Wszystko, co należy wiedzieć o EtherNet/IP i IIoT

Wobec rosnącej popularności sieci bezprzewodowych, można dziś zaobserwować pewną tendencję do spadku zainteresowania urządzeniami Ethernet. Niemniej sieć Ethernet nadal stanowi integralną część naszego codziennego życia — czy to w przypadku podstawowego połączenia z Internetem, czy urządzeń inteligentnych typu smart TV. Natomiast w środowiskach przemysłowych, Ethernet staje się jednym z czynników znaczącego rozwoju. Pojęcie EtherNet/IP obejmuje powszechnie znany skrót IP, czyli protokół podobny do tego, którego używamy do połączenia z Internetem. Jednak w tym kontekście, jest to protokół przemysłowy — innowacyjne rozwiązanie dostosowane do potrzeb różnych branży.

Urządzenia obiektowe mogą się łączyć przez sieć Ethernet za pomocą kabli i złączy przypominających te, które można znaleźć w naszych domach. Oczywiście, aby móc sprostać trudniejszym warunkom, zastosowania przemysłowe wymagają bardziej wytrzymałych wersji, ale zasada pozostaje ta sama. Krótko mówiąc, już teraz sporo wiemy o tym, jak działają te "nowe" urządzenia Ethernetu przemysłowego. A skoro ta technologia jest dobrze nam znana, to przejdźmy do szczegółów, które ją wyróżniają.

W latach 90. dwudziestego wieku, niewielki zespół pracowników ControlNet International Ltd. rozpoczął prace nad rozwiązaniem, którym po latach stała się dzisiejszy EtherNet/IP. W 2000 r. projektanci zdali sobie sprawę, że do realizacji ich pomysłu konieczne będzie dodatkowe wsparcie. W tamtym czasie finansowanie społecznościowe, czyli tzw. crowdfunding, nie wchodziło w grę, zmuszeni więc byli wybrać sposób bardziej tradycyjny.

W tym celu poprosili o pomoc Open DeviceNet Vendors Association (ODVA), założoną w 1995 r. i zrzeszającą producentów automatyki organizację, która zgodziła się współpracować przy opracowywaniu protokołu EtherNet/IP. W 2009 r., pierwotni pomysłodawcy projektu przekazali organizacji ODVA i jej członkom całą odpowiedzialność za jego realizację. Obecnie ODVA wspiera i promuje protokół Common Industrial Protocol (CIP™), jak również powiązane technologie, w tym ControlNet®, CompoNet® i DeviceNet®.

Oprócz prac nad rozwojem protokołu, ODVA dba o efektywną współpracę pomiędzy dostawcami i systemami, co w automatyce przemysłowej jest dość złożonym wyzwaniem. Aby uprościć integrację i wdrażanie, organizacja opowiada się za wykorzystaniem gotowych, komercyjnych komponentów (COTS) oraz niezmodyfikowanych technologii internetowych i Ethernet.

Oparta na protokole CIP i wykorzystująca model Open Systems Interconnection (OSI) oraz standardowy pakiet TCP/UDP, sieć EtherNet/IP to elastyczna, najlepsza w swojej klasie sieć ethernetowa i otwarty standard IEC. Umożliwia podłączenie, w tej samej sieci, obiektowych czujników, sterowników i systemów sterowania.

Jej zastosowanie jest bardzo szerokie, jest wykorzystywana zarówno w urządzeniach do sterowania mocą (silniki, napędy, softstartery itp.), jak i w układach sterowania dyskretnego (bezpieczne We/Wy, roboty itp.). Możliwości jest mnóstwo, gdyż do sieci można również podłączyć kamery IP, WiFi i telefony IP. Wszystkie te funkcje pokazują, że koncepcja EtherNet/IP jest w pełni gotowa na rozszerzenie IIoT.

Nie będziemy tu opisywać całego standardu, natomiast skupimy się na najważniejszych punktach, które należy znać:

• IEEE 802.3: Standard, Ethernet, protokół precyzyjnej synchronizacji czasu PTP (ang. Precision Time Protocol) (IEEE-1588)
• IEC: Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (ang. International Electrotechnical Commission) – IEC 61158
• ODVA: Protokół CIP (ang. Common Industrial Protocol)
• IETF: Stowarzyszenie IETF (ang. Internet Engineering Task Force), Standardowy protokół internetowy IP (ang. Internet Protocol)

Ponadto, EtherNet/IP dodaje protokół CIP do warstwy sesji, a jednocześnie stosuje się do koncepcji protokołu modelu OSI. Spójrzmy na poniższą tabelę:

Nareszcie mamy do dyspozycji wiele sposobów komunikacji. Warstwa fizyczna pozwala na łączność bezprzewodową, wykorzystanie kabli miedzianych, światłowodów itd. Następnie, w zależności od warstwy fizycznej, warstwa łącza danych umożliwia zastosowanie różnych standardów – na przykład IEEE 802.3 (światłowód), IEEE 802.3 lub 802.1 (kable miedziane) i IEEE 802.11 (Wi-Fi).

Nawet nowa, zaawansowana warstwa fizyczna (Ethernet-APL) ma tylko 2 przewody do zasilania i komunikacji, i to w strefach zagrożonych wybuchem!

Technologia Ethernet przeszła prawdziwą ewolucję, od 10 Mb/s, topologii hierarchicznej i komunikacji półdupleksowej do 100 Mb/s i 1 Gb/s, pełnego dupleksu i topologii gwiazdy opartej na switchach/routerach. Dzięki tej ewolucji, sieci Ethernet zyskały możliwość obsługi kluczowych instalacji przemysłowych.

EtherNet/IP to aktywna infrastruktura, w której segmenty sieci korzystają z połączeń typu punkt-punkt w topologii gwiazdy. Podstawą tej topologii jest połączenie przełączników warstwy 2 i warstwy 3. Te przełączniki obsługują wiele połączeń (nodów) typu punkt-punkt.

Sieć EtherNet/IP może mieć również topologię liniową i pierścieniową, odporną na pojedyncze awarie. W tym celu wykorzystuje wbudowane przełączniki i technologię DLR (ang. Device Level Ring). Te alternatywne topologie można łączyć w celu zoptymalizowania przebiegu kabli i układów komunikacyjnych.

Zamiast zagłębiać się w szczegóły techniczne sieci EtherNet/IP, postaramy się przedstawić je w zwięzłej formie, podsumowując główne zagadnienia za pomocą trzech pytań. Odpowiedzi będą stanowić dobrą podstawę do lepszego zrozumienia, czym jest ta sieć i jakie ma znaczenie.

Jak wiemy, EtherNet/IP opiera się na standardzie TCP/UDP IP, ale co to właściwie oznacza? Protokół sterowania transmisją TCP (ang. Transmission Control Protocol) zapewnia niezawodną, ale dość powolną, pojedynczą (ang. unicast) transmisję danych w pakiecie lub ramce. Z połączeń TCP korzysta na przykład poczta elektroniczna (e-mail) lub przeglądanie stron internetowych. I, podczas gdy TCP doskonale się sprawdza przy przesyłaniu danych diagnostycznych, to protokół pakietów użytkownika UDP (ang. User Datagram Protocol) jest bardziej przydatny do przesyłania danych We/Wy w automatyce lub sterowaniu.

Jeśli teraz przejdziemy na UDP, to okazuje się, że mamy znacznie szybsze połączenie, ale nie mamy gwarancji, czy przesyłane dane dotrą do odbiorcy.  Mamy tu pakiety lub ramki z komunikacją typu unicast (jedno do jednego), multicast (jedno do wielu), czy broadcast (jedno do wszystkich), wykorzystywane np. do streamingów muzycznych lub filmowych.

Tak, EtherNet/IP zaprojektowano w celu umożliwienia współpracy z innymi aplikacjami TCP/IP. Oto kilka przykładów aplikacji TCP/IP, które często można spotkać na rynku:

• HTTP – protokół do przesyłania dokumentów hipertekstowych
• SNMP – podstawowy protokół do zarządzania siecią
• Modbus/TCP
• OPC UA

Sieć składa się z kilku kluczowych typów urządzeń, które umożliwiają komunikację pomiędzy pozostałymi urządzeniami i systemem sterowania. W EtherNet/IP można wyróżnić trzy funkcje, które określają te urządzenia i sposób ich wykorzystania.

• Skaner (Scanner): mapuje zmienne wejściowe i wyjściowe sieci, w cyklach definiowanych za pomocą czasu aktualizacji. Przykładowo: sterowniki PLC i kontrolery
• Urządzenie przesyłania wiadomości (Messaging): obsługuje przesyłanie komunikatów typu explicit (komunikacja jawna), nie obsługuje danych We/Wy w czasie rzeczywistym.. Przykładowo: diagnostyka, narzędzia do konfiguracji sieci, systemy SCADA i HMI
• Adapter: oferuje funkcje specyficzne dla urządzeń z wbudowanym protokołem EtherNet/IP. Przykładowo: czujniki, zawory, bramki.

EtherNet/IP to rodzaj komunikacji cyfrowej, która w znacznym stopniu może poszerzyć nasze horyzonty w zakresie integracji i wykorzystania danych. Zgodnie z koncepcją NAMUR NOA, można pobierać informacje bezpośrednio z sieci, korzystając z urządzenia brzegowego, i następnie wysyłać je do różnych rodzajów usług w chmurze. Na przykład ekosystem Netilion IIoT, oferowany przez Endress+Hauser, obsługuje teraz urządzenia EtherNet/IP na kilka sposobów; przesyłane dane można wykorzystywać w usługach cyfrowych takich jak Netilion Analytics, Netilion Health, Netilion Library oraz Netilion Value, także w przypadku urządzeń innych firm (Netilion Analytics i Netilion Library). Usługi te poszerzają zakres danych, dostarczając potrzebnych informacji bez względu na to, gdzie znajduje się użytkownik. Każda z tych usług ma wiele istotnych zalet, które sprawdzają się w codziennych zadaniach.

Usługi IIoT to łatwy sposób na uzyskanie ważnych informacji z aparatury pomiarowej zainstalowanej na obiekcie. Zapewniają wygodny i bezpieczny dostęp do danych w chmurze, co w efekcie może nie tylko przyspieszyć rozwój każdej branży przemysłu oraz przejście na następny poziom w dziedzinie konserwacji, ale także na przykład zwiększyć wydajność produkcji.