در شبکههای اتوماسیون صنعتی، انتخاب پروتکل ارتباطی مناسب مستقیماً روی سرعت، پایداری، عیبیابی، توسعهپذیری و نحوه ارتباط PLC با تجهیزات اثر میگذارد. دو مورد از مهمترین پروتکلهای مورد استفاده در شبکههای صنعتی، EtherNet/IP و PROFINET هستند. هر دو از Ethernet استاندارد بهعنوان بستر ارتباطی استفاده میکنند، اما در لایههای بالاتر و بهخصوص در نحوه مدیریت دادههای کنترلی و Real-Time تفاوتهای مهمی دارند.
اگر بخواهیم خیلی ساده پاسخ دهیم، EtherNet/IP بیشتر با اکوسیستم CIP و سازندگانی مانند Rockwell Automation شناخته میشود، در حالی که PROFINET بخش مهمی از اکوسیستم اتوماسیون مبتنی بر Siemens و خانواده PROFIBUS را تشکیل میدهد. EtherNet/IP برای انتقال پیامهای صریح از TCP/IP و برای دادههای I/O زمانحساس از UDP/IP استفاده میکند؛ PROFINET نیز علاوه بر ارتباطات استاندارد TCP/IP و UDP/IP، مکانیزمهای Real-Time مانند RT و IRT را برای ارتباطات صنعتی ارائه میدهد.
بنابراین نمیتوان گفت یکی از این دو پروتکل در تمام پروژهها بهتر از دیگری است. انتخاب بین EtherNet/IP و PROFINET بیشتر به نوع PLC، تجهیزات موجود، الزامات زمانی، معماری شبکه و اکوسیستم اتوماسیون پروژه بستگی دارد.
EtherNet/IP چیست؟
EtherNet/IP یک پروتکل صنعتی مبتنی بر Ethernet است که توسط ODVA توسعه و مدیریت میشود. نکته مهم این است که نام EtherNet/IP به معنی «Ethernet روی IP» نیست؛ بلکه این پروتکل، Common Industrial Protocol یا CIP را روی زیرساخت استاندارد Ethernet و TCP/IP و UDP/IP به کار میگیرد.
CIP یک مدل شیءگرا برای تعریف تجهیزات، دادهها و سرویسهای کنترلی ارائه میکند. به همین دلیل تجهیزات مختلفی که از EtherNet/IP پشتیبانی میکنند میتوانند اطلاعات خود را بر اساس ساختار مشخصی در اختیار کنترلر قرار دهند.
یکی از ویژگیهای مهم EtherNet/IP وجود دو نوع اصلی پیام است. Explicit Messaging بیشتر برای اطلاعاتی مانند تنظیمات، پارامترها، تشخیص خطا و تبادل اطلاعات عمومی استفاده میشود. در این حالت معمولاً TCP/IP نقش انتقال را بر عهده دارد. در مقابل، Implicit Messaging برای انتقال دادههای I/O با ماهیت زمانحساس استفاده میشود و از UDP/IP بهره میگیرد. این دادهها میتوانند با مدل Producer/Consumer به صورت Unicast یا Multicast منتقل شوند.
این معماری باعث شده EtherNet/IP برای بسیاری از پروژههای اتوماسیون، کنترلرها، Remote I/Oها، درایوها، رباتها و تجهیزات صنعتی گزینهای قدرتمند باشد.
PROFINET چیست؟
PROFINET نیز یک پروتکل Industrial Ethernet است که برای ارتباطات صنعتی و اتوماسیون طراحی شده است. این پروتکل بهخصوص در اکوسیستم تجهیزات اتوماسیون Siemens و پروژههایی که از خانواده PROFIBUS استفاده میکنند، کاربرد گستردهای دارد.
یکی از نقاط مهم در معماری PROFINET، وجود سطوح مختلف ارتباطی برای پاسخگویی به نیازهای متفاوت است. ارتباطات غیرزمانحساس میتوانند از TCP/IP و UDP/IP استفاده کنند، در حالی که برای دادههای فرایندی، PROFINET کانالهای Real-Time مانند RT و IRT را ارائه میکند. در مستندات فنی PROFINET، TSN نیز بهعنوان یکی از مسیرهای ارتباطی Real-Time مطرح شده است.
در PROFINET RT، دادههای فرایندی با مکانیزمهای اختصاصی Real-Time منتقل میشوند و برای کاربردهای حساستر میتوان از IRT یا Isochronous Real-Time استفاده کرد. IRT برای کاربردهایی طراحی شده است که علاوه بر سرعت، به زمانبندی بسیار دقیق و ارتباط همزمان نیاز دارند.
تفاوت اصلی EtherNet/IP و PROFINET در چیست؟
تفاوت این دو پروتکل را نباید صرفاً در سرعت انتقال داده جستوجو کرد. هر دو از Ethernet استاندارد استفاده میکنند و در بسیاری از شبکههای صنعتی میتوانند عملکرد بسیار مناسبی داشته باشند. تفاوت اصلی در معماری پروتکل، مدل ارتباطی، نحوه مدیریت دادههای I/O، روش Real-Time، ابزارهای مهندسی و اکوسیستم سازندگان است.
در EtherNet/IP، هسته اصلی ارتباطات صنعتی بر پایه CIP شکل گرفته است. در PROFINET، معماری ارتباطی و مدل مهندسی آن با ساختار PROFINET IO و ابزارهای مهندسی مرتبط با این اکوسیستم تعریف میشود.
به همین دلیل، وقتی در یک پروژه PLC، درایو، Remote I/O و تجهیزات جانبی انتخاب میکنید، سازگاری تجهیزات با پروتکل مورد استفاده اهمیت زیادی پیدا میکند.
تفاوت EtherNet/IP و PROFINET در Real-Time
یکی از مهمترین دلایل استفاده از Industrial Ethernet، نیاز به انتقال اطلاعات کنترلی با زمانبندی قابل پیشبینی است. در یک شبکه اداری، چند میلیثانیه تأخیر معمولاً اهمیت زیادی ندارد؛ اما در یک خط تولید، تأخیر یا نوسان زمانی ارتباط بین PLC و تجهیزات میتواند روی عملکرد ماشین اثر بگذارد.
در EtherNet/IP، ارتباط I/O زمانحساس معمولاً با Implicit Messaging روی UDP/IP انجام میشود. دستگاهها یک ارتباط CIP ایجاد میکنند و دادهها مطابق پارامترهای ارتباطی تعریفشده، مانند نرخ تولید بستهها، منتقل میشوند. مدل Producer/Consumer نیز اجازه میدهد یک تولیدکننده داده را در اختیار چند مصرفکننده قرار دهد.
PROFINET نیز برای ارتباطات Real-Time معماری متفاوتی ارائه میدهد. در PROFINET، RT برای انتقال دادههای فرایندی با الزامات زمانی استفاده میشود و IRT برای کاربردهایی که نیازمند زمانبندی و همزمانی بسیار دقیق هستند کاربرد دارد. در مستندات PROFINET، RT و IRT در کنار TSN بهعنوان مسیرهای Real-Time معرفی شدهاند.
بنابراین اگر پروژهای نیازمند Motion Control بسیار دقیق یا همزمانسازی پیچیده باشد، باید مشخصات دقیق تجهیزات و کلاس ارتباطی مورد نیاز را بررسی کرد؛ صرفاً انتخاب نام یک پروتکل برای تصمیمگیری کافی نیست.
تفاوت EtherNet/IP و PROFINET در نحوه انتقال داده
در EtherNet/IP، Explicit Messaging بیشتر برای ارتباطات اطلاعاتی و تنظیمات استفاده میشود. برای مثال، یک نرمافزار یا HMI میتواند پارامترهای یک تجهیز را بخواند یا تغییر دهد. در مقابل، Implicit Messaging برای تبادل مداوم دادههای I/O طراحی شده است.
PROFINET نیز ارتباطات استاندارد و Real-Time را از یکدیگر تفکیک میکند. دادههای غیرزمانحساس میتوانند از ارتباطات TCP/IP و UDP/IP استفاده کنند، در حالی که دادههای فرایندی از کانالهای Real-Time بهره میبرند.
این تفکیک باعث میشود شبکه صنعتی بتواند همزمان اطلاعاتی مانند تنظیمات و تشخیص خطا را منتقل کند و در کنار آن دادههای کنترلی با الزامات زمانی مناسب جابهجا شوند.
تفاوت در تجهیزات مورد استفاده
یکی از مهمترین نکات در طراحی شبکه صنعتی این است که پروتکل ارتباطی تنها یک بخش از سیستم است. سوئیچ صنعتی، PLC، Remote I/O، درایو، HMI، Gateway و تجهیزات ارتباطی همگی باید با معماری شبکه هماهنگ باشند.
برای مثال، خانوادهای از سوئیچهای صنعتی Moxa از هر دو پروتکل EtherNet/IP و PROFINET پشتیبانی میکنند. برخی مدلهای Moxa علاوه بر این دو پروتکل، قابلیتهایی مانند VLAN، QoS، IGMP Snooping، SNMP و مکانیزمهای Redundancy را نیز ارائه میکنند.
این موضوع اهمیت انتخاب صحیح سوئیچ صنعتی را نشان میدهد. در یک شبکه PROFINET یا EtherNet/IP، استفاده از یک سوئیچ معمولی خانگی یا اداری لزوماً به معنی عملکرد مناسب شبکه صنعتی نیست. در محیطهای صنعتی عواملی مانند دمای کاری، Redundancy، مدیریت ترافیک، قابلیت عیبیابی و پشتیبانی از ویژگیهای پروتکل باید بررسی شوند.
آیا میتوان EtherNet/IP و PROFINET را در یک شبکه استفاده کرد؟
بله، اما باید معماری شبکه بهدرستی طراحی شود.
این دو پروتکل از یک بستر Ethernet استفاده میکنند، اما این موضوع به معنی آن نیست که هر دستگاه EtherNet/IP میتواند مستقیماً مانند یک دستگاه PROFINET با کنترلر PROFINET ارتباط برقرار کند.
اگر یک PLC از یک پروتکل و تجهیز مقابل از پروتکل دیگری استفاده کند، معمولاً به Gateway یا Protocol Converter نیاز خواهید داشت.
این موضوع در پروژههای قدیمی و پروژههایی که تجهیزات چند برند مختلف دارند بسیار مهم است. برای مثال، محصولات Moxa در خانواده Gatewayهای صنعتی میتوانند برای تبدیل پروتکلهایی مانند Modbus، EtherNet/IP، PROFINET و PROFIBUS مورد استفاده قرار بگیرند. برخی Gatewayهای Moxa حتی امکان تبدیل EtherNet/IP یا PROFINET به PROFIBUS را ارائه میکنند.
بنابراین در پروژهای که قرار است تجهیزات قدیمی با تجهیزات جدید یکپارچه شوند، انتخاب Gateway مناسب میتواند بسیار مهمتر از انتخاب صرف یک پروتکل باشد.
EtherNet/IP بهتر است یا PROFINET؟
پاسخ به این سؤال به نوع پروژه بستگی دارد.
اگر زیرساخت پروژه بر پایه تجهیزات Rockwell Automation و اکوسیستم CIP طراحی شده باشد، EtherNet/IP معمولاً انتخاب طبیعیتری است. در چنین شرایطی، استفاده از EtherNet/IP باعث میشود PLC، I/O، درایو و تجهیزات جانبی با معماری ارتباطی یکسانی کار کنند.
از طرف دیگر، اگر پروژه بر پایه PLCهای Siemens و اکوسیستم PROFINET طراحی شده باشد، PROFINET معمولاً گزینه منطقیتری خواهد بود. این انتخاب میتواند فرآیند Configuration، تشخیص خطا و توسعه شبکه را سادهتر کند.
در پروژههایی که انتخاب PLC هنوز انجام نشده است، بهتر است تصمیمگیری فقط بر اساس سرعت یا قیمت انجام نشود. تعداد تجهیزات، نیازهای Real-Time، Motion Control، توپولوژی شبکه، قابلیتهای Redundancy، تجربه تیم فنی و موجود بودن قطعات در بازار نیز باید در نظر گرفته شود.
نقش سوئیچ صنعتی در شبکه EtherNet/IP و PROFINET
انتخاب پروتکل تنها نیمی از مسئله است. زیرساخت شبکه نیز باید توانایی مدیریت ترافیک صنعتی را داشته باشد.
در شبکههای EtherNet/IP، بهخصوص زمانی که از Implicit Messaging و Multicast استفاده میشود، مدیریت Multicast اهمیت زیادی پیدا میکند. امکاناتی مانند IGMP Snooping میتوانند به کنترل ترافیک Multicast کمک کنند. مستندات Moxa نیز برای پشتیبانی از EtherNet/IP به قابلیتهایی مانند IGMP Snooping و GMRP اشاره میکنند.
در شبکههای PROFINET نیز قابلیتهایی مانند LLDP و امکانات مربوط به تشخیص توپولوژی و مدیریت ترافیک اهمیت دارند. برای نمونه، در برخی سوئیچهای Moxa با فعال کردن PROFINET I/O، قابلیت LLDP مربوط به PROFINET نیز فعال میشود.
به همین دلیل در هنگام طراحی شبکه باید مشخصات سوئیچ را در کنار مشخصات PLC و تجهیزات I/O بررسی کرد.
تفاوت PROFINET و EtherNet/IP از نظر عیبیابی
در شبکههای صنعتی، تشخیص سریع خطا اهمیت زیادی دارد؛ زیرا خرابی شبکه میتواند باعث توقف خط تولید شود.
در EtherNet/IP، ساختار CIP و ابزارهای مرتبط با تجهیزات میتوانند اطلاعات مربوط به وضعیت دستگاه، Connection و خطاهای ارتباطی را در اختیار مهندس قرار دهند.
در PROFINET نیز مکانیزمهای Diagnostic و اطلاعات وضعیت تجهیزات در فرآیند مهندسی شبکه نقش مهمی دارند.
در هر دو پروتکل، استفاده از سوئیچ Managed میتواند عیبیابی را بسیار سادهتر کند. قابلیتهایی مانند Port Mirroring، SNMP، Syslog و مانیتورینگ وضعیت پورتها به تیم شبکه اجازه میدهند علت اختلال را سریعتر پیدا کنند. برخی سوئیچهای صنعتی Moxa این قابلیتها را ارائه میکنند.
EtherNet/IP و PROFINET در صنعت 4.0
با حرکت صنایع به سمت Industry 4.0 و IIoT، شبکه صنعتی دیگر فقط وظیفه انتقال اطلاعات PLC و I/O را ندارد. دادههای تولید، وضعیت تجهیزات، اطلاعات نگهداری و تعمیرات و دادههای سنسورها نیز باید به سیستمهای بالاتر منتقل شوند.
در این شرایط، استفاده از شبکههای Ethernet صنعتی یک مزیت مهم ایجاد میکند؛ زیرا امکان ارتباط میان سطح کنترل، تجهیزات صنعتی و سیستمهای IT را افزایش میدهد.
EtherNet/IP به دلیل استفاده از Ethernet استاندارد و TCP/IP و همچنین پشتیبانی از فناوریهایی مانند CIP Sync، CIP Motion و CIP Security قابلیتهای گستردهای برای سیستمهای مدرن اتوماسیون دارد.
PROFINET نیز با توسعه قابلیتهای Real-Time و حرکت به سمت فناوریهایی مانند TSN، خود را برای نیازهای جدید شبکههای صنعتی آماده کرده است.
برای انتخاب بین EtherNet/IP و PROFINET به چه مواردی توجه کنیم؟
مهمترین نکته این است که ابتدا معماری کل سیستم مشخص شود. اگر PLC و تجهیزات اصلی از یک اکوسیستم مشخص انتخاب شدهاند، معمولاً انتخاب پروتکل نیز تا حد زیادی مشخص خواهد بود.
پس از آن باید تعداد I/Oها، تعداد تجهیزات، حجم داده، Cycle Time، نیاز به Motion Control، سطح Redundancy، توپولوژی شبکه، فاصله تجهیزات و شرایط محیطی بررسی شود.
همچنین باید مشخص شود آیا قرار است در آینده تجهیزات جدید از برندهای مختلف به شبکه اضافه شوند یا خیر. در چنین شرایطی انتخاب تجهیزاتی با پشتیبانی از چند پروتکل و استفاده از Gatewayهای صنعتی میتواند انعطافپذیری سیستم را افزایش دهد.
برای مثال، در پروژهای که نیاز به ارتباط میان شبکههای مختلف وجود دارد، استفاده از تجهیزات ارتباطی صنعتی Moxa میتواند گزینهای قابل بررسی باشد؛ این شرکت هم Gatewayهای صنعتی و هم سوئیچهایی ارائه میکند که از پروتکلهایی مانند EtherNet/IP و PROFINET پشتیبانی میکنند.
جمعبندی
EtherNet/IP و PROFINET هر دو از مهمترین پروتکلهای Ethernet صنعتی هستند، اما فلسفه و اکوسیستم متفاوتی دارند. EtherNet/IP بر پایه CIP ساخته شده و برای ارتباطات Explicit از TCP/IP و برای ارتباطات I/O زمانحساس از UDP/IP استفاده میکند. مدل Producer/Consumer یکی از ویژگیهای مهم این پروتکل است.
PROFINET نیز یک معماری Industrial Ethernet است که ارتباطات استاندارد را در کنار کانالهای Real-Time مانند RT و IRT ارائه میدهد و در اکوسیستم Siemens و بسیاری از پروژههای اتوماسیون صنعتی مبتنی بر آن حضور بسیار پررنگی دارد.
بنابراین اگر هدف انتخاب پروتکل برای یک پروژه جدید است، بهتر است به جای پرسیدن اینکه «EtherNet/IP بهتر است یا PROFINET؟»، ابتدا مشخص شود چه PLC و تجهیزاتی در پروژه استفاده میشوند، چه میزان Real-Time مورد نیاز است، شبکه چه ساختاری دارد و تجهیزات آینده قرار است از چه استانداردی پشتیبانی کنند.
در کنار انتخاب پروتکل، انتخاب تجهیزات زیرساختی مناسب نیز اهمیت زیادی دارد. استفاده از سوئیچهای صنعتی، Gatewayهای پروتکل و تجهیزات ارتباطی مناسب میتواند پایداری شبکه را افزایش داده و امکان توسعه آن را در آینده فراهم کند. در این بخش، بررسی محصولات برندهایی مانند Moxa، PLANET و سایر تولیدکنندگان تجهیزات شبکه صنعتی میتواند بخشی از فرآیند طراحی و انتخاب تجهیزات باشد.
در نهایت، نه EtherNet/IP و نه PROFINET را نمیتوان بهصورت مطلق برنده این مقایسه دانست. پروتکل مناسب، پروتکلی است که با معماری اتوماسیون، PLC، تجهیزات، الزامات زمانی و نیازهای آینده پروژه بیشترین سازگاری را داشته باشد.
