Comparación de EtherNet/IP y PROFINET

La adopción de Ethernet industrial continúa superando a otras opciones a medida que las empresas se conectan digitalmente. Esto es especialmente cierto donde la funcionalidad de la Internet de las Cosas (IO) se emplea en sistemas de automatización y control industrial para aumentar la accesibilidad y la usabilidad de los datos. EtherNet/IP y PROFINET son las opciones principales aquí.

Estructura de EtherNet/IP y ampliación de la aplicabilidad de EtherNet/IP

EtherNet/IP es un protocolo de red industrial que emplea el Protocolo Industrial Común (CIP) a Ethernet estándar. Funciona en una capa de aplicación de la red que (en los dos modelos conceptuales de redes) se encuentra en la capa de dispositivos "superiores" y en la capa de cara al usuario para permitir la comunicación entre los controles y los dispositivos de entrada y salida (E/S). Más específicamente, EtherNet/IP es la capa superior de los modelos de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) y protocolo de control de transmisión/protocolo de Internet (TCP/IP).

Figura 1: Los dos modelos más comunes utilizados para describir las redes son el modelo OSI y el modelo TCP/IP. (Fuente de la imagen: Design World)

EtherNet/IP emplea:

• La capa de aplicación que se acaba de mencionar
• Una capa de red del Protocolo de Internet
• La capa de enlace estándar de Ethernet

Tenga en cuenta que el IP en EtherNet/IP es la abreviatura de protocolo industrial y se refiere a los protocolos de red desarrollados originalmente para permitir la comunicación a través de conexiones en serie como RS-232 y RS-485, ambos estándares para la transmisión de datos industriales. Muchas de estas conexiones ahora operan a través de Ethernet usando protocolos como TCP/IP, tan comunes para las comunicaciones de Internet. Las comunicaciones EtherNet/IP y su hardware muy estandarizado (incluyendo concentradores, conmutadores, enrutadores, cables de Ethernet y tarjetas de red de Ethernet) se definen mediante el Protocolo de Control de Transmisión IEEE 802.3 y el Protocolo de Internet.

Figura 2: Debido a que EtherNet/IP trabaja en la capa de aplicación, permite las comunicaciones entre los controladores industriales y las E/S. (NT24k cambiar la fuente de la imagen: Red Lion)

Desarrollado en 2009, EtherNet/IP surgió de la colaboración entre la Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) y ControlNet International (CI) con el auspicio de la ODVA y sus miembros. El propio ODVA se fundó en 1995 como un consorcio de empresas de automatización (entre ellas Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron y Bosch Rexroth) para impulsar las comunicaciones abiertas e interoperables para la automatización industrial. Según ODVA, EtherNet/IP lidera la adopción de Ethernet industrial, representando el 25% de la cuota de mercado en 2017 y el 28% en 2018 con la mayor cantidad de nodos de redes de Ethernet industrial enviados.

En la actualidad, EtherNet/IP es una de las cuatro redes de ODVA que han adoptado el CIP para las redes industriales. Los otros son DeviceNet, ControlNet y CompoNet.

La CIP es un conducto para organizar y compartir datos en los dispositivos industriales. Más concretamente, utiliza diferentes tipos de mensajes y servicios para intercambiar datos en aplicaciones de automatización industrial que incluyen el control de procesos y sistemas, la seguridad, la sincronización, el movimiento, la configuración y la información. El CIP permite que estas aplicaciones se integren con las redes Ethernet de nivel empresarial y con Internet. Se trata de una red de comunicación unificada que se utiliza para la fabricación y las aplicaciones industriales y que ha sido ampliamente adoptada por los vendedores de todo el mundo.

Para los protocolos industriales, los datos se ordenan como objetos con elementos o atributos de datos. Estos objetos de datos suelen clasificarse en objetos necesarios y objetos de aplicación. Los primeros se encuentran en cada CIP.

Figura 3: EtherNet/IP y PROFINET son los principales protocolos de Ethernet industrial. Ambos son respaldados por el ODVA. (Fuente de la imagen: ODVA Inc.)

EtherNet/IP es bastante fácil de implementar y es compatible con los conmutadores estándar de Ethernet para la automatización industrial. Sin embargo, la forma básica de EtherNet/IP no es determinante y, por lo tanto, no es adecuada para aplicaciones industriales en tiempo real estricto. CIP Motion puede complementar EtherNet/IP para ayudar a este último a satisfacer los exigentes requisitos de control determinístico en tiempo real (incluido el control de movimiento en bucle cerrado) con Ethernet sin modificar, en plena conformidad con las normas IEEE 802.3 y TCP/IP Ethernet.

EtherNet/IP complementado con la tecnología CIP Motion ofrece un control de movimiento distribuido en varios ejes. Es escalable y ofrece una interfaz de aplicación común para diseños de movimiento.

Transmisión de datos a través de EtherNet/IP

El TCP y el protocolo de datagramas de usuario (UDP) son los protocolos de comunicación subyacentes de la Internet y también de muchas redes privadas. EtherNet/IP emplea un puerto TCP para lo que se llama mensajería explícita. Este tipo de mensajes se produce cuando el sistema envía datos a un cliente en respuesta a una solicitud específica de esos datos. Utiliza TCP/IP; un protocolo orientado a la conexión que gestiona explícitamente los enlaces entre clientes y servidores. Núcleo de la red TCP/IP, el TCP ayuda a fragmentar los paquetes de datos para que los mensajes de datos lleguen a su destino. Tenga en cuenta que el IP solo se ocupa de los paquetes; el TCP permite que dos hosts establezcan una conexión e intercambien flujos de datos. El TCP garantiza la entrega de los datos, así como que los paquetes se entregarán en el orden en que fueron enviados.

EtherNet/IP emplea un puerto UDP para mensajería implícita; comunicaciones del sistema enviadas desde ubicaciones de memoria preestablecidas a un controlador u otro cliente en algún intervalo preestablecido. Estas comunicaciones son mucho más rápidas que los mensajes explícitos y la transmisión unidireccional de datos de las conexiones UDP (sin validar los recibos) simplifica las actualizaciones cíclicas del sistema.

PROFINET para comunicaciones deterministas

PROFINET es otro estándar técnico que define un modo de comunicación de datos a través de Ethernet industrial. Las modificaciones de PROFINET a la Ethernet estándar aseguran una transmisión de datos adecuada y rápida incluso en aplicaciones difíciles. Sus definiciones dictan un medio de reunión de datos de equipo y sistemas industriales para satisfacer limitaciones de tiempo específicas y a menudo estrictas. PROFINET surgió de PROFIBUS, un estándar de comunicación de bus de campo para apoyar la automatización. Mientras que PROFIBUS es un clásico bus de campo en serie basado en Ethernet industrial, PROFINET va más allá con capacidades adicionales para permitir comunicaciones más rápidas y flexibles para controlar los componentes de automatización.

Figura 4: EtherNet/IP es más común en los Estados Unidos. PROFINET se utiliza ampliamente en Europa. (Fuente de la imagen: PI North America)

De hecho, PROFINET tenía 30% de la cuota de mercado de las redes industriales a partir de 2018, lo que la convierte en la solución de comunicación basada en Ethernet líder en el mundo para la automatización industrial. Más de cinco millones de dispositivos listos para PROFINET salen al mercado cada año.

Las comunicaciones PROFINET y PROFIBUS son deterministas, lo que permite el apoyo de sistemas de automatización con límites precisos de estructura de E/S... y sus estructuras de E/S definidas permiten un cálculo preciso de los tiempos máximos de actualización. PROFINET también puede proporcionar un intercambio de datos isócrona en tiempo real (IRT). La TRI aprovecha esencialmente el reloj de tiempo ultrapreciso de PROFINET para priorizar el paso de algunos tipos de tráfico de datos y almacenar el resto en un búfer. La TRI sobresale en aplicaciones exigentes como el control del movimiento y otras aplicaciones que necesitan un funcionamiento más determinista que el funcionamiento en tiempo real. En un intercambio de datos en tiempo real, los tiempos de los ciclos del bus son inferiores a 10 mseg. Por el contrario, los intercambios de datos de la TRI se producen en unas pocas docenas de μsec a unos pocos mseg.

Por ejemplo, PROFINET en una operación de envasado y etiquetado puede soportar la transmisión de datos para asegurar que las botellas se llenen a un nivel preciso en menos de un segundo; a solo un mseg o así. PROFINET también puede detectar, cuantificar y alertar a los operadores de cualquier anomalía en el proceso de embotellamiento y también de los procesos de cierre inmediato.

Nota al margen del hardware de PROFINET

El Ethernet estándar sólo es adecuado para la transmisión de datos en el hogar, la oficina y en determinadas configuraciones de monitorización industrial. Por el contrario, la Ethernet industrial de PROFINET es adecuada para su instalación en instalaciones industriales severas que requieren comunicaciones de datos deterministas. Los cables y conectores de PROFINET difieren de los empleados en la Ethernet estándar e incluyen conectores con mecanismos de cierre más pesados y cables industriales resistentes. Los enrutadores PROFINET (ya sea integrados en otro hardware o construidos como elementos independientes) funcionan en la capa tres de la red (a partir de los modelos de red mencionados anteriormente) y se comunican utilizando direcciones IP.Estos enrutadores conectan redes de área local (LAN) y forman redes de área amplia (WAN), a la vez que emplean algoritmos para determinar las mejores rutas de transmisión de datos entre las redes. Algunos interruptores PROFINET también emplean conexiones de fibra óptica. Estos componentes ultrarrápidos integran los dispositivos con capacidad PROFINET en redes Ethernet (o PROFIBUS) a través de elementos de pasarela para conversiones de cobre a fibra óptica.

Figura 5: El hardware de PROFINET sobresale en condiciones duras y severas sujetas a vibración, calor, polvo, aceite y otras condiciones desafiantes. Este Módulo HarshIO de enlace IO-Brad PROFINET es un ejemplo de un componente resistente para la automatización de fábricas conectadas a PROFINET. (Fuente de la imagen: Molex)

Los interruptores gestionados y no gestionados de PROFINET

Los interruptores de PROFINET trabajan en la segunda capa de datos del modelo conceptual de red cubierto anteriormente. Funcionan para controlar la recepción y la transmisión de señales de datos a través de la red.

Los conmutadores PROFINET no gestionados envían los datos Ethernet entrantes a través de los puertos adecuados conectados a los puntos finales de los dispositivos previstos. Los puertos pueden tener un indicador LED para mostrar la presencia de flujo de datos, pero estos interruptores no gestionados no suelen proporcionar mucha más información sobre ese flujo de datos o su gestión.

Por el contrario, los conmutadores PROFINET gestionados son más inteligentes y funcionan con diferentes protocolos de TI, incluidos el protocolo simple de gestión de red (SNMP) y el protocolo de descubrimiento de la capa de enlace (LLDP) para PROFINET. Debido a su inteligencia, los interruptores administrados se utilizan a menudo cuando la prevención del tiempo de inactividad es un objetivo principal y cuando la solución de problemas de fallas es útil. Por supuesto, suelen ser más costosos que los interruptores no administrados.

Comparación directa de las características de EtherNet/IP y PROFINET

Las adaptaciones específicas de EtherNet/IP están transformando muchas industrias. Por ejemplo, la industria del embalaje emplea EtherNet/IP para las comunicaciones de alta velocidad, el determinismo y el rendimiento en tiempo real. Las industrias como el procesamiento químico, la automatización tradicional y la generación de energía utilizan EtherNet/IP para cuantificar continuamente la producción. Otras aplicaciones industriales incluyen procesos totalmente automatizados que requieren el recuento y la adquisición de datos en tiempo real para el control. Aquí tanto EtherNet/IP como PROFINET sobresalen en la creación de las redes deterministas que tales aplicaciones requieren.

Considere las calidades de la señal de EtherNet/IP y PROFINET, los tamaños de los mensajes y las tasas de actualización para obtener detalles sobre cómo se diferencian. PROFINET es generalmente más rápido que EtherNet/IP y la mayoría de las veces se implementa con hardware estándar... aunque PROFINET IRT requiere un hardware específico. EtherNet/IP es más interoperable, ya que se basa en la programación orientada a objetos y se apoya en componentes comerciales listos para usar (CotS). De hecho, el uso de componentes y hardware de CotS no muy diferente de las omnipresentes variaciones empleadas en los entornos de oficina significa que EtherNet/IP es muy rentable para la conectividad industrial de alta velocidad. Las economías de escala y la naturaleza intercambiable de gran parte de este hardware ayudan a minimizar al máximo los costos iniciales.

Por el contrario, los componentes preparados para PROFINET pueden integrarse en los buses de campo basados en PROFIBUS, capaces de complementar eficazmente los sistemas existentes sin necesidad de una sustitución completa. La forma en que los dispositivos existentes pueden compartirse y las redes existentes aceptan la adición de hardware complementario tiene ventajas económicas. Aún así, los costos iniciales de las tecnologías PROFINET pueden ser hasta un 15% más que los basados en EtherNet/IP. Ese costo se compensa parcialmente con una instalación más fácil, que se estima que es aproximadamente la mitad de complicada (léase: costosa) que la instalación de Ethernet/IP.

Las topologías y componentes soportados por EtherNet/IP y PROFINET también difieren un poco. La topología de la red es la disposición de los enlaces y nodos de una red. Los enlaces son tecnologías inalámbricas y alámbricas como cable coaxial, de cinta y de par trenzado, así como cable de fibra óptica. Por el contrario, los nodos de la red son concentradores, puentes, conmutadores, enrutadores, módems e interfaces de cortafuegos. Las topologías incluyen star (estrella), line (línea), ring (anillo), daisy chain (cadena de margaritas) y mesh (red).

Las redes EtherNet/IP utilizan principalmente una topología en estrella complementada por otras: La topología de anillo conecta múltiples dispositivos de forma secuencial, aunque si se corta un cable dentro del anillo, cada dispositivo mantiene su camino para controlarlo. La topología de árbol utiliza dispositivos o interruptores cableados con conexiones entre los grupos de dispositivos; cualquier ruptura provoca un algoritmo para determinar el siguiente mejor camino factible para la solución.

La topología de línea de PROFINET utiliza un mínimo de cableado y no hay interruptores externos; las conexiones a cualquier topología de estrella y árbol son a través de interruptores independientes. Aquí si un interruptor de estrella o árbol falla, las comunicaciones a todos los nodos se ven afectadas, lo que puede ser problemático. Así que para asegurar la continuidad de las comunicaciones, PROFINET apoya las topologías con dispositivos añadidos para proporcionar una copia de seguridad de los medios y otros elementos en caso de que un cable o nodo falle.

Obsérvese que las redes EtherNet/IP y PROFINET se despliegan en sistemas bajo control centralizado y descentralizado, y a veces funcionan en sistemas que combinan ambos arreglos de control. Con EtherNet/IP y PROFINET, los sistemas centralizados utilizan un entorno cliente-servidor que tiene un servidor central que conecta uno o más nodos clientes. Los nodos clientes envían las solicitudes al servidor central en lugar de procesarlas por su cuenta, mientras que el servidor se encarga de todo el procesamiento principal. En los sistemas descentralizados, cada nodo ejecuta de forma autónoma su propia lógica. Las acciones finales del sistema son la suma de la lógica de todos los nodos.

Puertas de enlace EtherNet/IP y PROFINET

Las puertas de enlace (ya sean piezas de hardware independientes o integradas con funciones de enrutador, cortafuegos o servidor) controlan el flujo de datos que entran y salen de una red determinada y a veces entre sistemas dispares. Eso incluye algunas pasarelas que están específicamente diseñadas para comunicar E/S entre las redes EtherNet/IP y PROFINET. Para esto último, la mayoría de las puertas funcionan como un dispositivo PROFINET y un adaptador EtherNet/IP para una compatibilidad automática.

Además de su papel principal, las puertas de enlace también pueden descargar el PLC de un sistema de cronometraje de señales, contando, calculando, comparando y procesando tareas. Las pasarelas EtherNet/IP y PROFINET con funcionalidad de enrutador permiten a las computadoras enviar y recibir datos a través de Internet. Hoy en día, las interfaces inteligentes hombre-máquina (HMIs) conectadas a redes a veces hacen doble función como puertas de enalce entre los sistemas de automatización y los controladores también para simplificar la puesta en marcha y el mantenimiento del sistema.

Figura 6: Esta Pasarela de conversión de protocolos de Anybus Communicator facilita la conexión en serie de equipos no conectados a la red a las redes PROFINET. (Fuente de la imagen: HMS Networks)

Conectando las futuras instalaciones de automatización industrial

La conectividad de EtherNet/IP y PROFINET está permitiendo nuevas e innovadoras permutaciones de automatización y controles industriales con una agilidad y funcionalidad IIoT sin precedentes. A medida que el hardware, el software y las tecnologías de conectividad aprovechen EtherNet/IP y PROFINET de nuevas maneras, ayudarán a los sistemas a cumplir con los requisitos de producción industrial cada vez más exigentes.