淺談EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關(guān)

　　隨著各大公司紛紛實(shí)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(dòng)化和工業(yè)控制系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 功能，來(lái)提高數(shù)據(jù)可訪問(wèn)性和可用性，這就更是如此。在這些應(yīng)用中，EtherNet/IP 和 PROFINET 是最佳選擇。

　　EtherNet/IP 的結(jié)構(gòu)及其不斷擴(kuò)展的適用性

　　EtherNet/IP 是一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它將通用工業(yè)協(xié)議 （CIP） 用于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。該協(xié)議工作于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層 — 在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)概念模型中，應(yīng)用層位于“最頂層”設(shè)備和面向用戶的層，以允許控制裝置和輸入/輸出 （I/O） 設(shè)備之間進(jìn)行通信。更具體地說(shuō)，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(gè)用于描述網(wǎng)絡(luò)的最常見模型是 OSI 模型和 TCP/IP 模型。（圖片來(lái)源：Design World）

　　EtherNet/IP 采用：

• 　　前述的應(yīng)用層
• 　　互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層
• 　　標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)鏈路層

　　請(qǐng)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(luò)協(xié)議，最初的開發(fā)目的是允許通過(guò) RS-232 和 RS-485（均為工作數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)）等串行連接進(jìn)行通信。現(xiàn)在，許多此類連接都使用 TCP/IP 等協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)運(yùn)行，這在互聯(lián)網(wǎng)通信中極為常見。EtherNet/IP 通信及其非常標(biāo)準(zhǔn)化的硬件（包括集線器、交換機(jī)、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(yīng)用層工作，因此允許工業(yè)控制器與 I/O 之間進(jìn)行通信。（NT24k 交換機(jī)圖片來(lái)源：Red Lion）

　　EtherNet/IP 于 2009 年開發(fā)，源于開放式 DeviceNet 供應(yīng)商協(xié)會(huì) （ODVA） 與控制網(wǎng)國(guó)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(gè)由 Rockwell Automation、Cisco、Schneider Electric、Omron 和 Bosch Rexroth 等自動(dòng)化公司組成的聯(lián)合體，旨在推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)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(lǐng)導(dǎo)地位，2017 年占 25% 的市場(chǎng)份額，2018 年占 28% 的市場(chǎng)份額，并且工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的出貨量最多。

　　目前，EtherNet/IP 是針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用 CIP 的四種 ODVA 網(wǎng)絡(luò)之一。其他網(wǎng)絡(luò)是 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet。

　　CIP 是在工業(yè)設(shè)備中組織和共享數(shù)據(jù)的通道。更具體地說(shuō)，CIP 使用不同類型的消息和服務(wù)來(lái)交換工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用包括過(guò)程和系統(tǒng)控制、安全、同步、運(yùn)動(dòng)、配置和信息。CIP 使這些應(yīng)用能夠與企業(yè)級(jí)以太網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行集成。這是一種用于制造業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)，被世界各地的廠商廣泛采用。

　　對(duì)于工業(yè)協(xié)議，數(shù)據(jù)按照具有數(shù)據(jù)元素或?qū)傩缘膶?duì)象來(lái)排序。這些數(shù)據(jù)對(duì)象通常分為必需的對(duì)象和應(yīng)用程序?qū)ο蟆Ｇ罢呖稍诿總€(gè) CIP 中找到。

　　EtherNet/IP 相當(dāng)易于實(shí)施，并且與用于工業(yè)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換機(jī)兼容。但是，EtherNet/IP 的基本形式具有不確定性，因此不適合嚴(yán)格的實(shí)時(shí)工業(yè)應(yīng)用。CIP Motion 可以作為 EtherNet/IP 的補(bǔ)充，并幫助 EtherNet/IP 使用完全符合 IEEE 802.3 和 TCP/IP 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的未修改以太網(wǎng)，滿足對(duì)確定性實(shí)時(shí)控制（包括閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制）的苛刻要求。

　　EtherNet/IP 與 CIP Motion 技術(shù)相結(jié)合，可提供多軸分布式運(yùn)動(dòng)控制功能。該協(xié)議不僅能進(jìn)行擴(kuò)展，而且為運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)提供一個(gè)通用的應(yīng)用程序接口。

　　通過(guò) EtherNet/IP 傳輸數(shù)據(jù)

　　TCP 和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 （UDP） 是互聯(lián)網(wǎng)以及許多專用網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)通信協(xié)議。EtherNet/IP 使用 TCP 端口進(jìn)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(yīng)對(duì)該數(shù)據(jù)的特定請(qǐng)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(wù)器之間的鏈路。TCP 是 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的核心，可幫助對(duì)數(shù)據(jù)包分段，以便數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)目的地。請(qǐng)注意，IP 僅處理數(shù)據(jù)包；TCP 使兩臺(tái)主機(jī)建立連接并交換數(shù)據(jù)流。TCP 會(huì)保證數(shù)據(jù)的傳送，同時(shí)保證數(shù)據(jù)包按照發(fā)送順序進(jìn)行傳送。

　　EtherNet/IP 使用 UDP 端口進(jìn)行隱式報(bào)文傳送，即系統(tǒng)通信以預(yù)定的時(shí)間間隔從預(yù)設(shè)的存儲(chǔ)位置發(fā)送至控制器或其他客戶端。此類通信的速度遠(yuǎn)比顯式報(bào)文傳送得快，并且 UDP 連接的單向數(shù)據(jù)傳輸（無(wú)驗(yàn)證接收）簡(jiǎn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它定義了通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方式。PROFINET 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行了修改，即使在具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，也能確保正確、及時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)的定義規(guī)定了從工業(yè)設(shè)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(shí)間限制。PROFINET 源自 PROFIBUS，后者是一種用于支持自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線通信標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS 是基于工業(yè)以太網(wǎng)的經(jīng)典串行現(xiàn)場(chǎng)總線，而 PROFINET 則更進(jìn)一步，具有更多的功能，允許更快、更靈活地通信，以控制自動(dòng)化組件。

　　實(shí)際上，截至 2018 年，PROFINET 占有 30% 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)份額，成為全球領(lǐng)先的基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動(dòng)化通信解決方案。每年有超過(guò)五百萬(wàn)臺(tái)支持 PROFINET 的設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)。

　　PROFINET 和 PROFIBUS 通信是確定性的，因此允許采用精確的 I/O 結(jié)構(gòu)限制來(lái)支持自動(dòng)化系統(tǒng)，并且它們定義的 I/O 結(jié)構(gòu)有助于精確計(jì)算最大更新時(shí)間。PROFINET 還可以提供同步實(shí)時(shí) （IRT） 數(shù)據(jù)交換。IRT 本質(zhì)上是利用 PROFINET 的超精確時(shí)鐘來(lái)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(yīng)用（例如運(yùn)動(dòng)控制）和確定性要求比實(shí)時(shí)操作更高的其他應(yīng)用中，IRT 的表現(xiàn)十分出色。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換中，總線周期時(shí)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(biāo)操作中，PROFINET 可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，以確保在不到一秒鐘至僅一毫秒的時(shí)間內(nèi)將瓶子灌裝到精確的液位。此外，PROFINET 還可以檢測(cè)和量化裝瓶過(guò)程中的任何異常情況，并向操作人員發(fā)出警報(bào)，同時(shí)立即關(guān)閉過(guò)程。

　　關(guān)于 PROFINET 硬件的旁注

　　標(biāo)準(zhǔn)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(shè)施中。PROFINET 電纜和連接器與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中所使用的不同，包括具有重型鎖定機(jī)構(gòu)的連接器和加固型工業(yè)電纜。無(wú)論是集成到其他硬件中，還是作為獨(dú)立元件構(gòu)建，PROFINET 路由器都是工作于第三層網(wǎng)絡(luò)層（在前面提到的網(wǎng)絡(luò)模型中），并使用 IP 地址進(jìn)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(shí)采用算法確定網(wǎng)絡(luò)之間的最佳數(shù)據(jù)傳輸路線。某些 PROFINET 交換機(jī)還采用光纖連接。這些超快的元器件通過(guò)網(wǎng)關(guān)元件將支持 PROFINET 的設(shè)備集成到以太網(wǎng)絡(luò)（或 PROFIBUS）中，實(shí)現(xiàn)銅線到光纖的轉(zhuǎn)換。

　　PROFINET 管理型和非管理型交換機(jī)

　　PROFINET 交換機(jī)工作于前述概念網(wǎng)絡(luò)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(hào)在網(wǎng)絡(luò)中的接收和傳輸操作。

　　非管理型 PROFINET 交換機(jī)通過(guò)連接到預(yù)定設(shè)備端點(diǎn)的適當(dāng)端口發(fā)送傳入的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。端口可能有一個(gè) LED 指示燈來(lái)顯示數(shù)據(jù)流的存在，但這些非管理型交換機(jī)通常不會(huì)提供更多關(guān)于該數(shù)據(jù)流的信息，或?qū)?shù)據(jù)流進(jìn)行管理。

　　相比之下，管理型 PROFINET 交換機(jī)更加智能，可以使用不同的 IT 協(xié)議，包括用于 PROFINET 的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)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(jī)具有智能性，因此通常用于防止停機(jī)是首要目標(biāo)的地方，以及故障排除十分有用的地方。當(dāng)然，它們通常比非管理型交換機(jī)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(yīng)性正在改變?cè)S多行業(yè)。例如，包裝行業(yè)使用 EtherNet/IP 來(lái)實(shí)現(xiàn)高速通信、確定性和實(shí)時(shí)性能?；?、傳統(tǒng)自動(dòng)化和發(fā)電等行業(yè)使用 EtherNet/IP 來(lái)持續(xù)量化輸出。另外，還有一些工業(yè)應(yīng)用涉及全自動(dòng)化過(guò)程，需要計(jì)數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集來(lái)進(jìn)行控制。在這種情況下，EtherNet/IP 和 PROFINET 都擅長(zhǎng)創(chuàng)建此類應(yīng)用所需的確定性網(wǎng)絡(luò)。

　　不妨考慮 EtherNet/IP 和 PROFINET 的信號(hào)質(zhì)量、報(bào)文大小和更新率，來(lái)了解兩者之間的差異細(xì)節(jié)。PROFINET 通常比 EtherNet/IP 更快，并且通常采用標(biāo)準(zhǔn)硬件進(jìn)行部署，不過(guò) PROFINET IRT 需要特定的硬件。EtherNet/IP 基于面向?qū)ο蟮?a target="_blank">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(shí)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(wú)不同，這意味著對(duì)于實(shí)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(jì)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(chǎng)總線中，能夠有效地補(bǔ)充現(xiàn)有系統(tǒng)，而無(wú)需完全替換?，F(xiàn)有設(shè)備可以共用并且現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)接受添加補(bǔ)充性硬件，這種做法具有諸多成本優(yōu)勢(shì)。即便如此，PROFINET 技術(shù)的前期成本也可能比基于 EtherNet/IP 的方案高出多達(dá) 15%。安裝較容易可部分抵消該成本，據(jù)估計(jì)，PROFINET 的安裝復(fù)雜性（即成本）大約是 Ethernet/IP 的一半。

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件也有所不同。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中鏈路和節(jié)點(diǎn)的排列。鏈路是無(wú)線和有線技術(shù)，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(luò)節(jié)點(diǎn)是集線器、網(wǎng)橋、交換機(jī)、路由器、調(diào)制解調(diào)器和防火墻接口。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星形、直線形、環(huán)形、菊花鏈形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)形。

　　EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)主要使用星形拓?fù)?，并輔以其他拓?fù)洌涵h(huán)形拓?fù)浒错樞蜻B接多個(gè)設(shè)備 — 即使環(huán)內(nèi)的電纜被切斷，每個(gè)設(shè)備也會(huì)保持其控制路徑。樹形拓?fù)涫褂迷O(shè)備組之間用線連接的設(shè)備或交換機(jī)；任何中斷都會(huì)提示算法確定下一個(gè)最可行的解決路徑。

　　PROFINET 的直線形拓?fù)涫褂米钌俚碾娎|，無(wú)需外部交換機(jī)；通過(guò)獨(dú)立的交換機(jī)連接至任何星形和樹形拓?fù)?。在這種結(jié)構(gòu)下，如果星形或樹形交換機(jī)發(fā)生故障，則所有節(jié)點(diǎn)的通信均會(huì)受到影響，這可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，為了保證通信的連續(xù)性，PROFINE 通過(guò)添加設(shè)備來(lái)支持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便在電纜或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)提供介質(zhì)備份和其他元件。

　　請(qǐng)注意，EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)部署在集中和分散控制的系統(tǒng)中，有時(shí)在結(jié)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(wù)器設(shè)置，有一個(gè)中心服務(wù)器連接一個(gè)或多個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)?？蛻舳斯?jié)點(diǎn)向中心服務(wù)器提交請(qǐng)求，而不是自行進(jìn)行處理，同時(shí)服務(wù)器完成所有的主要處理工作。在分散式系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)邏輯的總和。

　　EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關(guān)

　　無(wú)論是獨(dú)立的硬件，還是與路由器、防火墻或服務(wù)器功能集成在一起，網(wǎng)關(guān)都會(huì)控制著數(shù)據(jù)在給定網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)出，有時(shí)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(shè)計(jì)用于在 EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行 I/O 通信的網(wǎng)關(guān)。對(duì)于后者，大多數(shù)網(wǎng)關(guān)都充當(dāng) PROFINET 設(shè)備和 EtherNet/IP 適配器，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)兼容。

　　除了自身的主要作用，在信號(hào)定時(shí)、計(jì)數(shù)、計(jì)算、比較和處理任務(wù)方面，網(wǎng)關(guān)還可以減輕系統(tǒng)的 PLC 負(fù)擔(dān)。對(duì)于具有路由器功能的 EtherNet/IP 和 PROFINET 網(wǎng)關(guān)，則能讓計(jì)算機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如今，連接至網(wǎng)絡(luò)的智能人機(jī)界面 （HMI） 有時(shí)還可以兼作自動(dòng)化系統(tǒng)與控制器之間的網(wǎng)關(guān)，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。

　　連接未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與工業(yè)控制的創(chuàng)新組合。隨著硬件、軟件和連接技術(shù)以新的方式利用 EtherNet/IP 和 PROFINET，它們將幫助系統(tǒng)滿足日益嚴(yán)苛的工業(yè)生產(chǎn)需求。