Isolation of Communication Networks in Automation Systems

Abstract

This paper investigates the impact of EtherCAT, EtherNet/IP, and CIP Safety communication protocols—commonly employed in industrial automation systems—on network performance and security. The study particularly focuses on how latency, jitter, and bandwidth sharing affect system stability in time-critical applications. A technical comparison of the protocols is presented: EtherCAT is highlighted for its deterministic architecture and low latency; EtherNet/IP offers high bandwidth flexibility but limited real-time capabilities; and CIP Safety is analyzed for its safety-oriented timing mechanisms. The analysis also underscores the significance of physical switch separation in enhancing both network security and performance. The findings demonstrate that the physical isolation of control, safety, and visualization traffic constitutes a fundamental engineering requirement for ensuring system continuity, safety, and fault tolerance. These insights provide critical design considerations for system architecture, particularly during the transition toward Industry 4.0.

Keywords

• EtherCAT
• EtherNet/IP
• CIP Safety
• Jitter
• Industrial Communication

Otomasyon Sistemlerinde Haberleşme Ağlarının İzolasyonu

Abstract

Bu çalışmada, endüstriyel otomasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılan EtherCAT, EtherNet/IP ve CIP Safety haberleşme protokollerinin ağ performansı ve güvenliği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Özellikle zaman duyarlılığı yüksek sistemlerde, gecikme (latency), jitter ve bant genişliği paylaşımı gibi parametrelerin sistem kararlılığına olan etkisi değerlendirilmiştir. Protokoller teknik açıdan karşılaştırılmış; EtherCAT’in deterministik yapısı ve düşük gecikme süresi, EtherNet/IP’nin yüksek bant esnekliği ancak sınırlı gerçek zamanlılığı ve CIP Safety’nin emniyet odaklı zamanlama yapısı detaylı olarak analiz edilmiştir. Fiziksel switch ayrımının ağ güvenliği ve performansı açısından önemi ortaya konmuştur. Çalışmada elde edilen bulgular, kontrol, emniyet ve görselleştirme trafiğinin fiziksel olarak izole edilmesinin; sistemin sürekliliği, güvenliği ve hata toleransı açısından temel bir mühendislik gerekliliği olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar, özellikle Endüstri 4.0’a geçiş sürecinde sistem mimarisi tasarımında dikkate alınması gereken kritik unsurlar sunmaktadır.

Keywords

• EtherCAT
• EtherNet/IP
• CIP Safety
• Jitter
• Endüstriyel Haberleşme

Supporting Institution

TOYOTETSU Otomotiv Parçaları San. ve Tic. A.Ş.

Thanks

Bu çalışmanın gerçekleştirilmesi sürecinde değerli katkılarını esirgemeyen Toyotetsu Türkiye firmasının Ar-Ge yöneticilerine ve projede birlikte çalıştığımız saha ekibi arkadaşlarıma teşekkür ederim.

References

1. [1] Y. Huang, *Industrial Automation and Control Systems*. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2015.
2. [2] B. Galloway and G. P. Hancke, "Introduction to industrial control networks," *IEEE Commun. Surveys Tuts.*, vol. 15, no. 2, pp. 860–880, 2013, doi: 10.1109/SURV.2012.061412.00101.
3. [3] P. Pop, K. Poulsen, and V. Izosimov, "Deterministic Ethernet-based industrial communication: A review," *J. Ind. Inf. Integr.*, vol. 17, p. 100129, 2020, doi: 10.1016/j.jii.2020.100129.
4. [4] A. Raj, P. Balamurugan, and P. Jayakumar, "Cybersecurity in industrial automation: A review," *Int. J. Adv. Comput. Sci. Appl.*, vol. 10, no. 7, pp. 123–130, 2019.
5. [5] A. Willig, "Recent and emerging topics in wireless industrial communications: A selection," *IEEE Trans. Ind. Inf.*, vol. 4, no. 2, pp. 102–124, 2008.
6. [6] Beckhoff Automation, *EtherCAT – The Ethernet Fieldbus*, Tech. Whitepaper, 2003.
7. [7] International Electrotechnical Commission (IEC), *IEC 61158-3-12: Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 3-12: Data-link layer service definition – Type 12 elements*, 2021.
8. [8] International Electrotechnical Commission (IEC), *IEC 61158-3-12: Digital data communications for measurement and control*, 2021.

9. [9] C. E. Pereira, J. M. M. Fonseca, and J. A. Lima, "Communication in automation: Trends and challenges," *J. Ind. Inf. Integr.*, vol. 5, pp. 1–10, 2017.
10. [10] B. Vogel-Heuser, C. Diedrich, A. Fay, and M. Wollschlaeger, "System architectures, modeling, and simulation for cyber-physical production systems," *Automatisierungstechnik*, vol. 63, no. 10, pp. 777–789, 2015.
11. [11] J. Pereira et al., "A survey on real-time communication and control for industrial automation," *J. Ind. Inf.*, pp. 26–28, 2017.
12. [12] J. Schmidt et al., "Real-time Ethernet – An overview on existing approaches," in *IFAC Proc. Vol.*, vol. 41, no. 2, pp. 130–132, 2008.
13. [13] G. Hegedus et al., "Safe communication over industrial Ethernet – CIP Safety," in *Proc. IEEE ETFA*, pp. 19–21, 2018.
14. [14] ODVA, *CIP Safety on EtherNet/IP Specification*, vol. 2, ed. 1.20, pp. 11–13, 2020.
15. [15] EtherCAT Technology Group, *EtherCAT – The Ethernet Fieldbus*, p. 4, 2020.
16. [16] Beckhoff Automation, *EtherCAT System Description*, p. 6, 2019.
17. [17] ODVA, *EtherNet/IP Overview White Paper*, p. 32, 2021.
18. [18] Schneider Electric, *Ethernet/IP Communication Delay Analysis*, Tech. Rep., p. 5, 2020.
19. [19] ODVA, *CIP Safety on EtherNet/IP Specification*, vol. 2, p. 14, 2020.
20. [20] M. Biehl et al., "Performance aspects of safety over industrial Ethernet," in *Proc. IEEE ISIE*, p. 8, 2018.