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PROFINET与5G
作者:pijing 发布日期:2022-03-27 13:33

●   PROFINET十分适用于在工业应用中使用5G技术

●   私有5G网络提供高可靠性并且具有低延时

●   首批使用PROFINET的5G实验性试点正在进行

 

概述

5G – 工业应用下一阶段的目标

       在未来,生产设施和内部物流必须变得更加灵活、自主和高效。适合的通信技术是实现这一目标的关键。5G能够将工业4.0提升到一个新的水平,为工业应用开辟新的前景。

       除了传统的无线连接工业应用外,5G为新型工业应用打开了大门。比如“网络切片”,该技术和先进的安全措施结合,能够在同一个物理层网络中容纳几个不同的网络层(ERP, MES, DCS)。带宽巨大提升和连接设备数量的大量增加,使物联网在车间的扩展成为可能,同时使复杂的计算可以从中央计算机转移到分布式边缘计算

       5G技术仍处于早期阶段,目前Rel.17版本的标准正在制定中。该版标准制定的目标是为uRLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications,高可靠和低延迟通信)进行增强。目前商用的Rel.15版本主要是能够传输更多的数据,这使得这个版本在视频传输等领域很有意义。Rel.16则对于工业传输中的实时数据传输十分重要。

 

 

       然而,也不是所有你能想到的工业应用都可以使用5G,这意味着设备开发正在停滞,5G应用仍然与高成本相关。但行业正在为此迅速采取行动 ——在很短的时间内,设备和技术可能就会准备就绪。因此,伴随着第一批试点应用的开发PI已经在着手处理这个问题。

       与众所周知的公共网络相比,私有5G网络对工业应用来说有一些优势。私有5G网络允许工业站点控制和管理他们自己的网络,具有高可靠性低延迟性,最重要的是,私有5G网络能够使网络适应不断变化的要求。同时,数据仍然留在现场——这提供了额外的安全性

 

 

       私有5G网络的另一个优点是,能够在每个地点为许多用例提供一个共同的基础设施。同时,提供高带宽,设置简便,且能够减少运营成本(OPEX)。扩张的便利性增加了企业的发展空间

       在德国,德国联邦网络局已经预留了3.7GHz至3.8GHz的频带,共100 MHz总带宽,以供当地工业场地使用。

 

相关细节

当今PI技术的用武之地 – 未来实现5G的捷径

       不可否认的是,5G具有把无线通讯带向更广阔的应用场景的能力。正在流行的时间敏感网络(TSN)是已经建立的(有线)工业以太网解决方案, 正如TSN,5G很有可能变成无线技术的标准选择

       现在的问题是,PI的技术应该如何融入这一主题并充分利用其优势。诸如响应时间、可用性以及功能安全性等参数目前正受到密切关注。特别是安全性,它被认为是在制造业自动化中使用5G的强制性先决条件,特别是在自动驾驶车辆的控制方面。

 

 

目前的重点是:

●  ISO/OSI模型中第二层的工业协议的通信

●  非常短的周期时间和高精度的同步

●  在特定环境下相较于其他电磁频率的稳定性

●  许多小型以太网帧的传输

●  根据IEC 61784-3的安全协议传输

●  遵守IEC 61508的规定,并将此作为功能安全性的基础标准

 

        即使在对安全性要求很高的应用中,5G依然拥有巨大潜力。由于PROFIsafe使用了黑色通道原理,因此不需要特殊配置就可以通过5G实现PROFIsafe设备和控制器之间的功能安全通信。

       数据交换时间DX)是衡量 “PROFIsafe/基于5G的PROFINET “系统性能的最重要指标。此外,还必须考虑PROFIsafe的安全监测时间看门狗时间)。数据交换时间应显著小于看门狗时间。这就是应用程序进入安全状态的时间。

       虽然目前不是所有的设备和组件都可以使用5G,但是现在讨论这个话题是值得的。那些今天依靠PI技术搭建的无线应用的用户,以后将更容易进入5G主题。其基础是,PROFINET应用仍能保持不变,只是移动连接变得更快更安全。5G网络的项目规划也与TSN技术类似,所以我们已经有了很多相关经验。而且,一如既往,PI社区也将在这里展示切实可行的解决方案,从而使进入这项新技术变得容易。

 

用例

当前正在进行的5G计划

奥迪

       自2015年来,奥迪一直在致力于5G方面的研究。除了传统的有关无线连接的工业应用外,如移动作业远程协助动态传感器技术外,他们还在研究新的工业应用。为了达成目标,2020年,奥迪在其电池技术中心建立了一个5G网络。这个原型网络生产了非常积极的结果,只有两个方面需要强调:例如,由于法拉第笼效应,Wi-Fi在制造单元中会出现问题,但这不会5G信号的传播带来任何困难。而且在生产流程中,通常需要向每辆汽车传输高达50GB的数据。尤其是对于这种数据传输来说,5G节省了极其大量的时间。2020年初,奥迪和爱立信进行了合作。在合作中,当PROFINET和PROFIsafe5G上运行时,周期时间达到了3毫秒,延迟为1毫秒。这样的时间尺度是工厂自动化的重要先决条件,使自动导引车(AGV)自主移动机器人(AMR)等应用的实现成为可能。

 

 

在亚琛产业园区内的实践性测试

       位于亚琛的 “欧洲5G产业园区 “是欧洲最大的5G研究网络,总共有四个工厂厂房和一平方公里的开放空间。工厂厂房中容纳了亚琛工业大学的机床实验室WZLRationalisation FIR研究所,以及弗劳恩霍夫生产技术研究中心IPT,其机器设备和流程可与工业生产环境媲美。在其中一个项目中,对典型的制造业用例进行了使用5G时的功能安全方面的调查,其目的是辨明5G技术对德国制造业的优势,尤其是和以前使用的无线技术如WLAN或蓝牙相比。

 

测试结果:

       5G不是当前任何WIFI的共存机制所约束的对象,这使得其延迟可以被预测和确定。同时,也让具有非常短的周期时间和高可靠性的应用成为可能。通过PROFINET实现的PROFIsafe已被证明是能够用于此处的通信技术。

 

西门子测试中心

 

       高通公司和西门子在德国纽伦堡的西门子汽车测试中心建立了一个联合概念验证项目,在真实的工业环境中使用3.7-3.8GHz频段展示了第一个私有5G独立(SA)组网。高通公司提供5G测试网络和5G工业测试设备,西门子提供实际的工业设置,包括控制系统和IO设备,并提供工业终端设备,如自动导引车(AGV)。 

       这个项目的目的主要是在现实的工业环境中测试5G解决方案,但也涉及关于现有IWLAN如何成功迁移,或混合操作可能是什么样子的问题。同时,目前可用的工业协议,如PROFINET和OPC UA,将与使用5G的无线通信一起被评估。项目中的网络同时使用PROFINET和OPC UA协议;可用于控制器到设备的通信,或控制器到控制器的通信。工业5G在工业应用中的首次测试结果,其前景是非常光明的。

 

5GANG项目

 

       名为”工业5G应用”的5GANG项目,其目的是研究和开发一个基于第五代移动网络的工业通信概念。除其他方面外,该项目将从抖动、延迟和对干扰的敏感性方面对uRLLC的不同无线通信技术(WLAN、蓝牙、5G)进行比较。在未授权的WLAN频段,应用共存措施是强制性的,但这产生了高抖动和高达1秒的PROFINET更新时间。相比之下,5G在授权频段显示出非常低的抖动,和WLAN相比有优势。因此,若在eMBB频段上使用5G,PROFINET的更新时间可以达到约20ms毫秒,同时达到10ms的低抖动

 

展望

       上述仅仅是众多例子中的几个。许多新的试验场目前正在被创建,例如在汉诺威展览中心的试验场,但也在一些公司中进行试验,例如西门子安贝格工厂、路德维希港的BASF和安特卫普的Covestro 。

 

常见问题

在此处,您可以找到几个常见问题的答案:

 

1.不同版本的5G分别涵盖了什么特性?

eMBB – 增强移动宽带 – Release 15

       对于有高数据要求的应用,使用5G eMBB是合适的。这能提供极高的数据速率(高达数Gb/s),以及远远超过4G的增强覆盖。这包括需要非常高带宽和数据速率的应用,包括高清晰度视频流或增强现实。

URLLC – 超高可靠低时延通信 – Release 16/17

       URLLC可以实现具有非常高的端到端(E2E)延迟(低至毫秒范围)、可靠性和可用性要求的高度关键应用。这对于那些需要高确定性的应用来说很有意义,如工业自动化、机器人、自动驾驶、医学等。这将是一个问题,特别是在5G应用于工业网络(如PROFINET)的园区网络。

mMTC – 大规模移动机器通信 – Release 17/18

       mMTC旨在为每平方公里内数十万个物联网设备提供全面覆盖和深入的室内渗透。此外,mMTC的设计目的是提供无处不在的连接,对设备的软件和硬件要求较低,并支持节省电量的低能耗操作。这包括需要大量彼此相距不远的设备的用例,其应用包括物联网(IoT)或智能城市。

 

 

2.网络切片是什么?

       这一概念的提出是为了使不同的服务能够通过同一网络基础设施同时运行,但同时又是独立的。

 

3.会遇到什么挑战?

       自有园区网络的5G基站需要专家来进行配置和管理。此外,由于重要的版本(Rel.17 uRLLC)还没有完成,目前的发展仍然有些缓慢。自然地,工业终端设备也仍然很昂贵。因此,目前的投资或运行成本相对较高。

 

4. 我是否已经错过了开始的时机?

       您没有错过,因为5G还没有发布所有的版本,现在是参与这个话题的好时机,正适合开发一个成功的、面向未来的、好的5G概念。与WLAN不同,5G是以服务为导向的。也就是说,现在应该开始进行AGV(uRLLC)、AI应用(eMBB)和传感器网络(mMTC)的网络切片的负载测试,以定义可能的最坏情况下的延迟。