Inleiding
De industriële Ethernet-protocollen zijn de ruggengraat van de moderne fabricage-automatisering geworden, met een jaarlijkse groei van 12% in netwerkinstallaties in fabrieken in de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk. Against 2026 zal meer dan 85% van de nieuwe automatiseringsprojecten Ethernet-gebaseerde fieldbussystemen implementeren, waardoor verouderde protocollen zoals DeviceNet en PROFIBUS worden vervangen. De keuze tussen PROFINET, EtherCAT en EtherNet/IP heeft een directe invloed op de productiviteit, onderhoudskosten en schaalbaarheid van het systeem voor de komende 15-20 jaar van bedrijfsactiviteiten.
De installatie-ingenieurs worden geconfronteerd met cruciale beslissingen bij het definiëren van communicatieprotocollen voor updates van bestaande installaties (brownfield) en nieuwe installaties (greenfield). Een verkeerde keuze kan leiden tot vertragingen in de cyclustijden van meer dan 2-5 ms, een toename van de integratiekosten met 30-40% en afhankelijkheid van één leverancier, met als gevolg een beperking van de flexibiliteit bij de toelevering van apparatuur in de toekomst.
Historische evolutie
| Jaar | PROFINET | EtherCAT | EtherNet/IP |
|---|---|---|---|
| 1999 | De ontwikkeling van PROFINET is gestart door Siemens/PROFIBUS International. | – | De concepten van ControlNet op Ethernet zijn ontstaan |
| 2003 | De specificatie PROFINET IO v1.0 is uitgebracht | Octrooi op de EtherCAT-technologie is door Beckhoff gedeponeerd | EtherNet/IP v1.0 is door ODVA gepubliceerd |
| 2005 | De standaardisatie IEC 61158/61784 is bereikt | De EtherCAT-technologiegroep is opgericht | Conformiteit met de IEEE 802.3-standaard is vastgesteld. |
| 2010 | PROFINET v2.3 introduceert geavanceerde diagnostische functionaliteiten | EtherCAT G/G10 voor toepassingen met hoge snelheid | De integratie van het CIP-veiligheidssysteem is voltooid. |
| 2015 | De roadmap voor TSN (Time Sensitive Networking) is gedefinieerd. | Een variant van EtherCAT P met Power-over-Ethernet | Gigabit Ethernet/IP-specificaties |
| 2020 | Commerciële implementatie van PROFINET op TSN | Automatisering van conformiteitstests voor EtherCAT | Focussen op cloud- en edge-computing-connectiviteit. |
| 2024 | Geavanceerde integratie van procesbesturing | Verbeteringen van Safety-over-EtherCAT (FSoE) | Geünificeerde architectuur met OPC-UA-convergentie |
Hoe het werkt
PROFINET-architectuur
PROFINET werkt op een standaard-Ethernet-infrastructuur van IEEE 802.3 met behulp van TCP/UDP/IP-protocollen met gespecialiseerde extensies in real-time. De protocolstack implementeert drie communicatieklassen:
- RT (Real-Time): cyclustijden van 1 tot 10 ms met behulp van prioritaire Ethernet-frames
- IRT (Isochronous Real-Time): deterministische cycli <1ms met hardware-ondersteunde schakeling
- NRT (Non-Real-Time): standaard-TCP/IP voor configuratie en diagnostiek.
De fundamentele vergelijking voor de timing van PROFINET-IRT-netwerken:
T_cycle = T_send + T_switch + T_process + T_jitter
Waar T_send het verzendtijd vertegenwoordigt (64-1518 byte per frame), T_switch de latentie van de beheerde schakelaar (typisch 5-10 μs per hop), T_process de verwerkingstijd van het apparaat en T_jitter de tijdsvariaties van het netwerk (<1 μs voor IRT-systemen).
EtherCAT-mechanisme
EtherCAT maakt gebruik van een unieke "on-the-fly"-verwerking, waarbij Ethernet-frames opeenvolgend elke slave-apparaat passeren. De EtherCAT-master verzendt een frame met gegevens voor alle slaves; elk slave-apparaat haalt zijn eigen invoergegevens en voegt uitvoergegevens toe terwijl het frame het passeert, met behulp van een speciale FMMU (Fieldbus Memory Management Unit).
De formule voor de verwerkingstijd:
T_total = T_frame + (n × T_node) + T_return
Waar n het aantal knooppunten vertegenwoordigt (die meestal 65.535 apparaten ondersteunen), T_node een gemiddelde van 1-2 μs per slave heeft, waardoor een synchronisatie van minder dan een microseconde mogelijk is op gedistribueerde I/O-systemen die zich uitstrekken over meer dan 100 meter.
EtherNet/IP-protocolstack
EtherNet/IP maakt gebruik van het Common Industrial Protocol (CIP) op standaard-TCP/UDP-verbindingen, met een producent-consumentmodel voor real-time gegevensuitwisseling. Het protocol maakt gebruik van multicast-UDP voor I/O-berichten en TCP voor expliciete berichten en configuratie.
Prestatiekenmerken in real-time:
- Verbindingen van klasse 1: real-time I/O-gegevens, cyclustijden 1-100 ms
- Verbindingen van klasse 3: expliciete berichten voor configuratie en diagnostiek.
- CIP-veiligheid: geïntegreerde SIL 3/PLe-veiligheidsfuncties in standaardkaders
Huidige stand van zaken
Staat van de kunst PROFINET-oplossingen
Siemens SIMATIC ET 200SP: een gedistribueerd I/O-systeem dat tot 32 module-interfaces ondersteunt, met bescherming IP20/IP65, bedrijfstemperatuur van -40 °C tot +70 °C. De IM 155-6-interface-module biedt 100 Mbps-connectiviteit met een geïntegreerde 2-poorts-schakelaar en geavanceerde diagnostiek conform de IEC 61158-6-norm.
Phoenix Contact Axioline F: een modulair I/O-platform met warm-uitwisselbare modules, conform de PROFINET-klasse B, met typische cyclustijden van 1 ms voor een payload van 128 byte op 32 apparaten.
Geavanceerde EtherCAT-hardware
Beckhoff EK1100/EK1122: EtherCAT-couplers die tot 255 bus-terminals per segment ondersteunen. De EK1122 biedt een 2-poorts-schakelaar met een bandbreedte van 100 Mbps, waardoor lineaire, stervormige en ringtopologieën met automatische redundantie mogelijk zijn.
Omron NX-serie: EtherCAT-gebaseerde I/O-eenheden met een minimale cyclustijd van 0,5 ms, die tot 1024 I/O-punten per coupler ondersteunen en werken in een industriële temperatuurbereik van -25 °C tot +60 °C.
