#7 Protokol Komunikasi yang digunakan di Industri

Dalam otomasi industri, protokol komunikasi industri mengatur cara perangkat seperti PLC, sensor, dan aktuator saling bertukar data. Beberapa protokol paling umum mencakup Modbus, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen, DeviceNet, EtherCAT, dan Fieldbus. Masing-masing memiliki karakteristik teknis, sejarah, cara kerja, serta kelebihan dan kekurangan berbeda. Artikel ini menjelaskan tiap protokol secara rinci dan membandingkannya berdasarkan kecepatan, skalabilitas, kompatibilitas, kemudahan integrasi, dan dukungan perangkat.

Modbus

Gambar: Topologi jaringan Modbus RTU tipikal, dengan satu master (server) dan beberapa PLC slave terhubung pada jaringan serial RS-485. Modbus adalah protokol komunikasi serial yang sederhana dan banyak digunakan. Dikembangkan oleh perusahaan Modicon (sekarang Schneider Electric) pada tahun 1979, Modbus awalnya dirancang untuk menghubungkan PLC. Protokol ini menggunakan model master-slave (atau client-server): satu perangkat master mengirimkan permintaan ke satu slave, dan slave tersebut merespons. Ada beberapa varian Modbus, seperti Modbus RTU (format biner serial), ASCII (format karakter), dan Modbus TCP (atas Ethernet/IP).

Cara kerja Modbus sederhana: paket pesan berisi alamat slave, fungsi yang diminta, dan data. Contohnya, master bisa meminta nilai register I/O dari sensor. Topologinya biasanya berbentuk bus linier dengan media fisik RS-485 untuk Modbus RTU (hingga puluhan node) atau jaringan Ethernet standar untuk Modbus TCP. Modbus RTU sangat umum pada sistem SCADA dan otomasi proses karena sifatnya yang terbuka, ringan, dan mudah diimplementasi.

Kelebihan Modbus termasuk pengkodean yang simpel, pengoperasian terbukti (decades), dan banyak vendor mendukungnya. Karena standar terbuka, banyak perangkat sudah built-in Modbus. Namun, kekurangannya juga jelas. Modbus RTU hanya mendukung satu master tunggal yang memerintah komunikasi; semua slave harus menunggu permintaan master sebelum merespons, sehingga latensi bisa terjadi dalam sistem kompleks. Modbus juga tidak memiliki time-stamping sehingga kurang cocok untuk logging peristiwa yang presisi waktu. Kecepatan Modbus RTU dibatasi oleh baud rate serial (umumnya hingga 115.2 kbps), sedangkan Modbus TCP dapat berjalan hingga kecepatan Ethernet (100 Mbps) namun membagi bandwidth dengan trafik jaringan lainnya. Meskipun terbatas, Modbus tetap populer karena stabil dan kompatibel luas.

Aplikasi umum: Modbus banyak digunakan di sistem kontrol lama dan SCADA, seperti pengendalian pompa, HVAC, dan otomasi bangunan. Karena kestabilannya, Modbus sering dipakai untuk monitoring dan pengukuran sederhana, misalnya menghubungkan sensor arus, suhu, atau level ke PLC atau SCADA system.

PROFINET

PROFINET (PROcess FIeld NETwork) adalah protokol Ethernet industri standar IEC yang dikembangkan oleh organisasi PROFIBUS & PROFINET International (PI). Diperkenalkan pada awal 2000-an (sekitar 2003), PROFINET dirancang untuk komunikasi waktu nyata pada otomasi pabrik. Profinet menerapkan komunikasi controller-device (atau IO-Controller dan IO-Device): biasanya PLC atau DCS bertindak sebagai controller, sementara IO-Device adalah modul IO, sensor, aktuator, atau drive.

Secara teknis, PROFINET berjalan di atas Ethernet 100 Mbps full-duplex standar. Jaringan PROFINET sangat fleksibel: mendukung berbagai topologi (line, ring, star, atau gabungan) dengan switch atau hub biasa. Protokol ini memiliki kelas kinerja berjenjang (Conformance Class) yang menyediakan komunikasi normal (RT – Real-Time) hingga kelas paling ketat (IRT – Isochronous Real-Time) untuk aplikasi gerakan presisi. PROFINET juga mendukung standar diagnostik dan keamanan, termasuk TOPologi otomatis dan ProfiSafe untuk komunikasi aman.

Kelebihan PROFINET meliputi determinisme tinggi (RT/IRT), integrasi kuat dengan perangkat lapangan (profil GSD dan standar IEC), serta kemampuan redundansi (ring redundancy) untuk keandalan tinggi. Ia juga kompatibel dengan infrastruktur Ethernet umum dan menawarkan bandwith yang besar. Namun, kekurangannya termasuk biaya awal yang lebih tinggi dan kompleksitas konfigurasi lebih besar dibanding protokol sederhana. Misalnya, perangkat dan software khusus (sesuai kelas kinerja) diperlukan, sehingga biaya perangkat keras bisa lebih mahal. PROFINET dominan di Eropa (terutama ekosistem Siemens) dan kurang umum di luar sana.

Aplikasi umum: PROFINET banyak digunakan di otomasi pabrik modern, terutama dalam sistem PLC Siemens. Contoh aplikasi termasuk kendali proses manufaktur, robotika, pengemasan, serta sistem yang menuntut sinkronisasi tinggi (misalnya kendali gerakan linier atau koordinasi multi-robot).

Ethernet/IP

EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) adalah protokol Ethernet yang mengadaptasi Common Industrial Protocol (CIP) ke dalam jaringan Ethernet standar. Pengembangannya dipelopori oleh Allen-Bradley/Rockwell dan kini dikelola oleh organisasi ODVA. Ethernet/IP menggunakan infrastruktur IP (TCP/UDP, IEEE 802.3) untuk menyediakan layanan kontrol dan informasi industri. Ini adalah salah satu protokol industri terkemuka, terutama di Amerika Utara, dengan penerapan luas dalam aplikasi factory, hybrid, dan proses.

EtherNet/IP beroperasi di lapisan aplikasi (layer 5–7 OSI) di atas Ethernet standar, sehingga arsitekturnya mirip jaringan IP biasa. Pengguna dapat memilih kecepatan fisik 10/100/1000 Mbps sesuai kebutuhan. Topologi umumnya star dengan switch Ethernet, atau linear. Protokol ini mendukung Mode Scanner (master) dan Adapter (slave), dengan Implicit Messaging (I/O cyclic melalui UDP) dan Explicit Messaging (perintah konfigurasi via TCP) pada CIP. Contohnya, PLC Rockwell berkomunikasi dengan modul IO melalui Ethernet/IP Scanner-Adapter model.

Kelebihan EtherNet/IP termasuk fleksibilitas tinggi dan ekosistem vendor luas (banyak perangkat sertifikasi ODVA). Penggunaan infrastruktur Ethernet/IT memungkinkan integrasi enterprise dan IIoT. Network EtherNet/IP mendukung Device Level Ring (DLR) untuk redundansi dan fungsi QuickConnect™ untuk hot-swapping perangkat. Kekurangannya, arsitektur berbasis Ethernet membuat determinisme asli terbatas; untuk aplikasi real-time keras diperlukan fitur tambahan (CIP Sync/CIP Motion). Juga, desain jaringan harus hati-hati menghindari collision dan latency.

Aplikasi umum: Ethernet/IP banyak ditemui di pabrik-pabrik berbasis sistem Allen-Bradley/Rockwell. Aplikasi khas meliputi kendali mesin, panel kontrol, penginderaan, dan skenario multi-vendor yang memanfaatkan protokol IP industri.

CANopen

CANopen adalah protokol komunikasi berorientasi data frame yang dibangun di atas protokol CAN (Controller Area Network) standar ISO 11898. CAN sendiri distandarisasi pada tahun 1993, sedangkan CANopen diperkenalkan pada 1995 oleh organisasi CiA (CAN in Automation). CANopen dirancang untuk mendukung interoperabilitas perangkat industri secara “off-the-shelf”. Awalnya dipakai untuk kendali mesin gerak (motion control), CANopen kini luas digunakan dalam kendali motor (servo/stepper), robotika, otomasi kendaraan, dan banyak lagi.

Cara kerjanya: CANopen menerapkan arsitektur master/slave atau model producer/consumer. Biasanya terdapat satu NMT Master untuk manajemen jaringan, tetapi komunikasi I/O sendiri bersifat multi-master CAN standar (dengan prioritas arbitration). Setiap node CANopen memiliki node-ID (7-bit, hingga 127 node) dan menggunakan objek layanan standar (SDO untuk konfigurasi point-to-point, PDO untuk data siklik) serta pengelolaan object dictionary (kamus data) yang distandarisasi. Fisikanya menggunakan bus CAN twisted-pair dengan bit rate hingga 1 Mbit/s, meski kecepatan tinggi mempengaruhi panjang bus (pada 1 Mbit/s, panjang trunk umumnya <20 meter). Topologinya biasanya linear (bus) dengan terminator di kedua ujung.

Kelebihan CANopen adalah desain protokol yang ringkas, tahan-gangguan, dan mendukung sinkronisasi waktu (SYNC, TIME stamp). Juga bersifat multivendor; banyak produsen motor dan perangkat kendaraan mendukung standar CiA 301. Kekurangannya kecepatan terbatas (maks ~1 Mbit/s) dan jarak yang relatif pendek. Jumlah node maksimal 127, sehingga kurang cocok untuk jaringan sangat besar. Selain itu, implementasi CANopen memerlukan pemahaman tentang PDO/SDO dan object dictionary.

Aplikasi umum: CANopen sering dipakai di bidang otomasi industri ringan dan kendaraan khusus. Contohnya kendali motor servo/stepper di robotik, elevator, lift, alat kesehatan (MRI, CT), serta kendaraan pertanian atau konstruksi. Keandalannya menjadikannya protokol favorit untuk sistem yang mengutamakan integritas data dengan jumlah node sedang.

DeviceNet

DeviceNet adalah protokol fieldbus multi-drop yang juga dibangun di atas CAN dan menggunakan CIP (Common Industrial Protocol) seperti Ethernet/IP. Pertama kali dikembangkan oleh Allen-Bradley/Rockwell dan menjadi standar ODVA pada akhir 1990-an, DeviceNet menetapkan application layer di atas CAN (fisiknya bisa mencapai 500 kbit/s). Protokol ini mendukung suplai daya plus sinyal pada kabel yang sama, yang membuatnya populer untuk sambungan sensor/aktuator.

Arsitektur DeviceNet adalah bus linier: kabel utama (trunk) dengan drop line atau kabel percabangan ke perangkat. Kecepatan yang umum adalah 125, 250, atau 500 kbps, dengan panjang jaringan berbanding terbalik terhadap bit rate (semakin cepat, semakin pendek jarak trunk). Setiap node memiliki MAC ID (0–63, maksimal 64 node). Komunikasi bersifat master-slave atau peer-to-peer (banyak sistem lebih cenderung master-slave). ODVA mengelola spesifikasi DeviceNet, termasuk uji konformansi vendor.

Kelebihan DeviceNet termasuk kemudahan integrasi dengan ekosistem Rockwell (banyak perangkat Allen-Bradley), dan protokol yang tangguh untuk I/O digital (termasuk perangkat keselamatan). Protokol ini juga relatif sederhana karena menggunakan CIP standar. Kekurangannya, kecepatan rendah dibanding Ethernet, jumlah node terbatas (64), dan panjang kabel yang terbatas (misal ~100 m pada 500 kbps). Kini penggunaannya berkurang karena protokol Ethernet modern lebih cepat.

Aplikasi umum: DeviceNet banyak dipakai pada 2000-an di pabrik otomotif, pengemasan, dan peralatan fabrikasi: misalnya menghubungkan sensor, aktuator, motor kecil, dan perangkat I/O di jantung mesin. Saat ini, kendati pengguna baru menurun, masih ada instalasi lama DeviceNet yang mendukung sensor dan aktuator industri.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) adalah protokol Ethernet industri berperforma tinggi. Diciptakan oleh Beckhoff Automation dan diperkenalkan pada Pameran Hannover 2003, EtherCAT kini dikelola oleh EtherCAT Technology Group dan sudah menjadi standar IEC 61158. Protokol ini dirancang khusus untuk sistem kontrol real-time dengan jutaan I/O data kecil pada siklus sangat cepat.

EtherCAT bekerja dengan cara unik: master mengirim satu frame Ethernet berurutan, dan setiap slave (node) mengambil data yang dituju dalam frame tersebut saat frame mengalir lewat (proses disebut processing on the fly). Slave tidak membuat frame baru, melainkan hanya menempelkan/mengambil data pada frame lalu meneruskannya. Hanya master yang berhak mengirim frame, mencegah tabrakan data. Kelebihan mekanisme ini adalah latensi sangat kecil dan efisiensi bandwidth maksimal. EtherCAT juga menggunakan distributed clock: setiap node menandai waktu terima dan kirim data, sehingga master dapat menghitung latensi per node dan mensinkronisasi waktu dengan presisi sub-mikrodetik. Topologi EtherCAT bisa linier atau ring (dengan port loopback otomatis) serta kombinasi star/tree. Jarak antar node mengikuti standar Ethernet (maks 100 m antar switch), dan satu segmen EtherCAT bisa mendukung hingga 65.535 perangkat – artinya skalabilitasnya nyaris tidak terbatas.

Kelebihan EtherCAT adalah throughput sangat tinggi (100 Mbps fisik), determinisme unggul, serta fitur diagnostik/fault-tolerance bawaan (misalnya jaringan tetap hidup meski satu kabel putus). Selain itu, EtherCAT bisa menangani campuran trafik kontrol real-time dan komunikasi TCP/IP dalam frame yang sama, tanpa membutuhkan pengalamatan IP untuk tiap slave. Kekurangannya, EtherCAT memerlukan dukungan khusus (slave harus memiliki EtherCAT ASIC/FPGA) dan master yang memahami protokol. Infrastruktur standar Ethernet biasa (switch, router) tidak bisa langsung dipakai tanpa menurunkan kinerja real-time. Oleh karena itu, integrasi EtherCAT paling lancar jika seluruh perangkat mendukung EtherCAT.

Aplikasi umum: EtherCAT ideal untuk aplikasi otomasi canggih seperti kendali gerak sinkron (mesin CNC, robot, conveyor cepat), pengumpulan data real-time, dan sistem otomasi besar. Karena performanya luar biasa, banyak produsen I/O dan PLC yang menambah dukungan EtherCAT. Beckhoff sendiri mengklaim ada lebih dari 1.000 perangkat EtherCAT (hanya produknya) dan 3.000 vendor terdaftar di EtherCAT group, menunjukkan luasnya dukungan perangkat.

Fieldbus

Istilah Fieldbus mengacu pada generik protokol lapangan digital untuk menghubungkan sensor/aktuator ke sistem kontrol di industri proses. Standar internasional IEC 61158 mendefinisikan banyak varian fieldbus. Contohnya FOUNDATION Fieldbus (direktorat Fieldbus Foundation, sekarang FieldComm Group) yang populer di industri proses, dan PROFIBUS (DP/PA). Secara umum, fieldbus menggantikan kawat paralel analog 4–20 mA dengan komunikasi digital ber-cyclic yang melaluinya banyak perangkat berbagi satu kabel.

Teknisnya, banyak fieldbus bersifat master-slave. Misalnya FOUNDATION Fieldbus H1 (31.25 kbps) menggunakan link active scheduler sebagai master yang mengontrol siklus komunikasi, dan mendukung topologi trunk-spur/tree. Protokol fieldbus tradisional hanya beroperasi pada satu kabel twisted-pair, sehingga sangat menghemat kabel dibanding wiring tradisional. Kelebihannya termasuk kesederhanaan instalasi (satu kabel untuk banyak perangkat) dan peningkatan keandalan sinyal analog karena digitalisasi. Protokol fieldbus juga terstandarisasi sehingga perangkat vendor berbeda bisa interoperasi. Namun kekurangannya adalah kecepatan rendah (contoh H1 hanya 31.25 kbps, Profibus DP di bawah 12 Mbps), latency lebih tinggi, serta biaya perangkat yang umumnya lebih mahal. Selain itu, fieldbus seringkali sulit diintegrasikan langsung dengan jaringan Ethernet dan memerlukan komponen khusus seperti repeater dan terminator.

Aplikasi umum: Fieldbus banyak digunakan dalam otomasi proses dan manufaktur yang memerlukan integrasi sensor/aktuator di tingkat lapangan. FOUNDATION Fieldbus H1 misalnya dipakai di kilang minyak/gas untuk menghubungkan transmitter dan valve intelligent. Profibus DP banyak dipakai di pabrik Eropa sebagai fieldbus PLC. Sistem safety seperti Profisafe/Fieldbus Safety juga termasuk dalam ekosistem fieldbus. Secara umum, fieldbus mendominasi aplikasi di mana protokol ini sudah mapan, meski sekarang mulai terintegrasi dengan Ethernet industri di lapisan lebih tinggi.

Perbandingan Protokol Komunikasi Industri

Untuk memilih protokol yang tepat, kita perlu membandingkannya dari berbagai aspek. Tabel berikut merangkum perbedaan utama berdasarkan kecepatan, skalabilitas, kompatibilitas, kemudahan integrasi, dan dukungan perangkat.

Secara umum, kecepatan transfer tertinggi dicapai oleh protokol Ethernet industri (PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT) yang memanfaatkan 100 Mbps. Kecepatan rendah terdapat pada fieldbus tradisional (misalnya H1 31,25 kbps) dan jaringan berbasis CAN (DeviceNet ~500 kbps, CANopen 1 Mbps). Dalam hal skalabilitas, EtherCAT unggul ekstrem (hingga 65.535 node), sedangkan protokol serial seperti Modbus RTU atau DeviceNet memiliki batas node relatif rendah (Modbus RTU sekitar 247, DeviceNet 64). Protokol Ethernet umumnya skalabel besar karena berbasis IP/Ethernet, mirip dengan jaringan komputer biasa.

Dalam kompatibilitas, protokol terbuka (Modbus, CANopen, EtherCAT) mendukung banyak vendor, sementara protokol yang diprakarsai vendor tertentu (PROFINET oleh Siemens/PI, EtherNet/IP oleh Rockwell/ODVA) cenderung ekosistemnya kuat di segmen pasar masing-masing. EtherCAT bahkan memiliki jumlah perangkat dan vendor terbanyak di pasar otomasi. Kemudahan integrasi juga bervariasi: Modbus dan Ethernet (EtherNet/IP) mudah diterapkan karena infrastrukturnya sederhana, sedangkan protokol real-time (PROFINET, EtherCAT) atau fieldbus memerlukan hardware dan konfigurasi khusus.

Secara keseluruhan, setiap protokol memiliki tempatnya. Misalnya, perbandingan Modbus vs PROFINET menunjukkan bahwa Modbus cocok untuk sistem legacy yang sederhana, sedangkan PROFINET ideal untuk sistem baru dengan persyaratan real-time tinggi. Demikian pula, EtherNet/IP dalam otomasi industri lebih cocok untuk infrastruktur berbasis IP, sedangkan EtherCAT dipilih untuk latensi ultra-rendah. Pemilihan akhirnya tergantung kebutuhan kecepatan, jumlah perangkat, interoperabilitas, dan dukungan industri spesifik.