROFINET-Modifikationen an Standard-Ethernet gewährleisten auch bei anspruchsvollen Anwendungen eine korrekte und zeitnahe Datenübertragung. Seine Definitionen diktieren ein Mittel zur Datenerfassung von Industrieanlagen und -systemen, um spezifische und oft enge Zeitvorgaben zu erfüllen. PROFINET ist aus PROFIBUS hervorgegangen - einem Standard für die Feldbuskommunikation zur Unterstützung der Automatisierung. Während PROFIBUS ein klassischer serieller Feldbus ist, der auf Industrial Ethernet basiert, geht PROFINET mit zusätzlichen Fähigkeiten noch weiter, um eine schnellere und flexible Kommunikation zur Steuerung von Automatisierungskomponenten zu ermöglichen.

Abbildung 4: EtherNet/IP ist in den Vereinigten Staaten am weitesten verbreitet. PROFINET ist in Europa weit verbreitet. (Bildquelle: PI Nordamerika)

Tatsächlich hatte PROFINET ab 2018 einen Marktanteil von 30% am Markt für industrielle Netzwerke und ist damit die weltweit führende Ethernet-basierte Kommunikationslösung für die industrielle Automatisierung. Jährlich kommen mehr als fünf Millionen PROFINET-fähige Geräte auf den Markt.

Die PROFINET- und PROFIBUS-Kommunikation ist deterministisch, was die Unterstützung von Automatisierungssystemen mit präzisen E/A-Strukturgrenzen ermöglicht ... und ihre definierten E/A-Strukturen erlauben eine präzise Berechnung der maximalen Aktualisierungszeiten. PROFINET kann auch den isochronen Echtzeit-Datenaustausch (IRT) ermöglichen. Das IRT nutzt im Wesentlichen die ultrapräzise Zeitschaltuhr von PROFINET, um den Durchlauf einiger Arten von Datenverkehr zu priorisieren und den Rest zu puffern. Das IRT eignet sich hervorragend für anspruchsvolle Anwendungen wie Bewegungssteuerung und andere Anwendungen, die einen deterministischeren Betrieb als Echtzeitbetrieb erfordern. Bei einem Echtzeit-Datenaustausch betragen die Buszykluszeiten weniger als 10 msec. Im Gegensatz dazu erfolgt der Datenaustausch im IRT innerhalb von einigen Dutzend μsec bis zu einigen msec.

Beispielsweise kann PROFINET in einem Verpackungs- und Etikettiervorgang die Datenübertragung unterstützen, um sicherzustellen, dass die Flaschen in weniger als einer Sekunde auf ein genaues Niveau gefüllt werden - auf nur etwa eine msec genau. PROFINET kann außerdem Anomalien im Abfüllprozess erkennen, quantifizieren und die Bediener bei Anomalien alarmieren sowie Prozesse sofort abschalten.

Randnotiz zur PROFINET-Hardware

Standard-Ethernet eignet sich nur für die Datenübertragung zu Hause, im Büro und für ausgewählte industrielle Überwachungseinstellungen. Im Gegensatz dazu eignet sich das Industrial Ethernet von PROFINET für die Installation in rauen Industrieanlagen, die eine deterministische Datenkommunikation erfordern. PROFINET-Kabel und -Steckverbinder unterscheiden sich von den im Standard-Ethernet eingesetzten Kabeln und Steckverbindern - und umfassen Steckverbinder mit schwereren Verriegelungsmechanismen und robuste Industriekabel. PROFINET-Router (ob in andere Hardware integriert oder als eigenständige Elemente gebaut) arbeiten auf der Netzwerkschicht drei (aus den zuvor erwähnten Netzwerkmodellen) und kommunizieren über IP-Adressen.Diese Router verbinden lokale Netzwerke (LANs) und bilden Weitverkehrsnetzwerke (WANs), wobei sie Algorithmen zur Bestimmung der besten Datenübertragungswege zwischen den Netzwerken verwenden. Einige PROFINET-Switches verwenden auch Glasfaserverbindungen. Diese ultraschnellen Komponenten integrieren PROFINET-fähige Geräte über Gateway-Elemente für Kupfer-Glasfaser-Umsetzungen in Ethernet-Netzwerke (oder PROFIBUS).

Abbildung 5: PROFINET-Hardware zeichnet sich unter rauen und harten Bedingungen aus, die Vibrationen, Hitze, Staub, Öl und anderen anspruchsvollen Bedingungen ausgesetzt sind. Dieses Brad PROFINET IO-Link HarshIO-Modul ist ein Beispiel für eine Ruggedized-Komponente für die Fabrikautomatisierung mit PROFINET-Anbindung. (Bildquelle: Molex)

Verwaltete und nicht verwaltete PROFINET-Switches

PROFINET-Switches arbeiten auf der zweiten Datenschicht des zuvor behandelten konzeptionellen Netzwerkmodells. Sie dienen dazu, den Empfang und die Übertragung von Datensignalen über das Netzwerk zu kontrollieren.

Nicht gemanagte PROFINET-Switches senden eingehende Ethernet-Daten über die richtigen Ports, die mit den vorgesehenen Geräte-Endpunkten verbunden sind. Ports können mit einer LED-Anzeige ausgestattet sein, um das Vorhandensein eines Datenflusses anzuzeigen, aber diese nicht verwalteten Switches liefern normalerweise nicht viel mehr Informationen über diesen Datenfluss oder dessen Verwaltung.

Im Gegensatz dazu sind gemanagte PROFINET-Switches intelligenter und arbeiten mit verschiedenen IT-Protokollen - darunter das einfache Netzwerkmanagement-Protokoll (SNMP) und das Link Layer Discovery Protocol (LLDP) für PROFINET. Aufgrund ihrer Intelligenz werden Managed Switches häufig dort eingesetzt, wo die Vermeidung von Ausfallzeiten ein oberstes Ziel ist - und wo die Fehlerbehebung bei Ausfällen nützlich ist. Natürlich sind sie in der Regel teurer als nicht verwaltete Switches.

Direkter Vergleich der Eigenschaften von EtherNet/IP und PROFINET

Branchenspezifische Anpassungen von EtherNet/IP verändern viele Branchen. Die Verpackungsindustrie setzt beispielsweise EtherNet/IP für Hochgeschwindigkeitskommunikation, Determinismus und Echtzeitleistung ein. Branchen wie die chemische Verarbeitung, die traditionelle Automatisierung und die Energieerzeugung nutzen EtherNet/IP zur kontinuierlichen Quantifizierung des Outputs. Wieder andere industrielle Anwendungen umfassen vollautomatische Prozesse, die Zählungen und Echtzeit-Datenerfassung zur Steuerung erfordern. Hier zeichnen sich sowohl EtherNet/IP als auch PROFINET durch die Schaffung der für solche Anwendungen erforderlichen deterministischen Netzwerke aus.

Betrachten Sie EtherNet/IP- und PROFINET-Signalqualitäten, Nachrichtengrößen und Aktualisierungsraten, um zu erfahren, wie sich die beiden Systeme unterscheiden. PROFINET ist im Allgemeinen schneller als EtherNet/IP und wird meist mit Standard-Hardware eingesetzt ... obwohl PROFINET IRT spezielle Hardware erfordert. EtherNet/IP ist interoperabler, da es auf objektorientierter Programmierung basiert und auf kommerziellen off-the-shelf (CotS)-Komponenten beruht. Tatsächlich bedeutet die Verwendung von CotS-Komponenten und -Hardware, die den in Büroumgebungen allgegenwärtigen Varianten nicht unähnlich ist, dass EtherNet/IP für industrielle Hochgeschwindigkeitsverbindungen sehr kostengünstig ist. Größenvorteile und die Austauschbarkeit eines Großteils dieser Hardware tragen dazu bei, die Vorlaufkosten am meisten zu minimieren.

Im Gegensatz dazu können PROFINET-fähige Komponenten in PROFIBUS-basierte Feldbusse integriert werden, wodurch bestehende Systeme effektiv ergänzt werden können, ohne dass ein kompletter Austausch erforderlich ist. Die Art und Weise, wie bestehende Geräte gemeinsam genutzt werden können und bestehende Netzwerke die Hinzufügung von zusätzlicher Hardware akzeptieren, hat Kostenvorteile. Dennoch können die Vorlaufkosten für PROFINET-Technologien bis zu 15% höher sein als die auf EtherNet/IP basierenden. Diese Kosten werden teilweise durch eine einfachere Installation ausgeglichen, die schätzungsweise etwa halb so kompliziert (sprich: teuer) ist wie die Installation von Ethernet/IP.

Die von EtherNet/IP und PROFINET unterstützten Topologien und Komponenten unterscheiden sich ebenfalls etwas. Netzwerktopologie ist die Anordnung der Verbindungen und Knoten eines Netzwerks. Links sind drahtlose und drahtgebundene Technologien wie Koaxial-, Band- und Twisted-Pair-Kabel sowie Glasfaserkabel. Im Gegensatz dazu sind Netzwerkknoten Hubs, Bridges, Switches, Router, Modems und Firewall-Schnittstellen. Zu den Topologien gehören Stern, Linie, Ring, Daisy Chain und Netz.

EtherNet/IP-Netzwerke verwenden in erster Linie eine Sterntopologie, die durch andere ergänzt wird: Die Ringtopologie verbindet mehrere Geräte sequentiell miteinander - wenn jedoch ein Kabel innerhalb des Rings durchtrennt wird, behält jedes Gerät seinen Pfad zur Steuerung bei. Bei der Baumtopologie werden Geräte oder Schalter verwendet, die mit Verbindungen zwischen Gerätegruppen verdrahtet sind; jede Unterbrechung fordert einen Algorithmus auf, den nächstbesten praktikablen Lösungsweg zu bestimmen.

Die Linientopologie von PROFINET kommt mit minimaler Verkabelung und ohne externe Switches aus; Verbindungen zu beliebigen Stern- und Baumtopologien erfolgen über Standalone-Switches. Wenn hier ein Stern- oder Baumschalter ausfällt, ist die Kommunikation zu allen Knoten beeinträchtigt - was problematisch sein kann. Um die Kontinuität der Kommunikation zu gewährleisten, unterstützt PROFINET also Topologien mit zusätzlichen Geräten zur Mediensicherung und anderen Elementen für den Fall, dass ein Kabel oder Knoten ausfällt.

Beachten Sie, dass EtherNet/IP- und PROFINET-Netzwerke in Systemen unter zentraler und dezentraler Steuerung eingesetzt werden - und manchmal in Systemen arbeiten, die beide Steuerungsanordnungen kombinieren. Bei EtherNet/IP und PROFINET verwenden zentralisierte Systeme eine Client-Server-Einstellung mit einem zentralen Server, der einen oder mehrere Client-Knoten verbindet. Client-Knoten übermitteln Anfragen an den zentralen Server, anstatt sie allein zu verarbeiten, während der Server die gesamte Hauptverarbeitung übernimmt. In dezentralisierten Systemen führt jeder Knoten autonom seine eigene Logik aus. Die endgültigen Aktionen des Systems sind die Summe der Logik aller Knoten.

EtherNet/IP- und PROFINET-Gateways

Gateways (unabhängig davon, ob es sich um eigenständige Hardwarekomponenten oder um integrierte Router-, Firewall- oder Serverfunktionen handelt) steuern den Datenfluss in und aus einem bestimmten Netzwerk und manchmal auch zwischen unterschiedlichen Systemen. Dazu gehören einige Gateways, die speziell für die E/A-Kommunikation zwischen EtherNet/IP- und PROFINET-Netzwerken ausgelegt sind. Für letzteres funktionieren die meisten Gateways als PROFINET-Gerät und EtherNet/IP-Adapter für automatische Kompatibilität.

Neben ihrer primären Rolle können Gateways auch die SPS eines Systems von Signaltiming, Zählen, Berechnen, Vergleichen und Verarbeitungsaufgaben entlasten. EtherNet/IP- und PROFINET-Gateways mit Router-Funktionalität ermöglichen Computern das Senden und Empfangen von Daten über das Internet. Heute erfüllen intelligente Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs), die mit Netzwerken verbunden sind, manchmal auch eine Doppelfunktion als Gateways zwischen Automatisierungssystemen und Steuerungen - für eine vereinfachte Inbetriebnahme und Wartung der Systeme.

Abbildung 6: Dieses Anybus Communicator Protokollkonvertierungs-Gateway ermöglicht die serielle Anbindung von nicht vernetzten Geräten an PROFINET-Netzwerke. (Bildquelle: HMS-Netzwerke)

Anschluss zukünftiger industrieller Automatisierungsanlagen

EtherNet/IP- und PROFINET-Konnektivität ermöglichen innovative neue Permutationen von Automatisierungs- und Industriesteuerungen mit beispielloser Agilität und IIoT-Funktionalität. Da Hardware-, Software- und Konnektivitätstechnologien EtherNet/IP und PROFINET auf neue Weise nutzen, werden sie dazu beitragen, dass die Systeme die immer anspruchsvolleren Anforderungen der industriellen Produktion erfüllen.