淺談EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關

　　隨著各大公司紛紛實現(xiàn)數(shù)字化連接，工業(yè)以太網(wǎng)的普及度不斷超越其他選擇。特別是在自動化和工業(yè)控制系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 功能，來提高數(shù)據(jù)可訪問性和可用性，這就更是如此。在這些應用中，EtherNet/IP 和 PROFINET 是最佳選擇。

　　EtherNet/IP 的結構及其不斷擴展的適用性

　　EtherNet/IP 是一種工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議，它將通用工業(yè)協(xié)議 （CIP） 用于標準以太網(wǎng)。該協(xié)議工作于網(wǎng)絡應用層 — 在網(wǎng)絡的兩個概念模型中，應用層位于“最頂層”設備和面向用戶的層，以允許控制裝置和輸入/輸出 （I/O） 設備之間進行通信。更具體地說，EtherNet/IP 是開放系統(tǒng)互連 （OSI） 和傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （TCP/IP） 模型的頂層。

圖 1：兩個用于描述網(wǎng)絡的最常見模型是 OSI 模型和 TCP/IP 模型。（圖片來源：Design World）

　　EtherNet/IP 采用：

• 　　前述的應用層
• 　　互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡層
• 　　標準以太網(wǎng)鏈路層

　　請注意，EtherNet/IP 中的 IP 是工業(yè)協(xié)議的縮寫；指的是一些網(wǎng)絡協(xié)議，最初的開發(fā)目的是允許通過 RS-232 和 RS-485（均為工作數(shù)據(jù)傳輸標準）等串行連接進行通信?，F(xiàn)在，許多此類連接都使用 TCP/IP 等協(xié)議通過以太網(wǎng)運行，這在互聯(lián)網(wǎng)通信中極為常見。EtherNet/IP 通信及其非常標準化的硬件（包括集線器、交換機、路由器、以太網(wǎng)電纜和以太網(wǎng)網(wǎng)卡）由 IEEE 802.3 傳輸控制協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議定義。

圖 2：由于 EtherNet/IP 在應用層工作，因此允許工業(yè)控制器與 I/O 之間進行通信。（NT24k 交換機圖片來源：Red Lion）

　　EtherNet/IP 于 2009 年開發(fā)，源于開放式 DeviceNet 供應商協(xié)會 （ODVA） 與控制網(wǎng)國際組織 （CI） 在 ODVA 及其成員贊助下的合作。ODVA 本身成立于 1995 年，是一個由 Rockwell Automation、Cisco、Schneider Electric、Omron 和 Bosch Rexroth 等自動化公司組成的聯(lián)合體，旨在推動工業(yè)自動化的開放和可互操作通信。根據(jù) ODVA 的數(shù)據(jù)，EtherNet/IP 在工業(yè)以太網(wǎng)采用中處于領導地位，2017 年占 25% 的市場份額，2018 年占 28% 的市場份額，并且工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點的出貨量最多。

　　目前，EtherNet/IP 是針對工業(yè)網(wǎng)絡采用 CIP 的四種 ODVA 網(wǎng)絡之一。其他網(wǎng)絡是 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet。

　　CIP 是在工業(yè)設備中組織和共享數(shù)據(jù)的通道。更具體地說，CIP 使用不同類型的消息和服務來交換工業(yè)自動化應用中的數(shù)據(jù)。這些應用包括過程和系統(tǒng)控制、安全、同步、運動、配置和信息。CIP 使這些應用能夠與企業(yè)級以太網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)進行集成。這是一種用于制造業(yè)和工業(yè)應用的統(tǒng)一通信網(wǎng)絡，被世界各地的廠商廣泛采用。

　　對于工業(yè)協(xié)議，數(shù)據(jù)按照具有數(shù)據(jù)元素或屬性的對象來排序。這些數(shù)據(jù)對象通常分為必需的對象和應用程序對象。前者可在每個 CIP 中找到。

　　EtherNet/IP 相當易于實施，并且與用于工業(yè)自動化的標準以太網(wǎng)交換機兼容。但是，EtherNet/IP 的基本形式具有不確定性，因此不適合嚴格的實時工業(yè)應用。CIP Motion 可以作為 EtherNet/IP 的補充，并幫助 EtherNet/IP 使用完全符合 IEEE 802.3 和 TCP/IP 以太網(wǎng)標準的未修改以太網(wǎng)，滿足對確定性實時控制（包括閉環(huán)運動控制）的苛刻要求。

　　EtherNet/IP 與 CIP Motion 技術相結合，可提供多軸分布式運動控制功能。該協(xié)議不僅能進行擴展，而且為運動設計提供一個通用的應用程序接口。

　　通過 EtherNet/IP 傳輸數(shù)據(jù)

　　TCP 和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 （UDP） 是互聯(lián)網(wǎng)以及許多專用網(wǎng)絡的基礎通信協(xié)議。EtherNet/IP 使用 TCP 端口進行所謂的顯式消息傳遞。此類消息傳遞是指系統(tǒng)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，以響應對該數(shù)據(jù)的特定請求。它使用 TCP/IP — 一種面向連接的協(xié)議，以顯式方式管理客戶端與服務器之間的鏈路。TCP 是 TCP/IP 網(wǎng)絡的核心，可幫助對數(shù)據(jù)包分段，以便數(shù)據(jù)報文到達目的地。請注意，IP 僅處理數(shù)據(jù)包；TCP 使兩臺主機建立連接并交換數(shù)據(jù)流。TCP 會保證數(shù)據(jù)的傳送，同時保證數(shù)據(jù)包按照發(fā)送順序進行傳送。

　　EtherNet/IP 使用 UDP 端口進行隱式報文傳送，即系統(tǒng)通信以預定的時間間隔從預設的存儲位置發(fā)送至控制器或其他客戶端。此類通信的速度遠比顯式報文傳送得快，并且 UDP 連接的單向數(shù)據(jù)傳輸（無驗證接收）簡化了周期性系統(tǒng)更新。

　　確定性通信中的 PROFINET

　　PROFINET 是另一種技術標準，它定義了通過工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的方式。PROFINET 對標準以太網(wǎng)進行了修改，即使在具有挑戰(zhàn)性的應用中，也能確保正確、及時地傳輸數(shù)據(jù)。該標準的定義規(guī)定了從工業(yè)設備和系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的方式，以滿足往往緊迫的特定時間限制。PROFINET 源自 PROFIBUS，后者是一種用于支持自動化的現(xiàn)場總線通信標準。PROFIBUS 是基于工業(yè)以太網(wǎng)的經(jīng)典串行現(xiàn)場總線，而 PROFINET 則更進一步，具有更多的功能，允許更快、更靈活地通信，以控制自動化組件。

　　實際上，截至 2018 年，PROFINET 占有 30% 的工業(yè)網(wǎng)絡市場份額，成為全球領先的基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動化通信解決方案。每年有超過五百萬臺支持 PROFINET 的設備進入市場。

　　PROFINET 和 PROFIBUS 通信是確定性的，因此允許采用精確的 I/O 結構限制來支持自動化系統(tǒng)，并且它們定義的 I/O 結構有助于精確計算最大更新時間。PROFINET 還可以提供同步實時 （IRT） 數(shù)據(jù)交換。IRT 本質上是利用 PROFINET 的超精確時鐘來優(yōu)先處理某些類型的數(shù)據(jù)流量，并緩沖其余數(shù)據(jù)流量。在高要求應用（例如運動控制）和確定性要求比實時操作更高的其他應用中，IRT 的表現(xiàn)十分出色。在實時數(shù)據(jù)交換中，總線周期時間不到 10 毫秒。相比之下，IRT 數(shù)據(jù)交換發(fā)生在幾十微秒到幾毫秒之間。

　　例如，在包裝和貼標操作中，PROFINET 可支持數(shù)據(jù)傳輸，以確保在不到一秒鐘至僅一毫秒的時間內將瓶子灌裝到精確的液位。此外，PROFINET 還可以檢測和量化裝瓶過程中的任何異常情況，并向操作人員發(fā)出警報，同時立即關閉過程。

　　關于 PROFINET 硬件的旁注

　　標準以太網(wǎng)僅適用于家庭、辦公室和選定工業(yè)監(jiān)控環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸。相比之下，PROFINET 的工業(yè)以太網(wǎng)適合安裝在要求確定性數(shù)據(jù)通信的惡劣工業(yè)設施中。PROFINET 電纜和連接器與標準以太網(wǎng)中所使用的不同，包括具有重型鎖定機構的連接器和加固型工業(yè)電纜。無論是集成到其他硬件中，還是作為獨立元件構建，PROFINET 路由器都是工作于第三層網(wǎng)絡層（在前面提到的網(wǎng)絡模型中），并使用 IP 地址進行通信。這些路由器連接局域網(wǎng) （LAN） 并形成廣域網(wǎng) （WAN），同時采用算法確定網(wǎng)絡之間的最佳數(shù)據(jù)傳輸路線。某些 PROFINET 交換機還采用光纖連接。這些超快的元器件通過網(wǎng)關元件將支持 PROFINET 的設備集成到以太網(wǎng)絡（或 PROFIBUS）中，實現(xiàn)銅線到光纖的轉換。

　　PROFINET 管理型和非管理型交換機

　　PROFINET 交換機工作于前述概念網(wǎng)絡模型的第二層，即數(shù)據(jù)層。它們的功能是控制數(shù)據(jù)信號在網(wǎng)絡中的接收和傳輸操作。

　　非管理型 PROFINET 交換機通過連接到預定設備端點的適當端口發(fā)送傳入的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。端口可能有一個 LED 指示燈來顯示數(shù)據(jù)流的存在，但這些非管理型交換機通常不會提供更多關于該數(shù)據(jù)流的信息，或對數(shù)據(jù)流進行管理。

　　相比之下，管理型 PROFINET 交換機更加智能，可以使用不同的 IT 協(xié)議，包括用于 PROFINET 的簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議 （SNMP） 和鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議 （LLDP）。由于管理型交換機具有智能性，因此通常用于防止停機是首要目標的地方，以及故障排除十分有用的地方。當然，它們通常比非管理型交換機成本更高。

　　EtherNet/IP 與 PROFINET 特性的直接比較

　　EtherNet/IP 的行業(yè)特定適應性正在改變許多行業(yè)。例如，包裝行業(yè)使用 EtherNet/IP 來實現(xiàn)高速通信、確定性和實時性能?；?、傳統(tǒng)自動化和發(fā)電等行業(yè)使用 EtherNet/IP 來持續(xù)量化輸出。另外，還有一些工業(yè)應用涉及全自動化過程，需要計數(shù)和實時數(shù)據(jù)采集來進行控制。在這種情況下，EtherNet/IP 和 PROFINET 都擅長創(chuàng)建此類應用所需的確定性網(wǎng)絡。

　　不妨考慮 EtherNet/IP 和 PROFINET 的信號質量、報文大小和更新率，來了解兩者之間的差異細節(jié)。PROFINET 通常比 EtherNet/IP 更快，并且通常采用標準硬件進行部署，不過 PROFINET IRT 需要特定的硬件。EtherNet/IP 基于面向對象的編程，并且依賴于商業(yè)成品 （CotS） 元器件，因此具有更高的互操作性。實際上，CotS 元器件和硬件的使用與辦公室環(huán)境中普遍采用的變體并無不同，這意味著對于實現(xiàn)高速工業(yè)連接，EtherNet/IP 是非常劃算的選擇。此類大部分硬件具有規(guī)模經(jīng)濟和可互換特性，有助于最大限度地降低前期成本。

　　相比之下，支持 PROFINET 的元器件可以集成到基于 PROFIBUS 的現(xiàn)場總線中，能夠有效地補充現(xiàn)有系統(tǒng)，而無需完全替換。現(xiàn)有設備可以共用并且現(xiàn)有網(wǎng)絡接受添加補充性硬件，這種做法具有諸多成本優(yōu)勢。即便如此，PROFINET 技術的前期成本也可能比基于 EtherNet/IP 的方案高出多達 15%。安裝較容易可部分抵消該成本，據(jù)估計，PROFINET 的安裝復雜性（即成本）大約是 Ethernet/IP 的一半。

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 支持的拓撲結構和元器件也有所不同。網(wǎng)絡拓撲結構是指網(wǎng)絡中鏈路和節(jié)點的排列。鏈路是無線和有線技術，例如同軸電纜、帶狀電纜和雙絞線電纜，以及光纖電纜。而網(wǎng)絡節(jié)點是集線器、網(wǎng)橋、交換機、路由器、調制解調器和防火墻接口。拓撲結構包括星形、直線形、環(huán)形、菊花鏈形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡形。

　　EtherNet/IP 網(wǎng)絡主要使用星形拓撲，并輔以其他拓撲：環(huán)形拓撲按順序連接多個設備 — 即使環(huán)內的電纜被切斷，每個設備也會保持其控制路徑。樹形拓撲使用設備組之間用線連接的設備或交換機；任何中斷都會提示算法確定下一個最可行的解決路徑。

　　PROFINET 的直線形拓撲使用最少的電纜，無需外部交換機；通過獨立的交換機連接至任何星形和樹形拓撲。在這種結構下，如果星形或樹形交換機發(fā)生故障，則所有節(jié)點的通信均會受到影響，這可能會出現(xiàn)問題。因此，為了保證通信的連續(xù)性，PROFINE 通過添加設備來支持拓撲結構，以便在電纜或節(jié)點發(fā)生故障時提供介質備份和其他元件。

　　請注意，EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)絡部署在集中和分散控制的系統(tǒng)中，有時在結合了兩種控制方式的系統(tǒng)中工作。借助 EtherNet/IP 和 PROFINET，集中式系統(tǒng)使用客戶端-服務器設置，有一個中心服務器連接一個或多個客戶端節(jié)點?？蛻舳斯?jié)點向中心服務器提交請求，而不是自行進行處理，同時服務器完成所有的主要處理工作。在分散式系統(tǒng)中，每個節(jié)點都自主執(zhí)行自己的邏輯。系統(tǒng)的最終操作是所有節(jié)點邏輯的總和。

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關

　　無論是獨立的硬件，還是與路由器、防火墻或服務器功能集成在一起，網(wǎng)關都會控制著數(shù)據(jù)在給定網(wǎng)絡中的進出，有時還控制著不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流。這包括一些專門設計用于在 EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)絡之間進行 I/O 通信的網(wǎng)關。對于后者，大多數(shù)網(wǎng)關都充當 PROFINET 設備和 EtherNet/IP 適配器，以實現(xiàn)自動兼容。

　　除了自身的主要作用，在信號定時、計數(shù)、計算、比較和處理任務方面，網(wǎng)關還可以減輕系統(tǒng)的 PLC 負擔。對于具有路由器功能的 EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關，則能讓計算機通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如今，連接至網(wǎng)絡的智能人機界面 （HMI） 有時還可以兼作自動化系統(tǒng)與控制器之間的網(wǎng)關，以簡化系統(tǒng)的調試和維護。

　　連接未來的工業(yè)自動化裝置

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 連接正在以前所未有的敏捷性和 IIoT 功能，實現(xiàn)自動化與工業(yè)控制的創(chuàng)新組合。隨著硬件、軟件和連接技術以新的方式利用 EtherNet/IP 和 PROFINET，它們將幫助系統(tǒng)滿足日益嚴苛的工業(yè)生產(chǎn)需求。