So sánh Mạng công nghiệp Ethernet/IP với Profinet

Ethernet/IP với Profinet

Ethernet đã cách mạng hóa môi trường công nghiệp bằng cách trao quyền cho các kỹ sư điều khiển với quyền tự chủ và khả năng kiểm soát lớn hơn đối với các quy trình công nghiệp. Tạo điều kiện cho việc giao tiếp hiệu quả giữa các thiết bị, Ethernet trao quyền cho các nhà quản lý sử dụng thông tin chi tiết dựa trên dữ liệu để tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí vận hành. Sự ra đời của Ethernet công nghiệp đã cải thiện đáng kể các khả năng này. Trong số các giao thức dựa trên Ethernet phổ biến nhất là EtherNet/IP và PROFINET.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá Ethernet/IP và PROFINET, xem xét các đặc điểm của chúng và so sánh chúng cho các khía cạnh khác nhau trong mạng công nghiệp.

Ethernet/IP

Ethernet/IP, được phát triển vào cuối những năm 1990 và chính thức ra mắt vào đầu những năm 2000, là một giao thức mạng công nghiệp sử dụng Giao thức công nghiệp chung (CIP) làm cơ sở hạ tầng Ethernet tiêu chuẩn hàng đầu. Giao thức này hoạt động trên lớp ứng dụng mạng và tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp giữa các hệ thống điều khiển và các thiết bị đầu vào-đầu ra (I/O). Giao thức này hoạt động ở lớp trên cùng của các mô hình Kết nối hệ thống mở (OSI) và Giao thức điều khiển truyền/Giao thức Internet (TCP/IP), cho phép trao đổi dữ liệu trong các mạng công nghiệp.

Chuẩn EtherNet/IP, hay E/IP hoặc EIP, là một giao thức được các máy móc trong ngành công nghiệp sử dụng để giao tiếp hiệu quả. Điều thú vị về chuẩn này là nó được phát triển thông qua sự hợp tác của bốn nhóm khác nhau: Hiệp hội nhà cung cấp Open DeviceNet (ODVA), Hiệp hội Ethernet mở công nghiệp (IOANA), Control Net International (CI) và Hiệp hội Ethernet công nghiệp (IEA). Họ hướng đến mục tiêu đưa EIP được chấp nhận rộng rãi như một bộ quy tắc chung cho các mạng Ethernet được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp. Mục tiêu của họ là chứng minh EIP là một tiêu chuẩn đáng tin cậy và toàn diện mà nhiều loại máy móc khác nhau có thể sử dụng trong các nhà máy và môi trường công nghiệp khác.

Cài đặt linh hoạt và cấu trúc mạng

EtherNet/IP hoạt động như một mạng Ethernet tương thích với các tiêu chuẩn IEEE, thích ứng với các kịch bản công nghiệp và các mô hình cấu trúc như cấu hình vòng, sao, tuyến tính và lai. Nó cung cấp tính linh hoạt trong cài đặt với các tùy chọn cho cả cáp đồng và cáp quang. EtherNet/IP linh hoạt, đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau và hỗ trợ các giải pháp chuyên biệt như kết nối không dây và Bluetooth.

Khả năng tương thích với các giao thức Internet chuẩn

Sử dụng giao thức TCP/IP để trao đổi dữ liệu, EtherNet/IP tích hợp với các giao thức Internet chính, bao gồm HTTP, FTP, SNMP và DHCP, cũng như các giao thức công nghiệp tiêu chuẩn như OPC. Khả năng tương thích này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp dữ liệu dễ dàng với các nền tảng IoT, đơn giản hóa giao tiếp và tăng cường khả năng tương tác.

Sự đa dạng của thiết bị và nhà cung cấp

EtherNet/IP kết hợp các giao thức CIP và Ethernet, cho phép giao tiếp thiết bị mà không cần bộ định tuyến hoặc bộ chuyển mạch. Vì Ethernet được áp dụng rộng rãi trong ngành, nên có thể dễ dàng tiếp cận nhiều loại thiết bị thương mại. Hơn nữa, IP và CIP là các giao thức đã được thiết lập tốt, thúc đẩy hệ sinh thái sản phẩm đa dạng từ nhiều nhà cung cấp. Điều này làm giảm sự phụ thuộc vào các sản phẩm dành riêng cho EtherNet/IP và thúc đẩy kết nối giữa các nhà cung cấp, mang đến cho người dùng sự linh hoạt về thời gian và chi phí giao hàng.

An toàn tích hợp

EtherNet/IP có các tính năng an toàn tích hợp trong mạng Ethernet thông qua CIP Safety. Bao gồm các dịch vụ an toàn đáng tin cậy và chẩn đoán ở lớp ứng dụng, CIP đơn giản hóa việc cài đặt mà không yêu cầu phần cứng truyền thông đặc biệt. Các ứng dụng bảo mật CIP cho phép tích hợp trơn tru các thiết bị bảo mật và tiêu chuẩn trên cùng một mạng hoặc dây, mang lại sự linh hoạt hơn và đảm bảo các biện pháp an toàn toàn diện.

PROFINET

PROFINET, được gọi là Process Field Network, đóng vai trò là giao thức mạng công nghiệp dựa trên Ethernet tạo điều kiện trao đổi dữ liệu hiệu quả giữa các thiết bị và bộ điều khiển quá trình. Nó bắt đầu vào đầu những năm 2000 và kể từ đó, nó đã nổi lên như một giải pháp Ethernet công nghiệp được chấp nhận rộng rãi nhất. Về cơ bản, các bộ điều khiển như PLC và DCS quản lý hoạt động, trong khi các thiết bị quá trình bao gồm các thành phần như mô-đun I/O, biến tần và hệ thống thị giác. Giao thức này được PROFIBUS và PROFINET International (PI) hợp tác phát triển cùng với nhiều nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) khác nhau trong lĩnh vực tự động hóa. Được liên kết với tiêu chuẩn Ethernet IEEE 802 trong IEC 61158 và IEC 61784, PROFINET đảm bảo khả năng tương tác mạnh mẽ và tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp. Tính năng chính của PROFINET là giao tiếp dựa trên Ethernet tích hợp, kết hợp nhiều tính năng và chức năng thành một cơ sở hạ tầng cáp thống nhất. Được biết đến với khả năng truyền dữ liệu nhanh cho cả đầu vào và đầu ra, PROFINET tạo điều kiện tích hợp và trao đổi dữ liệu theo thời gian thực, giải quyết hiệu quả các yêu cầu khác nhau của các ứng dụng công nghiệp.

Truyền thông thời gian thực có thể mở rộng

PROFINET tự hào có khả năng giao tiếp thời gian thực đáng chú ý, cho phép trao đổi dữ liệu ở tần số 1µs. Điều này tạo điều kiện cho việc kiểm soát chuyển động chính xác trong các ứng dụng chính xác và tích hợp với các hệ thống Công nghiệp 4.0 bằng cách sử dụng cùng một cáp giao tiếp để trao đổi dữ liệu với máy chủ và nền tảng đám mây.

Tăng cường khả năng sẵn có

PROFINET đảm bảo tính khả dụng cao thông qua các cơ chế phản hồi tự động dự phòng, cho phép các hành động được lập trình dựa trên chẩn đoán thiết bị tại hiện trường. Truyền dữ liệu chẩn đoán không theo chu kỳ cung cấp thông tin chi tiết quan trọng về trạng thái của từng thiết bị, cung cấp tổng quan toàn diện về tình trạng thiết bị và cải thiện đáng kể tính khả dụng của nhà máy.

An toàn tích hợp

PROFINET tích hợp các tính năng an toàn như PROFIsafe, sử dụng mạng để trao đổi các tín hiệu an toàn như nút khẩn cấp và cửa ra vào. Bằng cách truyền các tín hiệu an toàn cùng với dữ liệu quá trình bình thường qua cùng một cáp mạng, PROFIsafe giảm thiểu nhu cầu về các thiết bị an toàn bổ sung, cáp và nỗ lực kỹ thuật, tăng cường độ tin cậy và an toàn trong khi hợp lý hóa các cài đặt.

Cài đặt linh hoạt và cấu trúc mạng

Là mạng Ethernet 100%, PROFINET tuân thủ các tiêu chuẩn IEEE, hỗ trợ nhiều cấu trúc mạng công nghiệp khác nhau như cấu trúc vòng và hình sao. Khả năng tương thích của nó mở rộng đến các loại cáp, bao gồm cáp đồng và cáp quang. PROFINET đủ linh hoạt để hỗ trợ các giải pháp chuyên dụng như Không dây và Bluetooth, giúp nó phù hợp với nhiều tình huống ứng dụng khác nhau.

Ethernet/IP vs. Profinet

Việc so sánh giữa Ethernet/IP và PROFINET là điều cần thiết để hiểu được điểm mạnh và ứng dụng tương ứng của chúng. So sánh chi tiết như sau.

Khả năng mở rộng

Khả năng mở rộng là yếu tố quan trọng khi so sánh Ethernet/IP và PROFINET trong mạng công nghiệp. Cả hai giao thức đều có khả năng mở rộng, nhưng khả năng của chúng khác nhau tùy thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng, khả năng chuyển mạch và cấu hình mạng. Ethernet/IP nổi bật với khả năng hỗ trợ mạng có hàng nghìn thiết bị, phù hợp với các triển khai quy mô lớn. Sử dụng các bộ chuyển mạch Ethernet tiêu chuẩn, Ethernet/IP cho phép tạo ra các mạng mở rộng và phân tán với nhiều bộ chuyển mạch và phân đoạn. Khả năng xử lý luồng dữ liệu lớn này giúp tăng khả năng mở rộng, cho phép hỗ trợ hiệu quả các ứng dụng dữ liệu nặng. Do đó, Ethernet/IP đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, dẫn đến hệ sinh thái đa dạng các thiết bị tương thích.

Mặt khác, PROFINET thể hiện tính linh hoạt trong việc đáp ứng cả mạng vừa và lớn, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế và kiến ​​trúc mạng. Với khả năng hỗ trợ các cấu trúc vòng và đường dây, PROFINET cung cấp các tùy chọn để tối ưu hóa cấu hình mạng dựa trên các trường hợp sử dụng cụ thể. Tính năng nổi bật của PROFINET là khả năng tích hợp trơn tru với các mạng PROFIBUS hiện có, đảm bảo quá trình chuyển đổi hiệu quả và khả năng tương tác hệ thống được nâng cao. Mặc dù PROFINET có thể không sánh được với khả năng mở rộng thiết bị tuyệt đối của Ethernet/IP, khả năng thích ứng và tích hợp của nó khiến nó trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng công nghiệp. Ethernet/IP hỗ trợ các mạng lớn, trong khi PROFINET tích hợp với PROFIBUS, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Khả năng tương thích công nghiệp

Về Khả năng tương thích công nghiệp, cả EtherNet/IP và PROFINET đều cung cấp các tính năng độc đáo dựa trên các thiết bị và cơ sở hạ tầng hiện có. EtherNet/IP, một giao thức chuẩn mở, có ảnh hưởng đáng kể trong sản xuất, đặc biệt là với các thiết bị Rockwell Automation (trước đây là Allen-Bradley). Với vị thế thống lĩnh của Rockwell Automation là nhà cung cấp thiết bị công nghiệp lớn nhất Bắc Mỹ và quan hệ đối tác với các nhà sản xuất khác, EtherNet/IP được nhà cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ trong khu vực này.

Mặt khác, PROFINET tự hào có khả năng tương thích ngược với PROFIBUS, cho phép chuyển đổi liền mạch từ các mạng cũ hơn. Trong khi EtherNet/IP phổ biến trong số các nhà cung cấp Bắc Mỹ, PROFINET được các nhà sản xuất châu Âu như Siemens ưa chuộng. PROFINET đã nhận được sự hỗ trợ đáng kể từ các nhà sản xuất thiết bị ở nước ngoài.

Tính xác định và hiệu suất thời gian thực

Khi so sánh tính xác định và hiệu suất thời gian thực của Ethernet/IP và PROFINET, điều cần thiết là phải phân tích các khả năng tương ứng của chúng trong các ứng dụng công nghiệp. Ethernet/IP đạt được tính xác định và chức năng thời gian thực thông qua Đồng bộ hóa giao thức công nghiệp chung (CIP Sync), đảm bảo tính chính xác về thời gian và các hành động được phối hợp giữa các thiết bị. Ethernet/IP ưu tiên lưu lượng quan trọng về thời gian bằng cách sử dụng các cơ chế Chất lượng dịch vụ (QoS), giảm thiểu độ trễ truyền thông và tăng cường hiệu suất thời gian thực. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là Ethernet/IP dựa trên cơ sở hạ tầng Ethernet tiêu chuẩn như bộ định tuyến và bộ chuyển mạch, nghĩa là chất lượng và cấu hình của các thành phần mạng này có thể ảnh hưởng đến tính xác định và hiệu suất thời gian thực.

Mặt khác, PROFINET tự hào có giao tiếp thời gian thực đẳng thời (IRT), đảm bảo các chu kỳ truyền thông nhất quán và có thể dự đoán được, điều này làm cho nó đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi khắt khe. Giống như Ethernet/IP, PROFINET sử dụng Giao thức thời gian chính xác (PTP) để đồng bộ hóa đồng hồ trên toàn mạng, cho phép phối hợp thời gian chính xác giữa các thiết bị. PROFINET triển khai ưu tiên thiết bị và đặt chỗ kênh để ưu tiên giao tiếp quan trọng và đặt chỗ băng thông cho truyền thời gian thực. Sự kết hợp các tính năng này làm cho PROFINET trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng đòi hỏi tính xác định nghiêm ngặt và hiệu suất thời gian thực. Ethernet/IP và PROFINET đều hỗ trợ tính xác định và chức năng thời gian thực. PROFINET cung cấp các lợi thế với giao tiếp IRT và đồng bộ hóa PTP, trong khi Ethernet/IP cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ thông qua CIP Sync và ưu tiên thiết bị. Lựa chọn phụ thuộc vào nhu cầu ứng dụng.

Khả năng tương tác

Xét về khả năng tương tác giữa EtherNet/IP và PROFINET, cả hai giao thức đều có khả năng tương thích mạnh mẽ, mặc dù chúng sử dụng các phương pháp tiếp cận khác nhau. EtherNet/IP dựa trên việc là một tiêu chuẩn mở dựa trên Ethernet tiêu chuẩn, cho phép tích hợp với các hệ thống và thiết bị CNTT. Khả năng tương thích rộng này mở rộng trên nhiều môi trường và hệ thống khác nhau. EtherNet/IP sử dụng Giao thức công nghiệp chung (CIP), thúc đẩy một khuôn khổ truyền thông thống nhất. Các thiết bị sử dụng CIP có thể giao tiếp hiệu quả với các giao thức khác như DeviceNet và ControlNet, giúp tăng cường khả năng tương tác hơn nữa. Hơn nữa, EtherNet/IP được hưởng lợi từ hệ sinh thái nhà cung cấp đa dạng, cung cấp nhiều loại thiết bị tương thích từ các nhà sản xuất khác nhau, do đó tăng cường khả năng tương tác trong các tình huống có nhiều nhà cung cấp.

Ngược lại, PROFINET đạt được khả năng tương tác thông qua các cơ chế riêng biệt. Khả năng tương thích ngược của nó với PROFIBUS cho phép tích hợp trơn tru vào các cài đặt PROFIBUS hiện có mà không cần phải đại tu hoàn toàn, do đó tiết kiệm thời gian và tài nguyên. PROFINET sử dụng giao tiếp dựa trên cấu hình, trong đó cấu hình thiết bị xác định chức năng và yêu cầu truyền thông, đảm bảo hành vi nhất quán trên các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau. Phương pháp tiếp cận chuẩn hóa này tăng cường khả năng tương tác và đơn giản hóa các nỗ lực tích hợp. PROFINET hỗ trợ tích hợp PROFIsafe, một giao thức truyền thông an toàn tạo điều kiện tích hợp dễ dàng các thiết bị an toàn vào mạng. Tính năng này đặc biệt có lợi cho các hoạt động với nhiều thiết bị quan trọng về an toàn, đảm bảo truyền thông hiệu quả và đáng tin cậy. Cả EtherNet/IP và PROFINET đều cung cấp khả năng tương tác mạnh mẽ nhưng thông qua các phương tiện khác nhau. EtherNet/IP được hưởng lợi từ tiêu chuẩn mở và hỗ trợ rộng rãi của nhà cung cấp, trong khi PROFINET nổi bật với khả năng tương thích ngược, truyền thông dựa trên hồ sơ và tích hợp PROFIsafe.

Bảo vệ

Về mặt bảo mật, cả EtherNet/IP và PROFINET đều được trang bị các tính năng đảm bảo an toàn cho mạng. EtherNet/IP cung cấp bảo mật cổng, ngăn chặn các thiết bị trái phép truy cập dữ liệu có giá trị. Nó cũng cho phép các thiết bị thiết lập danh tính của chúng bằng chứng chỉ kỹ thuật số, tăng cường sự tin cậy và ngăn chặn các cuộc tấn công trung gian. Một tính năng bảo mật quan trọng khác của EtherNet/IP là CIP Security, một giao thức toàn diện đảm bảo tính bảo mật, toàn vẹn và xác thực của dữ liệu thông qua xác thực và mã hóa.

So sánh, PROFINET cung cấp PROFIsafe, được thiết kế riêng để bảo vệ chống lại các trục trặc và lỗi liên quan đến an toàn và đáp ứng các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt. Nó cũng cung cấp bảo mật dựa trên cấu trúc mạng, cho phép cấu hình các đặc quyền truy cập dựa trên cấu trúc mạng, do đó hạn chế quyền truy cập vào một số thiết bị nhất định trong các phân đoạn cụ thể. PROFINET hỗ trợ Danh sách kiểm soát truy cập (ACL), cho phép triển khai các biện pháp kiểm soát truy cập để điều chỉnh giao tiếp với các thiết bị PROFINET cụ thể. Các tính năng bảo mật này đảm bảo rằng cả hai giao thức đều ưu tiên an toàn mạng trong khi giải quyết các nhu cầu bảo mật riêng biệt của môi trường công nghiệp.

Yếu tố chi phí

Có một số yếu tố cần xem xét khi cân nhắc đến chi phí khi triển khai EtherNet/IP hoặc PROFINET. Đối với EtherNet/IP, việc tích hợp liền mạch với cơ sở hạ tầng CNTT giúp giảm thiểu nhu cầu đầu tư thêm thiết bị, do đó giảm tổng chi phí. Hơn nữa, danh mục rộng các nhà sản xuất sản xuất thiết bị tương thích cho phép so sánh giá và lựa chọn thiết bị tiết kiệm chi phí, qua đó nâng cao khả năng chi trả. Các thành phần Ethernet tiêu chuẩn như công tắc, cáp và card giao diện mạng luôn sẵn có và có giá cả cạnh tranh, góp phần nâng cao hiệu quả chi phí.

Tương tự như vậy, PROFINET cung cấp lợi thế về chi phí thông qua nhiều kênh khác nhau. Mạng lưới toàn cầu của các nhà cung cấp thiết bị cung cấp hỗ trợ toàn diện giúp duy trì chi phí chung ở mức thấp. Sự hiện diện của nhiều nhà sản xuất thiết bị hỗ trợ PROFINET thúc đẩy sự cạnh tranh lành mạnh, dẫn đến giá cả cạnh tranh và đảm bảo các thiết bị chất lượng cao. Chi phí phần cứng liên quan đến PROFINET tương đương với EtherNet/IP, với các thành phần sẵn có và giá rẻ.

Tốc độ truyền dữ liệu

Cả Ethernet/IP và PROFINET đều cung cấp các khả năng được điều chỉnh theo yêu cầu ứng dụng cụ thể khi đánh giá tốc độ truyền dữ liệu. Ethernet/IP hỗ trợ Gigabit Ethernet và tốc độ cao hơn, phù hợp với các mạng lớn có nhu cầu truyền thông cao. Điều này tạo điều kiện cho tốc độ truyền dữ liệu cực cao và truyền thông dữ liệu thời gian thực, cho phép đồng bộ hóa đồng hồ và các hành động phối hợp giữa các thiết bị. Các triển khai mới hơn thậm chí có thể hỗ trợ tốc độ lên đến 10 Gbps, nâng cao hơn nữa tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng dữ liệu chuyên sâu.

PROFINET hoạt động trên tốc độ Fast Ethernet (100 Mbps) và Gigabit Ethernet (1 Gbps), đáp ứng nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau với nhiều nhu cầu truyền thông khác nhau. Ngoài việc hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao, PROFINET còn cung cấp giao tiếp Isochronous Real Time (IRT), đảm bảo các chu kỳ truyền thông nhất quán và có thể dự đoán được để truyền dữ liệu quan trọng về thời gian. Ethernet/IP và PROFINET cung cấp khả năng truyền dữ liệu mạnh mẽ cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Ethernet/IP vượt trội trong các mạng tốc độ cao và PROFINET tương thích với nhiều yêu cầu truyền thông khác nhau, bao gồm truyền dữ liệu thời gian thực. Việc lựa chọn giữa hai giao thức này phụ thuộc vào nhu cầu truyền thông cụ thể và yêu cầu về hiệu suất của ứng dụng.

Phần kết luận

Sự so sánh giữa Ethernet/IP và PROFINET cho thấy điểm mạnh và tính phù hợp của chúng đối với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau. Ethernet/IP, với khả năng áp dụng rộng rãi và khả năng tương tác mạnh mẽ, cung cấp khả năng tích hợp với cơ sở hạ tầng CNTT hiện có và hệ sinh thái đa dạng các thiết bị tương thích. Mặt khác, PROFINET nổi bật với khả năng giao tiếp thời gian thực có thể mở rộng, các tính năng an toàn tích hợp và các tùy chọn cài đặt linh hoạt. Cả hai giao thức đều cung cấp các giải pháp an toàn và tiết kiệm chi phí cho mạng công nghiệp, giải quyết các nhu cầu giao tiếp đa dạng của các ứng dụng khác nhau. Cuối cùng, sự lựa chọn giữa Ethernet/IP và PROFINET phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể, khả năng mở rộng mạng, nhu cầu tương tác và tiêu chí hiệu suất. Trong khi Ethernet/IP vượt trội về mạng tốc độ cao và khả năng tương tác, PROFINET cung cấp tính linh hoạt trong thiết kế mạng, giao tiếp thời gian thực và tích hợp an toàn. Bằng cách đánh giá cẩn thận các yếu tố này, người dùng công nghiệp có thể chọn giao thức phù hợp nhất để tối ưu hóa hiệu suất mạng và đáp ứng nhu cầu tự động hóa công nghiệp của họ.