EtherNet/IP 與 PROFINET 的比較

隨著各個公司紛紛實現數位連線，工業乙太網路的採用率持續超越其他選擇。在自動化和工業控制系統中採用物聯網 (IoT) 功能，來提升資料的可存取性和可用性的情況，此趨勢尤其明顯。 EtherNet/IP 和 PROFINET 正是此時的首選。

EtherNet/IP 的結構及其越來越廣泛的適用性

EtherNet/IP 是一種工業網路協定，對標準乙太網路採用通用工業協定 (CIP)。此協定在網路應用層上運作 — 在網路的兩個概念模型中，應用層位於「頂端」元件，即面向使用者的分層，以允許控制元件和輸入-輸出 (I/O) 元件之間進行通訊。更具體地說，EtherNet/IP 是開放系統互連 (OSI) 和傳輸控制協定／網際網路協定 (TCP/IP) 模型的頂層。

圖 1：OSI 模型和 TCP/IP 模型是描述網路時最常見的兩個模型。(圖片來源：Design World)

EtherNet/IP 採用：

• 前述的應用層
• 網際網路協定網路層
• 標準乙太網路鏈路層

請注意，EtherNet/IP 中的 IP 是工業協定 (industrial protocol) 的縮寫；指的是一些網路協定，原本開發的目的是允許透過序列連線進行通訊，如 RS-232 和 RS-485，這兩者都是工業資料傳輸的標準。如今，許多此類連線都使用 TCP/IP 等協定透過乙太網路來運作，這在網際網路通訊中相當常見。EtherNet/IP 通訊及其高度標準化的硬體 (包括集線器、交換器、路由器、乙太網路纜線和乙太網路卡)，皆由 IEEE 802.3 傳輸控制協定和網際網路協定定義。

圖 2：由於 EtherNet/IP 在應用層上運作，能在工業控制器與 I/O 之間進行通訊。(NT24k 交換器。圖片來源：Red Lion)

EtherNet/IP 於 2009 年制訂，是在開放式 DeviceNet 廠商協會 (ODVA) 和 ControlNet International (CI) 的合作下，以及 ODVA 及其會員的贊助下誕生。ODVA 本身創立於 1995 年，是個集合多家自動化公司的協會 (包括 Rockwell Automation、Cisco、Schneider Electric、Omron 和 Bosch Rexroth)，致力於促進工業自動化的開放式與互通式通訊。ODVA 的資料顯示，EtherNet/IP 在工業乙太網路中具有最高的採用率，2017 年市佔率為 25%，2018 年為 28%，工業乙太網路節點的出貨量也最多。

目前，針對工業網路採用 CIP 的 ODVA 網路有四個，其中一個就是 EtherNet/IP，其他三個是 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet。

CIP 是一個管道，可以歸納和共享工業裝置中的資料。更具體地說，CIP 使用不同類型的訊息和服務，來交換工業自動化應用中的資料。這些應用包括製程與系統控制、安全、同步、動作、配置，以及資訊應用。CIP 能讓這些應用整合企業級乙太網路和網際網路。這是一個用於製造和工業應用的統一通訊網路，受到全球各地廠商廣泛採用。

對於工業協定，資料會安排為含有資料元素或屬性的物件。這些資料物件通常分為必要物件和應用程式物件。前者存在於每個 CIP 中。

圖 3：EtherNet/IP 和 PROFINET 是最主要的工業乙太網路協定，兩者皆由 ODVA 支援。(圖片來源：ODVA Inc.)

EtherNet/IP 相當容易實作，並且相容於工業自動化的標準乙太網路交換器。然而，EtherNet/IP 的基本形式是非確定性的，因此不適合嚴格的即時工業應用。CIP Motion 可補足 EtherNet/IP，藉由完全符合 IEEE 802.3 與 TCP/IP 乙太網路標準的未經修改乙太網路，協助 EtherNet/IP 滿足確定性即時控制 (包括封閉迴路動作控制) 嚴苛的要求。

使用 CIP Motion 技術補足的 EtherNet/IP 可提供多軸分散式動作控制。不僅能擴充，還可為動作設計提供一個通用的應用介面。

透過 EtherNet/IP 傳輸資料

TCP 和使用者資料包通訊協定 (UDP) 是網際網路以及許多私人網路的基本通訊協定。EtherNet/IP 使用 TCP 連接埠進行所謂的顯式傳訊。顯式傳訊是指系統將資料傳送至用戶端，以回應用戶對該資料的指定請求。其使用 TCP/IP，這是一種連線導向的協定，會明確管理用戶端與伺服器之間的鏈路。TCP 是 TCP/IP 網路的核心，能協助拆分數據封包，讓該數據訊息抵達目的地。請注意，IP 僅處理封包；TCP 則是讓兩個主機建立連線，並交換資料流。TCP 保障資料的傳遞，並確保封包以傳送時的順序來傳遞。

EtherNet/IP 使用 UDP 連接埠進行隱式傳訊。隱式傳訊是指系統通訊依照某個預先排程的時間間隔，從預設的記憶體位置傳送到控制器或其他用戶端。這種通訊遠比顯式傳訊快，而且 UDP 連線 (無驗證接收) 的單向資料傳輸，可簡化週期性系統更新。

PROFINET 的確定性通訊

PROFINET 是另一種技術標準，可指定一種透過工業乙太網路進行資料通訊的模式。PROFINET 對標準乙太網路進行修改，即使在具有挑戰性的應用中，也可確保達到正確及時的資料傳輸。PROFINET 的定義有規定要用什麼方式從工業設備和系統中收集資料，以滿足明確且通常很嚴格的時間限制。PROFINET 衍生自 PROFIBUS，後者是一種用於支援自動化的現場匯流排通訊標準。PROFIBUS 是以工業乙太網路為基礎的典型序列現場匯流排，PROFINET 則進一步納入額外功能，達到更快且彈性的通訊，以控制自動化元件。

圖 4：EtherNet/IP 在美國最為普遍，PROFINET 則在歐洲廣泛採用。(圖片來源：PI North America)

事實上，截至 2018 年，PROFINET 的工業網路市佔率為 30%，成為全球工業自動化領域最主要的乙太網路架構通訊解決方案。每年有超過五百萬個 PROFINET 就緒裝置進入市場。

PROFINET 和 PROFIBUS 通訊是確定性的，因此可用精準的 I/O 結構限制來支援自動化系統，而其指定的 I/O 結構，有助於精準計算最長更新時間。此外，PROFINET 還能提供等時即時 (IRT) 資料交換能力。IRT 基本上運用了 PROFINET 的超精準時脈，來優先排序某幾種資料流量的通行，並對其餘流量進行緩衝。在動作控制等高要求的應用中，以及比起即時作業更需要確定性作業的其他應用中，IRT 的表現很出色。在即時資料交換作業中，匯流排週期時間不到 10 毫秒。相比之下，IRT 資料交換作業只需數十微秒到數毫秒就可完成。

舉例來說，PROFINET 可在包裝與貼標作業中支援資料傳輸，以確保瓶子在不到一秒，甚至僅一毫秒內，便可精準填滿到指定水位。此外，PROFINET 還能對裝瓶製程中的任何異常狀況進行偵測與量化，並向操作人員發出警示，同時立即停止製程。

PROFINET 硬體的附加說明

標準乙太網路只適合住家、辦公室和特定工業監控環境中的資料傳輸。相比之下，PROFINET 的工業乙太網路，適合安裝於需要確定性資料通訊的嚴苛工業設施。PROFINET 纜線與連接器與標準乙太網路採用的纜線與連接器不同，而且包含採用更耐用鎖定機構的連接器以及強固型工業纜線。無論是整合到其他硬體中，還是打造成單獨元件，PROFINET 路由器都是在第三層，即網路層 (參見之前所述的網路模型) 上運作，並使用 IP 位址來通訊。這些路由器連接區域網路 (LAN) 並形成廣域網路 (WAN)，同時使用演算法來決定網路之間最佳的資料傳輸路徑。有些 PROFINET 交換器也會使用光纖連線。這些超快速元件透過閘道器元件，將具備 PROFINET 能力的元件整合到乙太網路 (或 PROFIBUS) 中，以進行銅線對光纖的轉換。

圖 5：在具有振動、高溫、灰塵、油污和其他艱難情況的惡劣嚴苛環境條件下，PROFINET 硬體的表現十分出色。這款 Brad PROFINET IO-Link HarshIO 模組，就是用於 PROFINET 連線式工廠自動化的強固型元件範例。(圖片來源：Molex)

PROFINET 網管型與非網管型交換器

PROFINET 交換器可在前述概念網路模型的第二層，即資料層上運作，可控制資料訊號在網路中的接收與傳輸動作。

非網管型 PROFINET 交換器會透過連接到預期元件端點的適當連接埠，來傳送傳入的乙太網路資料。連接埠或許有 LED 指示燈，可顯示是否有資料流，但這些非網管型交換器通常不會提供更多關於該資料流的資訊，也不會對資料流進行管理。

相比之下，網管型 PROFINET 交換器更加智慧，並可搭配不同的 IT 協定操作，包括用於 PROFINET 的簡易網路管理協定 (SNMP) 和鏈路層發現通訊協定 (LLDP)。由於網管型交換器具有智慧，因此常用於將避免停機視為首要目標的情況，以及故障排除會有幫助的情況。當然，網管型交換器通常也比非網管型交換器貴。

EtherNet/IP 和 PROFINET 特性的直接比較

產業針對 EtherNet/IP 進行的專屬調適正在改變許多產業。舉例來說，包裝產業採用 EtherNet/IP 來達到高速通訊、確定性和即時效能。化學加工、傳統自動化和發電等產業，則使用 EtherNet/IP 來持續量化產出。另外，還有一些工業應用涉及全自動化流程，必須進行計數和即時數據採集，以實行控制。對此，EtherNet/IP 和 PROFINET 都善於建立此類應用所需要的確定性網路。

將 EtherNet/IP 和 PROFINET 的訊號品質、訊息大小和更新速率納入考量，詳細瞭解兩者的區別。PROFINET 通常比 EtherNet/IP 更快，且最常搭配標準硬體進行部署；不過 PROFINET IRT 需要特定的硬體。EtherNet/IP 的互通性更高，因為其以物件導向的編程做為基礎，而且仰賴商用現貨 (CotS) 元件。事實上，使用 CotS 元件與硬體，與辦公室環境中採用的普遍款式並無不同，這表示利用 EtherNet/IP 來達到高速的工業連線，極具成本效益。這種硬體大部分具有規模經濟，而且本質上可互換，有助於將前置成本降至最低。

相比之下，PROFINET 就緒元件能整合到以 PROFIBUS 為基礎的現場匯流排中，從而有效地輔助現有系統，無需全部更換。由於現有元件可以共用，而且現有網路可以增添輔助硬體，因此可享有成本優勢。儘管如此，PROFINET 技術的前置成本，可能比 EtherNet/IP 架構技術高出最多 15%。但安裝更容易，且複雜度大約是 EtherNet/IP 安裝作業的一半 (越複雜越貴)，因此可抵銷一部份的前置成本。

EtherNet/IP 和 PROFINET 支援的拓撲和元件也有些許不同。網路拓撲是網路鏈路與節點的一種排列結構。鏈路分為無線和有線技術，如同軸、帶狀和雙絞線，以及光纖纜線。網路節點則為集線器、橋接器、交換器、路由器、數據機和防火牆介面。拓撲包括星形、直線、環狀、菊鏈和網狀拓撲。

EtherNet/IP 網路主要採用星形拓撲，並搭配其他拓撲：環狀拓撲會依序連接多個元件，即使環狀內某條纜線遭切斷，每個元件依然可維持自己的控制路徑。樹狀拓撲使用的元件或交換器會以有線方式連接，且元件群組之間彼此相連；若發生任何中斷，都會提示演算法決定下一個最可行的解決方案路徑。

PROFINET 的直線拓撲使用最少的纜線，且無需外接交換器；若要連接任何星形和樹狀拓撲，則需透過獨立的交換器進行。若星形或樹狀交換器故障，與所有節點的通訊都會受到影響，而這會造成問題。因此，為了確保通訊持續性，PROFINET 會增添元件來支援拓撲，以在纜線或節點故障時，提供媒體備份和其他元件。

請注意，EtherNet/IP 和 PROFINET 網路是部署在集中式和非集中式控制的系統中，有時則在結合兩種控制方式的系統中運作。藉由 EtherNet/IP 和 PROFINET，集中式系統採用用戶端伺服器環境，並將一個中央伺服器接到一個或多個用戶端節點。用戶端節點會對中央伺服器送出請求，而非自行處理，而伺服器會負責所有主要的處理作業。在非集中式系統中，每個節點會自主執行其本身的邏輯。系統的最終操作是所有節點邏輯的總和。

EtherNet/IP 和 PROFINET 閘道器

無論是獨立式硬體，還是與路由器、防火牆或伺服器功能整合，閘道器都會控制指定網路中的資料進出，有時也會控制不同系統間的資料流。也包括有些專門用來在 EtherNet/IP 和 PROFINET 網路之間傳達 I/O 的閘道器。對於後者，大部分閘道器會當作 PROFINET 元件和 EtherNet/IP 配接器運作，以提供自動相容性。

除了自身的主要角色外，閘道器還可分擔系統 PLC 的負荷，包括訊號計時、計數、計算、比較和處理任務。具備路由器功能的 EtherNet/IP 和 PROFINET 閘道器，能讓電腦透過網際網路傳送與接收資料。如今，連接網路的智慧人機介面 (HMI)，有時還可以兼作自動化系統和控制器之間的閘道器，以簡化系統的調試和維護。

圖 6：這款 Anybus Communicator 協定轉換閘道器，可促進非連網設備以序列方式連接 PROFINET 網路。(圖片來源：HMS Networks)

連接未來的工業自動化設備

EtherNet/IP 和 PROFINET 的連接能力，正以前所未有的彈性和 IIoT 功能，實現自動化和工業控制的創新排列組合。隨著硬體、軟體和連線技術以嶄新方式利用 EtherNet/IP 和 PROFINET，這些技術將協助系統滿足日益嚴苛的工業生產要求。