รายงานวิชา INDUSTRIAL DATA COMMUNICATION AND NETWORKS

เรื่อง

Common Industrial Protocol (CIP) ControlNet, Ethernet/IP, DeviceNet

จัดท าโดย

นายคณกร อดิโรจนานนท์ 56010115 Sec 1

นายคณิศวร์ พันธุวัฒนสกุล 56010121 Sec 1

นายชรินทร์ทร ชัยชนะ 56010266 Sec 1

นายฐิติวัฒน ์ กมลสุทธิ ์ 56010341 Sec 1

นายธัญพงศ์ ศรีไพโรจน ์ 56010596 Sec 1

เสนอ

ผศ.ดร.นรินทร ์ ธรรมารักษ์วัฒนะ

คณะวิศวกรรมศาสตร ์สาขาวิศวกรรมการวัดและควบคุม

สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

ค าน า

รายงานฉบับน้ีจัดท าขึ้นเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของวิชาINDUSTRIAL DATA

COMMUNICATION AND NETWORKS เป็นการรวบรวมเนื้อหาเกี่ยวกับ COMMON

INDUSTRIAL PROTOCAL (CIP) เพื่อน าไปความรู้ที่ได้ไปปรับใช้กับการท างานจริง

และ การน าเสนอความรู้ในชั้นเรียน

โดยที่ INDUSTRIAL PROTOCAL (CIP) คือ โปรโตคอลที่มีการใชใ้นโรงงาน

อุตสาหกรรมอย่างแพรห่ลาย เนื้อหามีการแสดงถึง ที่มา โครงสร้าง และ การน าไปใช้

ผู้จัดท าหวังว่ารายงานฉบับน้ีจะมีประโยชน์ตอ่การศึกษา และ น าไปใช้ของผู้อ่าน หากมี

ข้อผิดพลาดประการใด ผู้จัดท า ขออภัยไว้ ณ ที่นี้ด้วย

คณะผู้จัดท า

สารบัญ

หน้า

ประวัติของ Common industrial Protocol ( CIP ) 1

DeviceNet 2

-โครงสร้าง และหลักการท างาน DeviceNetworking 2

ControlNet 6

-โครงสร้าง ControlNet Network 6

-หลักการท างาน ControlNet Network 7

Ethernet/IP 10

-โครงสร้าง Ethernet/IP Network 11

-อุปกรณ์ในระบบ Ethernet/IP Network 12

CIP Advantage 15

อ้างอิง 16

Common Industrial Protocol

Common Industrial Protocol หรือ CIP คือ protocol ที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม ได้รับการสนับสนุนจาก

ODVA โดย CIP ได้ถูกน ามาประยุกต์ใช้ใน industrial automationและถูกใช้ใน EtherNet/IP,DeviceNet,CompoNet

และ ControlNet นอกจากนี้ CIP ยังครอบคลุมถึงการรับ–ส่ง ข้อมูลในการผลิตแบบอัตโนมัตอิีกด้วย

ประวัติของ Common industrial Protocol ( CIP )

- ในปี 1994 DeviceNet เป็นเทคโนโลยีแรกใน CIP

- ในปี 1997ได้มีการพัฒนา ControlNet

- ในปี 2000 ODVAและCI ( ControlNet International) ได้มีข้อตกลง ( JTA )ในการพัฒนา EtherNet ขึ้นมา

- ในปี 2004 ODVA ได้แนะน า CIP Family , CIP Safety , CIP Sync , CIP Motion

OSI Model ใน CIP

ทั้งสามเทคโนโลยี คือ DeviceNet , ControlNet ,EtherNet นั้น ในlayerที่ 7 (Application) จะเหมือนกัน และ

จะต่างกนัที่ layer ที่1 และ 2 คือใน layer ที่2 DeviceNet จะใช้เทคโนโลยี CAN , ControlNet จะใช้เทคโนโลยี

CTDMA , EtherNet จะใช้เทคโนโลยี CSMA/CD

การประยุกต์ใช้ CIP กับ Technology ประเภทต่างๆ

- DeviceNet (CIP บน CAN Technology)

- ControlNet (CIP บน CTDMA Technology)

- Ethernet/IP (CIP บน Ethetrnet Technology)

DeviceNet

ประวัติ DeviceNetworking

Rockwell พัฒนา DeviceNet ขึ้นมาจาก CAN bus (Controller Area Network) ที่ใช้กันอยู่ในวงการ

Automotive ส าหรับใช้ควบคุมอุปกรณ์ต่างๆผา่นNetwork แทนการ wiring สายเชื่อมต่อกับอุปกรณ์แบบเดิม ซึ่ง

DeviceNet ต่อแบบmulti-drop ที่เชื่อมต่อและท าหนา้ที่เป็นเครือข่ายการสื่อสารระหว่าง industrial controllers และ I

/ O devices โดยcontrollersและdevicesแต่ละตัวเป็นโหนดบนเครือข่าย ข้อดีคือช่วยลดเวลาและค่าใช้จ่ายของการ

เดินสาย การคอนฟิกค่าและการเข้าถึงข้อมูลในตัวอุปกรณ์ท าได้ง่ายและสะดวกขึ้นมาก ข้อดีอีกอย่างหนึ่งก็คือ Rockwell

ได้ให้ DeviceNet เป็น Open standard ที่มีหน่วยงานอิสระชือ่ ODVA เป็นผูบ้ริหารจัดการ โดยไม่คิดค่าลิขสิทธิ์แต่อย่าง

ใด จึงท าให้ผู้ผลติอุปกรณ์ต่างๆ ให้การยอมรับ DeviceNet และผลิตอุปกรณ์มาสนบัสนุนการใช้งานอย่างแพร่หลาย

โครงสร้าง และหลักการท างาน DeviceNetworking

โครงสร้างของ DeviceNet

network เป็นรูปการเชื่อมต่อแบบบสั (Bus

Topology) คือมีสายเคเบิลหลกัเป็น

แกนกลาง เรียกว่า “ทรัคก์ไลน”์(Trunk

line) และใช้สายเคเบิลย่อยเชื่อมต่อไปยังตัว

อุปกรณ์ เรียกว่า “ดล็อบไลน”์ (Drop line)

โดยมีแท็บ (Tap) เป็นตัวเชื่อมระหว่าง

Trunk line กับ Drop line

สาย Trunkline มีหลายแบบเช่น สายแบน (Flat cable), สายกลมขนาดใหญ่ (Thick cable) และสาย

กลมขนาดเล็ก (Thin cable) ภายในประกอบด้วยสายทั้งหมด 5 เส้นคือ สายสัญญาณ 1 คู่ (CAN_H สีขาวและ

CAN_L น้ าเงิน) , สายไฟ 24 โวลต์ 1 คู่ (V+ สีแดง และV- สีด า) และ สายชีลด์ 1 เส้นส่วนสาย Drop line ภายใน

เหมือนสาย Trunk line แต่จะมีขนาดเล็กกว่าโดยทั่วไปมักใช้สายกลมขนาดเล็ก (Thin cable) มาท าเป็น Drop

line โดยความเร็วในการส่งข้อมูล (Data rate) ขึ้นอยู่กับความยาวของสาย Trunk line และความยาวรวมของ

สาย Drop line

รายละเอียดของ DeviceNet

คุณสมบัติ รายละเอียด

OSI layers 1-7 , layerที ่7 จะเรียกว่า CIP (Common Industrial Protocol) Base Technology ISO 11898 ( CAN )

Topology Trunkline/dropline

Message size 1 bit จนถึง หลายๆ byte ( สูงสุด 8Byte ) การเชื่อมต่อ Device 64

ความเร็วในการส่งข้อมูล 125kbpsที่ 500m , 250kbpsที ่250m , 500kbpsที่ 100m

การประยุกต์ใช้งาน DeviceNetworking

1) ออกแบบแผนผังสายสัญญาณเชื่อมต่ออุปกรณ์ เพราะในระบบ DeviceNet network นั้นชนิดและความยาวของสายมีผลกับประสิทธิภาพของระบบ

2) คอนฟิกพารามิเตอร์ของการ์ด Scanner และตัวอุปกรณ์ ผ่านโปรแกรม RSNetworx for DeviceNet 3) เขียนโปรแกรม PLC เพ่ือสั่งงานหรือ่านค่าจากอุปกรณ์

DeviceNet Network Design

โครงสร้างของ DeviceNet network เป็นรูปการเชื่อมต่อแบบบัส (Bus Topology) คือมีสายเคเบิลหลักเป็นแกนกลาง เรียกว่า “ทรัคก์ไลน์”(Trunk line) และใช้สายเคเบิลย่อยเชื่อมต่อไปยังตัวอุปกรณ์ เรียกว่า “ดล็อบไลน์” (Drop line) โดยมีแท็บ (Tap) เป็นตัวเชื่อมระหว่าง Trunk line กับ Drop line

ปลายทั้งสองด้านของ Trunk line ต้องต่อตัวเทอร์มิเนเตอร์ (Terminator) มีค่าความต้านทาน 120 โอมห์ 1% 1/4W ระหว่างสายสัญญาณ(สีขาวและน้ าเงิน) เพ่ือดูดซับสัญญาณท่ีเกิดจากการส่งข้อมูลและป้องกันการสะท้อนของสัญญาณข้อมูลภายในสายสัญญาณ

สาย Trunk line มีหลายแบบเช่น สายแบน (Flat cable), สายกลมขนาดใหญ่ (Thick cable) และสายกลมขนาดเล็ก (Thin cable) ภายในประกอบด้วยสายทั้งหมด 5 เส้นคือ สายสัญญาณ 1 คู่ (CAN_H สีขาวและ CAN_L น้ าเงิน) , สายไฟ 24 โวลต์ 1 คู่ (V+ สีแดง และV- สีด า) และ สายชีลด์ 1 เส้น

ส่วนสาย Drop line ภายในเหมือนสาย Trunk line แต่จะมีขนาดเล็กกว่าโดยทั่วไปมักใช้สายกลมขนาดเล็ก (Thin cable) มาท าเป็น Drop line

ความเร็วในการส่งข้อมูล (Data rate) ขึ้นอยู่กับความยาวของสาย Trunk line และความยาวรวมของสาย Drop line

โดยความยาวของ Trunk line คือระยะยาวที่สดุระหว่างอุปกรณ์หรือเทอร์มิเนเตอร์

ControlNet

ประวัติ ControlNetworking

Allen Bradley พัฒนา ControlNet Network ขึ้นมาเพ่ือใช้ในการสื่อสารระหว่าง PLC หรืออุปกรณ์ท่ี

ต้องความเร็วในการรับส่งข้อมูลสูง

โครงสร้าง ControlNet network

โครงสร้างของ ControlNet network สามารถใช้ Topologies ได้หลากหลาย สามารถใช้ , Tree

Topology , Star Topology หรือสามารถน า Topology ที่ได้กล่าวมาข้างต้นรวมกันได้

Trunk line – Drop line topology

Star topology

Tree Topology

หลักการท างาน ControlNet Network

ส าหรับ ControlNet นั้นมีความเร็วรับ ส่งข้อมูลอยู่ที่ 5 Mbit/s โดยอาศัยหลักการของ CTDMA (Concurrent

Time Domain Multiple Access) คือ แบ่งเวลาในการอัพเดตข้อมูลเป็นช่วงๆ เรียกว่า NUT (Network Update Time)

ซึ่งมีคาบเวลาอยู่ระหว่าง 2 ms ถึง 100 ms ภายใน NUT จะแบ่งเวลาออกเป็นอีก 3 ส่วนคือ Schedule, Unschedule

และ Guard band

ส่วนที่เปน็ Schedule ใช้รับและส่งข้อมูลซ้ าๆตามชว่งเวลาที่ก าหนด เช่น Remote I/O ผ่าน ControlNet card (1756-CNB หรือ 1756-CN2) ในการส่งข้อมูลแบบ schedule เราต้องใช้โปรแกรม RSNetWorx for ControlNet เพื่อ schedule connection ทั้งหมดและให้อุปกรณ์ทุกตัวในเน็ตเวิร์คใช้ Bandwidthและ Time configuration เหมือนกัน ในขณะ idle (Program mode)

การส่งแบบ schedule นี้ ท าให้แน่ใจได้ว่าข้อมูลถูกส่งออกไปในช่วงเวลาที่ก าหนด ส าหรับ Unschedule เราใช้เพื่อส่งข้อมูลที่ไม่ใช่การส่งซ้ าๆและไม่ขึ้นกบัช่วงเวลา แตส่่งเมื่อต้องการส่งข้อมูล เช่น Message, HMI และ อุปกรณ์ Programming terminal

ControlNet Configuration ป้องกันไม่ให้โหนดใดๆขัดแย้งกันในเน็ตเวิร์ก โดยเป็นไปตามข้อก าหนดดังนี ้

- ทุกโหนดต้องมี Configuration parameter เหมือนๆกันก่อนท าการส่งข้อมูล scheduled และ unscheduled - ผู้เริ่มต้น (Originator, CO) ต้องมีรายละเอียดข้อมูลให้ครบถ้วนก่อนร้องขอหรือส่งข้อมูลแบบ schedule - โหนดที่รับข้อมูล (Connection target, CT) สามารถส่งข้อมูลแบบ unscheduled ได้ทนัทีหลัง power up และมี

การร้องขอจาก CO

รายละเอียดของ ControlNet

คุณสมบัติ รายละเอียด

ISO layers 1-7 , layerที่ 7 จะเรียกว่า CIP (Common Industrial Protocol)

Topology Linear,star,tree หรือ สามารถน ามารวมกันได้

Message size 504 Bytes

การเชื่อมต่อ Device 64

ความเร็วในการส่งข้อมูล 5 Mbps

Ethernet/IP

ประวัติ Ethernet/IP

Ethernet Network เป็นเครือข่ายเชื่อมต่ออุปกรณ์และคอมพิวเตอร์เพ่ือรับ-ส่งข้อมูล ที่ใช้งานกันอยู่แพร่หลายทั่วไป ถูกสร้างข้ึนมาโดยความร่วมมือระหว่าง XEROX และ Intel ในปี 1973 จากนั้นตั้งแต่ปี 1990 เป็นต้นมา ทาง Rockwell ได้พัฒนา Ethernet Network ขึ้นใหม่ เรียกว่า EtherNet/IP (EtherNet Industrial Protocol) ภายใต้ CIP Protocol (Common Industrial Protocol) เพ่ือใช้เป็นเน็ตเวิร์กของระบบควบคุมในอุตสาหกรรม เช่น รับ-ส่งข้อมูลระหว่าง PLC หรือ อุปกรณ์ควบคุมอ่ืนๆ โดยประวัติของ Ethernet/IP มีดังนี้ การพัฒนา EtherNet / IP เริ่มต้นขึ้นในปี1990 โดยคณะท างาน CI และเม่ือปี 2000 ODVA CI เกิดข้อตกลงร่วมกันเทคโนโลยี (JTA) ส าหรับการพัฒนา EtherNet / IP จนปี 2009 JTA ถูกยกเลิก Ethernet / IP จึงกลายเป็นเทคโนโลยีที่อยู่ภายใต้การควบคุมเพียงของ ODVA อย่างเดียว และในวันนี้ Ethernet / IP เป็นหนึ่งในสี่ของเครือข่ายที่ใช้ CIP พร้อมด้วย DeviceNet, ControlNet และCompoNet โดยเครือข่ายเหล่านี้จะถูกจัดการโดย ODVA

โครงสร้าง Ethernet/IP Network

โครงสร้างที่ Ethernet/IP ใช้คือ Star Topology

ข้อดี : ออกแบบและใช้งานง่าย,เพ่ิมหรือลดอุปกรณ์ไม่มีผลกับอุปกรณ์อ่ืนๆ

ข้อเสีย : ถ้าสวิตช์หลักเสียส่งผลกระทบกับอุปกรณ์ทุกตัวในระบบ

EtherNet/IP CIP สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

1) Explicit message ใช้กับข้อมูลที่ไม่ต้องสนใจเรื่องของเวลา (time critical) ข้อมลูจะถูกส่งผ่าน

TCP/IP แบบ Unscheduled ตามการร้องของ Client/Server เช่น ค าสั่ง MSG

2) Implicit message หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า I/O message เพราะใช้ส าหรับส่งข้อมูลของ I/O ที่ให้

ความส าคัญเรื่องเวลาในการรับ-ส่งข้อมูลเป็นอย่างมาก ข้อมูลจะถูกส่งผ่าน UDP/IP แบบ Scheduled ตาม

ช่วงเวลาของค่า RPI ที่ก าหนด เช่น Produce-Consumed Tag หรือ อุปกรณ์ท่ีติดต่อกับ Controller ผ่าน

Ethernet Module Profile

อุปกรณ์ในระบบ Ethernet/IP Network

1. สายสัญญาณ (Media)

-สายเคเบิลใยแก้วน าแสง

-สายคู่ตีเกลียวแบบไม่มีฉนวนหุ้ม

-สายคู่ตีเกลียวแบบมีฉนวนหุ้ม

• สายเคเบิลใยแก้วน าแสง (Fiber Optic)

เป็นสายสัญญาณส าหรับรับ/ส่งข้อมูลความเร็วสูง ข้อดีของ Fiber optic คือปราศจากสัญญาณรบกวน

ทางไฟฟ้าและเดินสายได้ระยะทางไกลๆ

• สายคู่ตีเกลียวแบบไม่มีฉนวนหุ้ม (Unshielded Twisted Pair : UTP)

เป็นสายสัญญาณท่ีนิยมใช้ในงานระบบเครือข่ายเนื่องจากราคาถูกและง่ายในการติดตั้ง ข้อเสียของสาย

ชนิดนี้คือสัญญาณรบกวนง่ายและระยะเดินสายไม่เกิน 100 เมตร

• สายคู่ตีเกลียวแบบมีฉนวนหุ้ม (Shielded Twisted Pair : STP)

เป็นสายสัญญาณมีลักษณะเหมือนกับสาย UTP แต่มี Shield หุ้มเพ่ือแก้ไขปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนใน

สายสัญญาณแบบ UTPแต่ไม่ค่อยเป็นที่นิยมใช้งานเนื่องมีราคาแพงกว่าสาย UTP

2. อินเทอร์เน็ตสวิตช์ (Ethernet Switch)

ใช้เชื่อมต่ออุปกรณ์หลายๆตัวกับเน็ตเวิร์คเข้าด้วยกันและท าหน้าที่กระจายข้อมูลไปยังอุปกรณ์ปลายทางที่

ต้องการ ส าหรับสวิตซ์นั้นท างานในระดับ Data Link Layer หรือ Layer 2 ของโมเดล OSI โดยอาศัย Mac

Address ในการท างาน ปัจจุบันอินเทอร์เน็ตสวิตช์ รุ่นใหม่สามารถ ท างานในระดับของ Network Layer หรือ

Layer 3 ของโมเดล OSIในปัจจุบันได้แล้ว โดยอาศัยโปรโตคอล IP ท าให้เพ่ิมความสามารถของ Router เพ่ิมขึ้นมา

เราจึงมักเรียก Layer 3 สวิตซ์นี้ว่า Routing Switch

3. เราท์เตอร์ (Rounter)

เป็นอุปกรณ์ส าหรับเชื่อมต่อและค้นหาเส้นระหว่างNetworkเพ่ือให้รับ/ส่งข้อมูลถึงกันได้ Router สามารถ

เชื่อมโยงเครือข่ายที่ใช้สื่อสัญญาณหลายแบบแตกต่างกันได้เช่น Ethernet, Token Rink หรือ FDDI โดยใช้

โปรโตคอลที่ท างานในระดับบนหรือ Layer 3 ขึ้นไป

The CIP Advantage

ประโยชน์ของ Common Industrial Protocol มีดังนี ้

1. มีความรื่นไหลและมีการหาเส้นทางในการส่งข้อมูล โดยไม่ต้องเขียนโปรแกรม หรือ มีอุปกรณ์ท่ีเป็นตัวกลาง

2. มีการท างานร่วมกันของระบบจากผู้ผลิตหลายแห่ง

3. เพ่ิมประสิทธิภาพของ process ให้มีความเสถียร รวมทั้งมีการเปิดและขยายระบบมากขึ้น

4. มีความสามารถในการใช้อุปกรณ์ multi-layer network โดยไม่ต้องเพ่ิมค่าใช้จ่าย ลดความซับซ้อน ลดอุปกรณ์

ในระบบ และลดการติดตั้ง

5. สามารถบอกข้อผิดพลาดในระบบได้ เช่น การแจ้งเตือน ( Alarm )

อ้างอิง

https://thaicontrol.wordpress.com/2014/01/19/devicenet-network/

https://thaicontrol.wordpress.com/2014/04/27/ethernet-network/

https://thaicontrol.wordpress.com/2014/02/10/controlnet-network/

https://automationforum.in/t/can-you-help-me-to-understand-the-difference-between-following-communication-protocol-controlnet-devicenet-ethernet/178/2