5G和PROFINET实现工业4.0的实时通信与自动化

多年来，PROFINET一直是全球众多自动化系统的重要组成部分。然而，随着工业5G网络的引入，行业面临一个挑战：如何将现代5G网络的优势与已建立的PROFINET通信结合起来，并在数百个分散的接口和设备上高效地集中管理？

这种通信连接和现有机械的改造对于移动部件尤其有趣。例如，在内部物流中，自动引导车（AGV）、遥控起重机或生产中的机器人和机器可以在自己的5G网络内进行集中控制和自动化。这节省了成本和能源消耗，减少了维护工作，并通过实时可靠无线通信的平稳安全运行，提高了生产和调度的灵活性。

本期，我们和大家分享工业5G和Profinet如何在工业4.0发挥重要作用。同时，也为各位朋友提供一些最新工业通信上的思考和实际案例。

PROFINET和5G网络的挑战

PROFINET通信已成为当今自动化技术不可或缺的一部分。许多工业应用需要PROFINET标准提供的实时传输。然而，随着5G技术的出现及其在工业领域的推进，工业环境的用户面临一个困难：目前可用的5G技术还不能传输PROFINET IO数据包，这对于中央控制器和分布式I/O设备之间的通信是必要的。然而，这个问题今天已经可以使用创新的通信技术来解决。

5G是首次为工业用例考虑而开发的新型移动通信标准——并且今天已经在公共和私有移动通信网络中使用。5G标准提供了适应不同场景的网络的可能性。

通过私有5G网络进行PROFINET通信，可以使用中央控制器管理多个移动参与者，显著降低能源和维护费用。

5G技术提供了增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）和海量机器类型通信（mMTC）三种主要场景。所有场景服务于不同的应用领域：eMBB以带宽为导向，URLLC支持工业物联网应用的要求，如低延迟和尽可能高的可靠性。mMTC用于需要低功耗并有大量连接设备的应用。

由于单一无线网络无法同时完全支持所有场景，即最大用户数和带宽以及最低延迟，不同的典型5G网络正在出现。其中一种形式是公共移动通信网络，在这些网络中，主要场景eMBB和mMTC占主导地位，为视频电话、视频流和其他数据密集型应用为用户提供尽可能多的带宽。

然而，这些对于工业无线网络来说要求较少，因为如PROFINET IO这样的工业实时协议依赖于URLLC场景所描述的低延迟和高可靠性。

特别是在工业5G网络的背景下，经常讨论自动化用例，这要求在新实施的5G网络内传输PROFINET通信。PROFINET是一个成熟的工业以太网标准，应用于制造和过程自动化，并为有线连接而开发。

然而，对于实时传输，由于延迟、信息丢失（丢包）或波动，PROFINET的能力可能会受到限制。此外，PROFINET需要访问数据层（第2层），而5G允许在网络层（第3层）进行通信。尽管5G中对第2层网络（以太网PDU）的支持在3GPP发布16中有所规定，但预计芯片支持和OEM/ODM（原始设备制造商/原始设计制造商）为大众市场的集成仍需2-5年。

然而，已经存在解决方案，VXLAN技术成功地实现了一般隧道传输PROFINET流量，但工业应用将需要管理成百上千个这样的隧道。这目前限制了PROFINET技术在5G网络中的直接和可扩展实施。

VXLAN 虚拟扩展局域网

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网），是由IETF定义的NVO3（Network Virtualization over Layer 3）标准技术之一，是对传统VLAN协议的一种扩展。这使得第2层协议能够透明地跨网络边界传输，例如在路由的第3层5G基础设施中。这种新方法使得在私有5G工业网络上使用PROFINET成为可能。

下图描述了：通过5G实现中央控制系统与AGV上的I/O设备之间的实时通信的PROFINET。

上述这个网络的特别之处在于，SCALANCE MUM856-1 5G路由器和一个SCALANCE SC-600安全防火墙之间有一个VXLAN隧道，它位于控制器和5G核心之间。这两个设备借助VXLAN封装和解封装PROFINET数据包——从而使得控制器和分布式I/O设备之间的无线PROFINET通信成为可能。然而，这个“隧道”不应与经典的VPN隧道混淆，因为VXLAN协议在这里不执行额外的加密——只有数据包的传输发生。

通过VXLAN隧道，两个带有ET 200SP的AGV网络和中央S7-1500控制器处于同一个虚拟第2层网络中，PROFINET IO协议或其他第2层协议首次可以用于5G网络上的通信。这里需要注意的是，类似于其他无线技术，为了保持确定性和实时能力，必须根据无线网络（5G基础设施）的性能调整PROFINET IO数据包的更新时间和重传次数。随着5G版本的推进，性能将继续提高，例如，URLLC扩展。

汉诺威西门子5G展品

在汉诺威工业博览会上，西门子在9号馆5G-ACIA展位上展示通过其私有5G系统运行的PROFINET连接的自动引导车（AGV）。这意味着，它将为工业系统带来高保真度的控制，例如工厂地面上联网的AGV车队——而不是没有PROFINET级确定性的“尽力而为”的5G通信，就像迄今为止工厂中对面向5G的AGV进行的标准试验一样。

西门子在博览会上展出了其用于控制柜的工业5G路由器Scalance MUM853-1。该设备将本地工业应用与公共5G和4G（LTE）移动网络连接起来。借助路由器，工厂、机器、控制器和其他工业设备可以通过公共移动网络以高数据速率远程监控和维护。此外，该设备还可以集成到私有5G网络中。因此，Scalance MUM853-1使得生产中的移动机器人或物流中的自动驾驶车辆等开创性应用成为可能。

“Scalance MUM853-1因此使得生产中的移动机器人或物流中的AGV等开创性应用成为可能，”西门子表示。

如果想深入了解5G和Profinet的更多内容可以进入西门子官网查询，也可翻阅文末的参考链接。

参考链接：

1. https://iebmedia.com/applications/iiot-industry-4/profinet-communication-in-private-industrial-5g-networks/
2. https://www.profibus.com/technologies/5g#Details
3. https://5g-acia.org/testbeds/5g-performance-for-profinet-and-profisafe-communication/
4. https://www.rcrwireless.com/20220519/5g/siemens-offers-profinet-over-5g-out-of-the-box-fixes-2013-date-for-own-private-5g-launch