PROFINET vs EtherCAT: Teknik Karşılaştırma ve Seçim Rehberi

Determinizm. Bir haberleşme sistemi, süreç verisi öngörülebilir zaman sınırları içinde geldiğinde deterministiktir. Ortalama cevabın hızlı olması tek başına determinizm değildir.

Cycle time. Döngüsel süreç verisi alışverişinin tekrar aralığıdır. Sabit bir EtherCAT veya PROFINET cycle time sayısı, protokolün evrensel özelliği olarak yazılamaz.

Jitter. Bir haberleşme veya kontrol döngüsünden diğerine zamanlamadaki sapmadır.

Senkronizasyon. Dağıtık cihazların veya kontrol görevlerinin ortak bir zaman referansında tutulmasıdır.

Senkronize çalışma. Haberleşme ile uygulama zamanlamasının, dağıtık kontrol olayları ortak bir çevrim ve zaman ilişkisine göre oluşacak şekilde koordine edilmesidir.

EtherCAT MainDevice, EtherCAT segmentine bir telegram gönderir. Her SubDevice kendisine adreslenen veriyi okur ve kendi verisini çerçeve cihazdan geçerken ekler. ETG bu davranışı processing on the fly olarak adlandırır. [ETG]

EtherCAT, klasik store-and-forward Ethernet olarak tarif edilmez. Her EtherCAT cihazı kontrolörle ayrı bir Ethernet çerçevesi değiştirmez. Mimari avantaj, birden fazla cihazın süreç verisinin aynı telegram içinde işlenebilmesidir.

EtherCAT segmentinde çerçeveyi aktif olarak gönderen taraf MainDevice’tır. SubDevice çerçeveyi işler ve iletir. ETG’nin güncel terimleri MainDevice ve SubDevice’dır. Eski kılavuzlarda ve kurulu ürünlerde master/slave ifadesi durabilir; ürün adı veya tarihsel doküman burada yeniden adlandırılmaz.

Distributed Clocks, dağıtık cihaz saatlerini senkronlamak için donanım destekli bir EtherCAT mekanizmasıdır. ETG, bu mekanizmayla elde edilen sistem jitter’ının belirgin biçimde 1 µs altında olabildiğini belirtir. [ETG]

Bu cümle, senkronizasyon mekanizmasının kabiliyetidir. Her EtherCAT makinesinin 1 µs altında uygulama jitter’ına sahip olduğu sonucu çıkmaz. Gerçek sistem; kontrolör uygulaması, cihazlar, uygulama görevleri, topoloji, mühendislik ve fiziksel tesisata da bağlıdır.

EtherCAT; hat, ağaç, uygun junction veya branch cihazlarıyla star ve daisy-chain düzenlerini destekler. Birçok EtherCAT cihazı protokolün gerektirdiği iletmeyi kendi içinde taşıdığı için, gerçek zamanlı EtherCAT segmentinin tipik dallandırma elemanı standart bir Ethernet switch değildir. Standart switch, bir EtherCAT mimarisinin hiçbir yerinde bulunamaz diye genellenmez. [ETG]

Yaskawa EtherCAT SERVOPACK dokümantasyonu, CANopen over EtherCAT (CoE) ve CiA 402 sürücü profilinin kullanıldığını doğrular. Sigma-7 EtherCAT dokümantasyonu; temel konum, hız ve tork kontrolü ile senkron konum, senkron hız ve senkron tork kontrolünün EtherCAT haberleşme referansıyla uygulanabildiğini belirtir. Bu liste, her EtherCAT sürücüsünün aynı modları sağladığı anlamına gelmez. [Yaskawa]

Kaynak: Yaskawa Sigma-7S SERVOPACK EtherCAT (CoE) Product Manual, SIEPS80000155; Sigma-X EtherCAT dokümantasyonu.

PROFINET, Siemens ekosisteminde çok yaygındır; ancak PI tarafından standardize edilen, IEC spesifikasyonlarıyla sürdürülen, çok üreticili bir Industrial Ethernet teknolojisidir. Yalnızca Siemens’e ait özel bir protokol olarak tarif edilmez. [PI]

PROFINET RT, birçok PROFINET sisteminde döngüsel otomasyon verisi için kullanılan standart gerçek zaman mekanizmasıdır. Yaskawa Sigma-7 PROFINET kılavuzu, RT Class 1’i senkronize edilmemiş gerçek zamanlı döngüsel haberleşme olarak tanımlar. RT, IRT ile aynı değildir. Olağan PROFINET RT, kendiliğinden senkronize servo/motion kontrolü sağlamaz. [Yaskawa]

PROFINET IRT (Isochronous Real-Time), PI dokümantasyonunda RT Class 3 ile ilişkili, sıkı zaman senkronizasyonu gerektiren gerçek zamanlı iletişim yaklaşımıdır. Sıkı senkron döngüsel haberleşme isteyen uygulamalar, yüksek performanslı motion dahil, bu sınıfın konusudur. PI, IRT segmentinde senkron giriş ve çıkış zamanlamasını tarif eder. [PI]

PROFINET’in motion kabiliyeti değerlendirilirken RT ile IRT ayrımı yapılmalıdır. IRT, senkronize IRT haberleşmesi ve senkron motion gereksinimleri için tasarlanmış PROFINET çalışma sınıfıdır. PROFINET motion yapamaz veya deterministik değildir demek teknik olarak yanıltıcıdır.

Kaynak: PI, Isochronous Mode Guideline, sürüm 1.3, sipariş no. 7.192.

PROFINET over TSN, Layer-2’de standart IEEE Time-Sensitive Networking mekanizmalarını kullanır. TSN, PROFINET’in yerini almaz. Döngüsel veri, döngüsel olmayan veri, alarm, tanılama ve parametrizasyon PROFINET’in otomasyon servisleri olarak kalır. PI, PROFINET over TSN’in RT ve IRT gibi mevcut yaklaşımların yanında kullanılan Ethernet katmanı gerçek zaman mekanizmalarını tamamladığını belirtir. [PI]

Kaynak: PI, PROFINET over TSN Guideline, sürüm 1.31, sipariş no. 7.252.

EtherCAT mühendisliğinde cihaz tanımı ESI dosyasıyla yapılır. PROFINET cihazları, mühendislik ve yapılandırma için GSDML cihaz tanım dosyası kullanır. Yaskawa/VIPA dokümantasyonu, SLIO ürünleri dahil PROFINET cihazları için GSDML sağlar. Dosyanın XML iç yapısı bu karşılaştırmanın konusu değildir.

Hayır. EtherCAT servo sistemlerinde CoE, yaygın olarak CiA 402 sürücü profili anlamını taşır. Atıf yapılan Yaskawa cihazlarında bu profil desteklenir; her EtherCAT sürücüsünün CiA 402 kullandığı genellemesi yapılmaz.

PROFINET sürücü sistemlerinde karşılık gelen standart profil PROFIdrive’dır. PI, PROFIdrive’ı üreticiden bağımsız bir arayüz ve davranış modeli olarak tanımlar. Merkezi motion için PROFIdrive uygulama sınıfları 4 ve 5, senkron kontrol mimarileriyle ilişkilidir; PI dokümantasyonu bu tür merkezi motion uygulamaları için saat senkronizasyonu gereksinimini tarif eder. Her PROFINET sürücü her PROFIdrive uygulama sınıfını desteklemez. [PI] [Yaskawa]

Kaynak: PI, PROFIdrive System Description. Yaskawa Sigma-7 ve Sigma-X EtherCAT dokümantasyonu.

EtherCAT ekosisteminde fonksiyonel emniyet haberleşmesi Safety over EtherCAT, kısa adıyla FSoE’dir. ETG, FSoE’nin IEC 61784-3 CPF12 / ETG.5100’de tanımlandığını ve uygun sertifikalı bir emniyet sisteminin içinde SIL 3’e kadar emniyet haberleşmesine uygun olduğunu belirtir. [ETG]

PROFINET ekosisteminde karşılık PROFIsafe’tir. PI, PROFIsafe’i PROFIBUS ve PROFINET ile kullanılan fonksiyonel emniyet haberleşme teknolojisi olarak tanımlar; standart IEC 61784-3-3’tür. [PI]

FSoE veya PROFIsafe etiketi, makineyi tek başına SIL 3 yapmaz. Emniyet bütünlüğü; tüm emniyet mimarisine, sertifikalı cihazlara ve uygulama tasarımına bağlıdır.

PROFINET tarafında PI, MRP’yi (Media Redundancy Protocol) temel halka yedekliliği olarak tanımlar ve seamless olmadığını belirtir. Zaman-kritik IRT verisinin seamless ortam yedekliliğiyle taşınması gerekiyorsa MRPD (Media Redundancy for Planned Duplication) ayrıca gerekir. Ortam yedekliliği, kontrolör veya sistem yedekliliğiyle karıştırılmamalıdır. [PI]

Kaynak: PI, PROFINET Media Redundancy Guideline, sürüm 1.03, sipariş no. 7.212.

EtherCAT; hat, ağaç ve star düzenlerinin yanında, MainDevice veya kontrolör ile donanım özelliği desteklediğinde kablo yedekliliği mimarilerini de destekler. Her EtherCAT sisteminin otomatik olarak yedekli olduğu söylenemez.

Yaskawa iCube Control / iC9226, bir makine kontrol platformudur. Güncel iC9226 kontrolör dokümantasyonu ağ master’ını EtherCAT olarak listeler. Desteklenen EtherCAT servisleri arasında CoE, FoE ve EoE vardır. FSoE modeli ayrıca EtherCAT Safety / FSoE destekler. Aynı dokümantasyon saha ve ağ desteğinde PROFINET IO RT, EtherNet/IP, Modbus TCP ve OPC UA’yı da listeler. iC9226 için 64’e kadar gerçek senkron eksen ve 64’e kadar sanal eksen belirtilir. Bu sayılar protokolün genel eksen limiti değil, atıf yapılan kontrolör dokümantasyonunun liste değerleridir. [Yaskawa]

Mühendislik yorumu şudur: Yaskawa, iCube üzerinde yüksek performanslı motion ağını EtherCAT olarak kurarken diğer otomasyon ekipmanıyla birlikte çalışmak için PROFINET IO RT’yi de destekleyebilir. iCube, PROFINET’in kötü olduğunu göstermez. İki protokolün birbirinin mutlak alternatifi olmadığını gösterir. Aynı kontrolör, sıkı senkron motion tarafında EtherCAT’i master network olarak kullanırken PROFINET IO RT’yi diğer saha ve otomasyon cihazlarıyla entegrasyon için destekleyebilir.

Sigma-X referansı

Güncel Yaskawa Sigma-X EtherCAT SERVOPACK dokümantasyonu EtherCAT haberleşmesi, CoE, CiA 402 ve iCube Control ile entegrasyonu belirtir. Sigma-X burada ürün makalesi değil, iCube etrafındaki EtherCAT motion mimarisinin güncel ürün örneğidir. [Yaskawa]

Kaynaklar: Yaskawa iCube Control broşürü, doküman BL.iCube.01; Yaskawa Europe iC9226M-EC ve iC9226M-FSoE dokümantasyonu; Sigma-X SGDXS / SGDXW EtherCAT dokümantasyonu.

Her SLIO CPU’nun iki protokolü aynı rolde desteklediği varsayılmaz. Örnekler ürün bazındadır.

CPU 015N: EtherCAT örneği

SLIO CPU 015N, sipariş numarası 015-CEFNR00. Yaskawa Europe verisi; tümleşik EtherCAT Controller, EtherCAT Master arayüzü, 4 / 8 / 20 eksen için isteğe bağlı tümleşik motion controller, Ethernet haberleşmesi, SmartPROFINET I-Device kabiliyeti ve desteklenen donanım revizyonunda OPC UA server listeler. Bu CPU, EtherCAT ve isteğe bağlı tümleşik motion’ın merkezde olduğu bir kontrol örneğidir. [Yaskawa]

CPU 017PN: PROFINET örneği

SLIO CPU 017PN, sipariş numarası 017-CEFPR00, PROFINET IO controller arayüzü sağlar. PROFINET merkezli bir kontrolör seçimi örneğidir. Doğrulanmış kaynak bunu IRT motion kontrolörü olarak tanımlamadığı için bu sayfa da tanımlamaz. [Yaskawa]

SLIO remote I/O

Yaskawa SLIO remote I/O portföyünde hem EtherCAT hem PROFINET arayüz seçenekleri vardır. PLC veya motion kontrolör seçimi ile remote I/O fieldbus seçimi, marka adından değil ürün seviyesinden okunmalıdır.

Yaskawa Sigma-7’nin ayrı EtherCAT ve PROFINET haberleşme varyantları vardır. EtherCAT varyantında dokümantasyon CoE / CiA 402’yi ve senkron konum, hız ve tork modlarını tarif eder. PROFINET varyantında Yaskawa Europe dokümantasyonu, atıf yapılan uygulama için PROFINET IO RT / RT Class 1 belirtir ve IRT’nin desteklenmediğini yazar.

Sigma-7 PROFINET servo değildir denemez; bir servo yükselticisidir. Doğru cümle şudur: atıf yapılan Sigma-7 PROFINET uygulaması, PROFINET IRT yerine senkronize edilmemiş RT Class 1 kullanır. Tasarımcı, PROFINET etiketinden IRT tipi senkron motion desteği çıkarmamalıdır. Protokol kabiliyeti, cihaz uygulaması değildir.

Aşağıdaki başlıklar sıralama değildir. Bir senaryoda doğal aday olmak, diğer protokolün teknik olarak imkansız olduğu anlamına gelmez.

Çok eksenli senkron paketleme makinesi

Elektronik kam, interpolasyon, birden fazla sıkı koordineli servo ekseni ve düşük jitter isteniyorsa, seçilen kontrolör ve sürücüler gerekli modları desteklediği sürece Distributed Clocks kullanan bir EtherCAT mimarisi doğal adaydır. Yaskawa iCube ile Sigma-X EtherCAT bu tür bir mimari örneğidir. PROFINET IRT’nin senkron motion yapamayacağı söylenmez.

Mevcut PROFINET tesisi

Tesis PROFINET standardındaysa, bakım ve tanılama bu ekosisteme kuruluysa ve dağıtık I/O, sürücüler, HMI ve SCADA entegrasyonu aynı ağda duruyorsa, zamanlama ihtiyacı karşılandığı sürece PROFINET’te kalmak entegrasyon, yedek parça, eğitim ve bakım karmaşıklığını azaltabilir. EtherCAT iyi motion performansı verebiliyor diye mevcut standardı terk etmek gerekmez.

Basit konveyör veya proses makinesi

İş, sürücü hız kontrolü, dağıtık I/O ve görece gevşek çevrim ihtiyacıysa her iki teknoloji de fiili zamanlama ihtiyacının üzerinde kalabilir. Belirleyici olan PLC ekosistemi, tesis standardı, cihaz bulunabilirliği, devreye alma becerisi, yedek parça ve lifecycle desteği olabilir.

Karma mimari

Protokoller makine ve tesis düzeyinde her zaman birbirini dışlamak zorunda değildir. iCube örneğinde EtherCAT senkron makine ve motion ağı olabilir; PROFINET IO RT aynı anda diğer ekipmanla entegrasyon için listelenir.

Tek bir sayı ile EtherCAT daha hızlıdır veya PROFINET daha hızlıdır demek teknik olarak doğru değildir. Sonuç; karşılaştırılan PROFINET çalışma sınıfına, node sayısına, process-data boyutuna, topolojiye, kontrolör ve cihaz uygulamasına ve test yöntemine bağlıdır.

Prytz, 2008

Gunnar Prytz, “A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT” çalışmasında EtherCAT ile PROFINET IRT’yi tanımlı senaryolarda modeller ve karşılaştırır. İncelenen durumlarda EtherCAT için gerçek zaman performans avantajı raporlar. Çalışma 2008 tarihlidir. Sayısal sonuçları 2026’daki her PROFINET uygulamasının temsilcisi saymak doğru değildir; PROFINET o tarihten sonra gelişmiştir. [Prytz 2008]

Wu ve Xie, 2019

Xuepei Wu ve Lihua Xie, ağ bağlantılı kontrol uygulamalarında EtherCAT, PROFINET IRT ve EtherNet/IP’yi değerlendirir. Farklı çerçeve paketleme ve ortam erişim mekanizmalarının farklı haberleşme gecikmeleri ve kontrol performansı ürettiğini gösterir. Bundan çıkan sonuç, mimarinin ağ gecikmesini ve ağ üzerinden kontrol performansını değiştirebildiğidir. Mutlak kazanan ilanı değildir. [Wu & Xie 2019]

Bui ve Ngo, 2023

The Tri Bui ve Ha Quang Thinh Ngo, merkezi olmayan ağdaki tek eksen slave kontrolörünün gerçek zaman performansını modeller. Karşılaştırmalar EtherCAT ve PROFINET IRT’yi içerir. İncelenen senaryolarda, özellikle node veya cihaz sayısı ile veri alışverişi haberleşme yükünü etkiledikçe, EtherCAT için daha düşük overhead ve daha iyi gerçek zaman performansı raporlanır. Kapsam, analiz edilen senaryolardır. [Bui & Ngo 2023]

Performans tablolarını neden doğrudan kopyalamıyoruz?

EtherCAT eşittir 100 µs, PROFINET eşittir 1 ms gibi sabit bir ikili evrensel gerçek değildir ve bu sayfada yoktur. Fiili cycle time; node sayısı, process-image boyutu, topoloji, kontrolör, cihaz uygulaması, senkronizasyon modu, istenen kontrol görevi ve ağ yapılandırmasına bağlıdır.

Sert zaman değerleri yalnızca belirli bir standart, kaynak veya ürüne bağlandığında yazılır. ETG, Distributed Clocks mekanizmasındaki sistem senkronizasyon jitter’ının belirgin biçimde 1 µs altında olabildiğini belirtir. Bu, Zenisa’nın her tesis için verdiği garanti değil, ETG’nin teknoloji ifadesidir. Atıf yapılan Yaskawa Sigma-7 PROFINET dokümantasyonu o ürün için RT Class 1 tarif eder ve IRT’nin desteklenmediğini açıkça yazar.

Aşağıdaki iki çizim basitleştirilmiş örneklerdir. Zorunlu topoloji değildir. PROFINET, entegre switch’li cihazlarla hat ve MRP ile halka da kullanabilir. EtherCAT, uygun EtherCAT bileşenleriyle hat, ağaç ve star benzeri düzenler kullanabilir.

Bir protokol her tesiste daha kolaydır denemez. Mühendis, araç menüsünün marka adına göre değil, aşağıdaki başlıklara bakar.

EtherCAT tarafında bakılanlar: EtherCAT durumu, topoloji, link hataları, Distributed Clocks ve senkronizasyon durumu, ESI uyumu, fiziksel katman ve EMC.

PROFINET tarafında bakılanlar: cihaz adı, IP ve ağ yapılandırması, GSDML yapılandırması, cihaz ve kontrolör tanıları, topoloji, desteklendiği yerde LLDP ile ilgili topoloji bilgisi, RT/IRT yapılandırması, kullanılıyorsa MRP, fiziksel katman ve EMC.