1

EtherNet/IP – INDUSTRIJSKI ETHERNET Goran Malčić dip.ing. Tehničko veleučilište u Zagrebu Elektrotehnički odjel goran.malcic@tvz.hr

Danas je nemoguće zamisliti Ethernet bez TCP/IP-a (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Teško da ćete imati dobro iskustvo koristeći jedno bez drugoga. To je zato što je TCP/IP podloga ključ tehnologije koja radi u pozadini i oživljava internet i intranet – kao nekakav ključan dodatak bez kojega ne bi sve funkcioniralo kako treba. Kao rezultat toga TCP/IP je postao nerazdvojni dio Etherneta u poslovnom i korisničkom svijetu. Ono što mnogi ljudi ne shvaćaju je da uporaba Etherneta i TCP/IP protokola garantira samo da Ethernet uređaji mogu postojati na mreži; ona ne garantira da će ti uređaji komunicirati na način kako mi želimo. Da bi se uređaji mogli razumjeti i međusobno razmjenjivati informacije potreban nam je protokol na nivou aplikacije sa kojom radimo (Slika 1).

2

Slika 1 – TCP/IP je protokol koji možemo mapirati na OSI 7-segmentni mrežni model. Na slici je Ethernet predstavljen na prva dva nivoa (Physical i Link). Internet protokol (IP) te TCP i UDP načini transpotra stavljeni su na treći i četvrti nivo te predstavljaju TCP/IP (Network i Transport). Korisnički servisi često poistovjećivani sa TCP/IP mrežom stvljeni su na sedmi nivo (Aplication). Arhitekti TCP/IP-a su razumjeli taj problem i projektirali taj protokol tako da radi na više aplikacijskih nivoa. Danas se mnoge aplikacije koriste TCP/IP podlogom – protokol za prijenos zapisnika (File Transfer Protocol – FTP), e-mail (Simple Mail Transfer Protocol – SMTP) i World Wide Web (Hyper Text Transfer Protocol - HTTP). Kako se je Ethernet infiltrirao i u najniži nivo odnosno pogone, organizacije koje se bave racunalnim mrežama i proizvođači uređaja za automatizaciju su promovirali nekoliko novih protokola na nivou aplikacije. Sa tim protokolima su željeli učiniti Ethernet dovoljno dobrim za korištenje u industrijskoj automatizaciji. Ipak nisu sve tehnologije napravljene jednako.

Slika 2 – EtherNet/IP industrijska mreža – razmjena podataka, kontrola i konfiguracija uređaja – PLC uređaji, operatorski paneli (HMI), distribuirani I/O moduli, naponsko-frekventni pretvarači, itd.

3

Predstavljena 2000 godine, EtherNet/IP (Slika 2) je najnaprednija tehnologija od svih Ethernet rješenja u industriji. Između ostalog, jedan od razloga tome je što je bazirana na otvorenoj tehnologiji, koristeći isti aplikacijski nivo – Common Industrial Protocol (CIP) kao DeviceNet i ControlNet. Takav pristup nudi mnoge povlastice koje privlače jednako proizvođače opreme i korisnike (automatičare): niska cijena proizvodnje uređaja, laka uporaba, jednostavni uređaji i mrežna integracija te kompatibilnost sa uređajima mnogih drugih proizvođača. Nadalje, ControlNet International (CI), Industrial Automation Open Networking Alliance (IAONA) i Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) su prepoznali i podržavaju ovaj mrežni standard. Kao rezultat toga EtherNet/IP postaje univerzalni Ethernet proizvod za široku masu korisnika i proizvođača. U stvari, danas je dostupno mnoštvo kataloga sa proizvodima temeljenim na EtherNet/IP. To ukratko znači da proizvođači opreme mogu ponuditi komplet rješenja za izgradnju mreže temeljene na EtherNet/IP arhitekturi. Jednostavno rečeno – vizija automatizacije korištenjem Etherneta je ostvarena. ŠTO JE ETHERNET/IP ? Važno je razumjeti osnove tehnologije iza imena prije nego uđemo dublje u njenu analizu. EtherNet/IP se najbolje analizira ako mu rasčlanimo ime. 'EtherNet' je prvi dio i ukazuje na komercijalni Ethernet (IEEE 802.3) – nemodificiran sa TCP/IP podlogom. Drugi dio - 'IP' je skraćenica od 'Industrial protocol' i opisuje namjenu mreže. Za razliku od mnogih drugih industrijskih Ethernet opcija, EtherNet/IP je isproban, otvoreni protokol na aplikacijskom nivou (CIP). Dakle EtherNet/IP je CIP razvijen za Ethernet TCP/IP mreže kao što je DeviceNet CIP razvijen za CAN (Controller Area Network) mreže. Kako to radi - u slučaju kada se EtherNet/IP koristi sa TCP/IP da pošalje explicitnu poruku (poruka od jednog uređaja na mreži prema dugome – source/destination - Slika 3) u svakom tom paketu osim aplikacijskog podatka nalazi se i značenje podatka i servis odnosno zadatak koji se treba obaviti nad njime. Sa explicitnim porukama uređaji na mreži (nodes) moraju prevesti svaku poruku, izvršiti traženu naredbu i poslati povratnu informaciju. Takav tip poruka se koristi za konfiguraciju uređaja i njihovu dijagnostiku, i mogu varirati u ovisnosti o veličini i frekvenciji. EtherNet/IP također zadovoljava i standard UDP/IP (User DatagramProtocol/Internet Protocol) koji je zbog svojih performansi i višekorisničke funkcionalnosti pogodan za potrebe rada nad podacima u realnom vremenu – još poznato kao slanje implicitnih poruka (slanje poruka od jednog uređaja na mreži prema jednom ili više korisnika – producer/consumer - Slika 3). U implicitnim porukama, na mjestu aplikacijskog podatka nalazi se isključivo I/O podatak dobiven u realnom vremenu. Značenje tog podatka povezano je sa identifikatorom koji se definira kada se inicijalno ostvari veza, reducirajući vrijeme radnog ciklusa uređaja na mreži. Takve poruke zauzimaju malo prostora na mreži i služe za prijenos podatka u realnom vremenu potrebnih za kontrolu.

Slika 3 – Izgled mrežnih paketa kod slanja explicitnih i implicitnih poruka na EtherNet/IP mreži Zbog toga što zadovoljava TCP/IP i UDP/IP protokole, EtherNet/IP proširuje mogućnosti mrežnih poruka i korisnici ga mogu upotrebljavati kako za prijenos podataka tako i za kontrolu sustava (SCADA).

4

ETHERNET/IP – DANAS EtherNet/IP je star gotovo četiri godine – u relativno kratkom vremenskom roku ova mreža je na sebe privukla veliki interes i mnogi su radili na njoj. Godinu dana nakon što su CI i ODVA objavili njenu specifikaciju, Rockwell Automation je izbacio na tržište prvi val EtherNet/IP proizvoda, koji su integrirani u Allen-Bradley ControlLogix™, ProcessLogix™, PLC 5 i SLC 500 obitelji kontrolera. Od tada mnogi drugi proizvođači imaju ili razvoj EtherNet/IP proizvoda ili najavljuju planove da rade sa njime. Lista proizvođača kako za hardware tako i za software danas je velika. Svi su ti proizvodi dostupni i koriste se diljem svijeta. Drugim riječima EtherNet/IP je tehnologija koja se u kratkom vremenu dokazala kao vodeća na polju industrijske automatizacije. Sa pojavljivanjem Allen-Bradley CompatcLogix L35E kontrolera (Slika 4) EtherNet/IP riješenja su premostila široki spektar zahtjeva u kontrolnim sustavima. Kao rezultat toga inženjeri imaju mogućnost korištenja EtherNet/IP arhitekture za umrežavanje raznih aplikacija – od kompleksnih proizvodnih linija do jednostavnih sustava kontrole brzine vrtnje. Ipak postoje argumenti koji govore za i protiv tako širokog pristupa.

Slika 4 – CompactLogix L35E – prvi PLC sa ugrađenim I/O modulom na Ethernet portu (2003). Koristi EtherNet/IP kako za razmjenu podataka tako i kontrolu u realnom vremenu. Uređaj na slici posjeduje i 1769- SDN DeviceNet scaner tako da CompactLogix L35E može raditi sa obje mreže - DeviceNet i EtherNet/IP – te služiti kao 'most' između njih.

5

ZA I PROTIV ControlNet je mreža za rad u realnom vremenu, kako samo ime kaže mreža za kontrolu koja je u stanju velikom brzinom izvršiti transport kontrolnih podataka i informacija. ControlNet ne koristi aktivne komponente; on se koristi uglavnom pasivnim komponentama (tipkala). Za razliku od njega EtherNet/IP se koristi aktivnim komponentama – preklopnici (switches). U tom slučaju ako se pojedina komponenta pokvari cijela je mreža oštećena. DeviceNet je mreža bazirana na CAN (Controller Area Network) protokolu i napravljena je za najnižu razinu industrijske automatizacije – pomoću nje možemo umrežiti cijelu masu pogonskih uređaja – PLC, I/O distribuirane module, naponsko frekventne pretvarače, itd. Zahtjevi proizvođača i korisnika za CAN se temeljila na niskoj cijeni i stalnom razvoju performansi CAN chipa koji se danas može nabaviti za manje od 20€, što je omogućilo proizvođačima lakši razvoj i niže cijene za DeviceNet proizvode. To nije slučaj za EtherNet/IP. Za rad uređaja je potrebno više komponenti – mikroprocesor, TCP/IP dio, itd – pa cijena EtherNet/IP chipa dosegne gotovo 90€. Danas je na tržištu prisutno više od 1000 Profibus proizvoda, i to je jedna od najkorištenijih industrijskih mreža u Europi. Inženjeri koji rade na razvoju takvih industrijskih aplikacija teško mijenjaju sustav koja dobro radi i koji koristi sva njihova okolina. Ipak, interesantno je primjetiti da jednom kada se primjeni EtherNet/IP nema povratka. Njegova fleksibilnost i jednostavnost uporabe te mogućnosti koje Profibus nema intrigiraju projektante. Treba znati i da broj kompanija koje izrađuju bilo koji tip od industrijskog Ethernet hardwera i softwera broji se u stotinama i stalno raste. EtherNet/IP ControlNet DeviceNet CIJENA PC KARTICE NISKA SREDNJA NISKA SIGURNOST MREŽE VISOKA SREDNJA NISKA MREŽNA ADMINISTRACIJA VISOKA NISKA NISKA TOPLOGIJA MREŽE ZVJEZDA LINIJA LINIJA BRZINA PRIJENOSA 10/100 M 5 M 125/250/500 k MAX. DUŽINA SEGMENTA 100 m 1000 m 500 m MAX. DUŽINA MREŽE NEOGRANIČENO 30 km 4 km (SA POJAČALIMA) MAX. BROJ UREĐAJA NA MREŽI NEOGRANIČENO 99 64 IZVOR EL. ENERGIJE NA MREŽI NE NE DA (24 VDC/8A) ZAŠTITA MREŽE NEMA IP 65/67 IP 65/67 Tablica 1 – Usporedba nekih karakteristika EtherNet/IP, ControlNet i DeviceNet mreže Dakle, zašto bi neki korisnik izabrao EtherNet/IP ? Za početak, ne postoji jedna mreža tako robusna kao ControlNet, tako opsežna kao DeviceNet, itd; svaka mreža ima svoje dobre i loše osobine (Tablica 1). Međutim, EtherNet/IP ima dovoljno karakteristika i dovoljnu funkcionalnost da bude primjenjiv za mnogo različitih aplikacija. Kao rezultat toga, mnogo je svestraniji nego većina mreža. EtherNet/IP osim što nudi mogućnost kontrole i protoka informacija, također nudi kompanijama mogućnost spajanja na njihovu postojeću mrežnu strukturu (ako to žele) – što donosi mnoge pogodnosti. Naime jedan tip mreže štedi vrijeme i novac. Sistem inženjeri na računalnim mrežama širom svijeta već godinama koriste Ethernet. Takav dugogodišnji rad na Ethernet tehnologiji stvorio je ljude sa iskustvom i bazom znanja za rad sa Ethernetom što vrlo lako mogu primjeniti na EtherNet/IP (kabliranje, mrežne komponente, adresiranje, itd.). Primarni razlog zašto su se proizvođači okrenuli prema EtherNet/IP tehnologiji nije sličnost sa drugim tehnologijama nego niz novih mogućnosti – koje su moguće samo na Ethernet baziranim mrežama:

- Nove usluge poput zvuka i slike - Različite topologije - IT integracija - Daljinsko upravljanje - Povezanost s internetom - Sigurnost

6

PRIJE I POSLIJE Uzmimo primjer nekakve klasične industrijske mreže. PLC (Programabilni logički kontroler) je povezan na viši nivo SCADA sustava gdje šalje i prima podatke. Također je povezan sa pogonskim uređajima te vrši upravljanje i kontrolu istih. Krajnji korisnik sa višeg nivoa želi imati potpunu kontrolu nad procesom u pogonu. Za usporedbu, kontroler može biti spojen EtherNet/IP mrežom i na viši nivo i na pogonske uređaje. Ovisno o primjeni, ovakva postava mreže nudi ne samo bolje performanse od klasičnih načina nego i nove mogućnosti:

- Nove usluge poput zvuka i slike – npr; možete instalirati kameru i nadgledati proizvodni proces u pogonu

- Različite topologije – npr; za svaki pogon možete posebno razvesti mrežu, a na kraju sve skupa spojiti u liniju

- IT integracija – npr; primjena web servera za ključne uređaje, povezivanje preko lokalne mreže sadrugim sustavima

- Daljinska povezanost – npr; slanje e-mail poruke o stanju sustava - Povezanost s internetom – npr; nadgledanje i kontrola sustava preko Internet

explorera - Sigurnost – npr. ograničiti mogućnost pristupa preko određenih portova na mrežnom

preklopniku (switch) Ove mogućnosti dobivene korištenjem Etherneta daju proizvođačima značajne prednosti, podrazumjevajući da EtherNet/IP zadovoljava sve njihove zahtjeve prema industrijskoj mreži. Te mogućnosti nisu primjenjive za ograničene i male industrijske mreže koje nemaju potrebe za novim funkcijama. Korištenje ovakve mreže je za sustave koji imaju stalnu potrebu za proširivanjem, integracijom novih uređaja i korištenjem naprednih tenologija.

Slika 5 – 1761-NET-ENIW - Prvo Ethernet sučelje sa ugrađenim web i e-mail serverom za spajanje MicroLogix serije kontrolera na EtherNet/IP mrežu (2004).

7

Kao sve napredne tehnologije EtherNet/IP se stalno razvija. Organizacije zajedno sa kompanijama njihovim članovima koje su odgovorne za njegov razvoj, uključujući i Rockwell Automation, su sigurne da uvođenje EtherNet/IP u proizvodne sustave ima svijetlu budućnost. Gledajući unazad, Rockwell Automation ima reputaciju firme koja je u razvoju Ethernet aplikacija od samog početka:

- Prvi PLC spojen na Ethernet (Pyramid Integrator – 1990) - Prvi PLC sa ugrađenim Ethernet portom (PLC-5 – 1994) - Prvi mali PLC sa Ethernet portom (SLC 500 – 1995) - Prva arhitektura industrijske mreže u kojoj je link na Ethernet (NetLinx – 1999) - Prvi PLC sa više Ethernet portova (ControlLogix – 1999) - Prvi PLC sa radom u realnom vremenu na Ethernet mreži (ControlLogix – 2001) - Prvi PLC sa ugrađenim I/O modulom na Ethernet portu (CompactLogix – 2003) - Prvo Ethernet sučelje (NET-ENIW) sa ugrađenim web i e-mail serverom (MicroLogix

– 2004) Prema ovom popisu možemo zaključiti da Rockwell Automation vjerovatno i sada radi na razvoju novih riješenja u industrijskoj automatizaciji pomoću EtherNet/IP-a koji danas daje ono najbolje što možemo dobiti od industrijskog Etherneta.