《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡互聯(lián)技術》 課件 任務4.1 規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)

Project4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡建設IndustrialInternetNetworkConstruction任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，面向工業(yè)企業(yè)提供工廠內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的升級改造建設工作，是實現(xiàn)工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關鍵步驟，也是落實“兩化融合”的具體內(nèi)容之一，進而打破工業(yè)企業(yè)的信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)互通。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡升級改造的第一步是進行網(wǎng)絡系統(tǒng)規(guī)劃，一般從網(wǎng)絡的需求分析、子網(wǎng)劃分、區(qū)域劃分、設備選型、網(wǎng)絡拓撲等方面入手，按照自下而上的層級順序進行。本任務主要圍繞需求分析、子網(wǎng)劃分、設備選型和網(wǎng)絡拓撲等進行介紹，為讀者具備后續(xù)建設小型工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡提供規(guī)劃設計的能力。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)1.需求分析網(wǎng)絡需求分析是為工業(yè)網(wǎng)絡升級改造提供整體規(guī)劃指導方向，是進行網(wǎng)絡系統(tǒng)規(guī)劃與設計的基本依據(jù),它決定了企業(yè)的網(wǎng)絡目標、網(wǎng)絡架構、網(wǎng)絡功能和實現(xiàn)形式。通過網(wǎng)絡需求分析，可以歸納出對網(wǎng)絡規(guī)劃具有重大影響的因素，進而使設計人員得出網(wǎng)絡升級改造需要的帶寬、時延、網(wǎng)絡設備性能等要求。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)網(wǎng)絡需求分析一般包括網(wǎng)絡規(guī)模分析、應用業(yè)務分析、網(wǎng)絡性能分析和網(wǎng)絡安全分析等，具體內(nèi)容如下。①網(wǎng)絡規(guī)模分析網(wǎng)絡規(guī)模分析既要明確網(wǎng)絡規(guī)劃的范圍，確定規(guī)劃的網(wǎng)絡是一個車間級局域網(wǎng)、工廠級內(nèi)網(wǎng)，還是一個完整的企業(yè)網(wǎng)絡；又要明確接入網(wǎng)絡的設備類型、各類設備數(shù)量及地理分布位置；還要明確網(wǎng)絡的可擴展性和可擴容性等要求。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)②應用業(yè)務分析應用業(yè)務分析要明確企業(yè)網(wǎng)絡的應用業(yè)務，包含信息采集業(yè)務類應用(現(xiàn)場總線應用、數(shù)據(jù)采集等)、設備控制類業(yè)務應用（PLC、DCS）、連接類業(yè)務應用（MES）、上云業(yè)務應用及其它特殊業(yè)務。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)③網(wǎng)絡性能分析網(wǎng)絡性能分析要明確網(wǎng)絡應用業(yè)務的網(wǎng)絡性能（帶寬、時延等）需求。例如安防網(wǎng)絡一般需求千兆網(wǎng)絡帶寬；生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)連接運動控制驅(qū)動器，一般要求不能連續(xù)2次業(yè)務丟包，并且命令報文周期在小于1ms級別等。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)④網(wǎng)絡安全分析網(wǎng)絡安全分析要明確規(guī)劃物理防火墻、工業(yè)網(wǎng)閘等網(wǎng)絡設備；明確采用網(wǎng)絡安全技術，例如認證、加密、訪問控制、病毒防護等技術。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)2.子網(wǎng)劃分子網(wǎng)劃分是將一個較大的IP網(wǎng)絡劃分為更小的子網(wǎng)，以提高網(wǎng)絡的管理和效率。子網(wǎng)劃分可以根據(jù)需求、規(guī)模和網(wǎng)絡拓撲進行靈活配置。子網(wǎng)劃分一般針對工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)而言，是對需接入網(wǎng)絡的設備按功能屬性分類，分別規(guī)劃入不同的子網(wǎng)，通過虛擬局域網(wǎng)（VLAN）方式劃分。各子網(wǎng)內(nèi)部根據(jù)入網(wǎng)設備所在地理位置分布，進行網(wǎng)絡設備的合理區(qū)域劃分。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的子網(wǎng)劃分主要包括生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、安防網(wǎng)等，具體內(nèi)容如下。通常將與遠程控制、產(chǎn)線級控制、工藝過程數(shù)據(jù)采集相關類設備，包括DCS/PLC控制系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、工程師站、工業(yè)機器人、智能儀表等設備，歸入生產(chǎn)網(wǎng)。生產(chǎn)網(wǎng)對網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、時延、設備容量存在較高的要求。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)通常將與企業(yè)內(nèi)部管理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)相關類設備，包括辦公室辦公電腦、打印機、辦公服務器、工作站等設備，歸入辦公網(wǎng)。辦公網(wǎng)是企業(yè)內(nèi)網(wǎng)面向人與人、人與機器之間連接層級的網(wǎng)絡，主要用于企業(yè)員工訪問內(nèi)部辦公系統(tǒng)、日常辦公、互聯(lián)網(wǎng)訪問等業(yè)務。辦公網(wǎng)對網(wǎng)絡需求較低，在規(guī)劃時應注重經(jīng)濟型、穩(wěn)定性和網(wǎng)絡帶寬需求。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)通常將與企業(yè)生產(chǎn)運營相關的輔助系統(tǒng)類設備，包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、邊界安防系統(tǒng)、消防報警等設備歸入安防網(wǎng)。安防網(wǎng)匯聚了企業(yè)內(nèi)部的輔助類系統(tǒng)，設備數(shù)量多、設備類型雜，對網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡容量有較高的需求。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)子網(wǎng)劃分的一般步驟包括以下幾個方面。①確定網(wǎng)絡需求確定網(wǎng)絡的需求包括主機數(shù)量、子網(wǎng)數(shù)量、跨子網(wǎng)通信需求等。這些要素將決定劃分子網(wǎng)所需的IP地址范圍及子網(wǎng)掩碼。②分配IP地址范圍根據(jù)網(wǎng)絡需求，為劃分的每個子網(wǎng)分配一個IP地址范圍。確保每個子網(wǎng)有足夠的IP地址來滿足其主機數(shù)量和需求。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)③選擇子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)掩碼用于確定IP地址中網(wǎng)絡部分和主機部分的邊界。選擇適當?shù)淖泳W(wǎng)掩碼是子網(wǎng)劃分中的關鍵步驟，子網(wǎng)掩碼的位數(shù)決定了網(wǎng)絡部分和主機部分的劃分。④規(guī)劃網(wǎng)絡拓撲根據(jù)實際網(wǎng)絡拓撲規(guī)劃，劃分子網(wǎng)并決定每個子網(wǎng)的關聯(lián)設備和子網(wǎng)間的連接方式，包括考慮物理布局、路由器和交換機的配置等因素。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)⑤配置網(wǎng)絡設備根據(jù)網(wǎng)絡拓撲規(guī)劃，配置路由器、交換機或防火墻等網(wǎng)絡設備。相關設備需要設置相應的IP地址和子網(wǎng)掩碼，以確保子網(wǎng)之間的通信和路由功能正常。⑥測試和驗證在實施子網(wǎng)劃分后，對網(wǎng)絡進行測試和驗證，確保子網(wǎng)之間的通信正常，并進行必要的故障排除。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)需要注意的是，子網(wǎng)劃分應遵循IP地址規(guī)劃和子網(wǎng)掩碼分配的最佳實踐，以避免IP地址浪費和子網(wǎng)規(guī)模不合理的問題。同時，隨著網(wǎng)絡需求的變化，還可以對子網(wǎng)劃分進行動態(tài)調(diào)整和擴展。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)3.設備選型設備選型一般是根據(jù)接入設備數(shù)量、位置、接口類型、網(wǎng)絡性能、防護等級、網(wǎng)絡部署場景等因素，選擇適用的接口轉(zhuǎn)換設備、工業(yè)網(wǎng)關、工業(yè)交換機、安全設備等，具體內(nèi)容如下。接口轉(zhuǎn)換設備，根據(jù)不同網(wǎng)絡設備的物理接口類型、數(shù)量，對接口轉(zhuǎn)換設備進行選型。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)例如：一粉塵濃度較大的生產(chǎn)車間，有RS-485接口智能儀表40臺,需對車間中一臺有空余RJ45口的工控機上展示儀表數(shù)據(jù)，可選擇串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口的設備，設備需含有一路RS-485接口（接口可連接設備數(shù)量≥40）或兩路RS-485接口（每路接口可連接設備數(shù)量32），因此設備選型需含至少一個RJ-45接口，且設備需經(jīng)過粉塵防爆等級認證。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)例如：一粉塵濃度較大的生產(chǎn)車間，有RS-485接口智能儀表40臺,需對車間中一臺有空余RJ45口的工控機上展示儀表數(shù)據(jù)，可選擇串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口的設備，設備需含有一路RS-485接口（接口可連接設備數(shù)量≥40）或兩路RS-485接口（每路接口可連接設備數(shù)量32），因此設備選型需含至少一個RJ-45接口，且設備需經(jīng)過粉塵防爆等級認證。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)工業(yè)交換機，根據(jù)當前網(wǎng)絡節(jié)點的連接設備數(shù)量、組網(wǎng)類型、網(wǎng)絡環(huán)境、傳輸介質(zhì)等因素，對工業(yè)交換機進行選型。主要考慮交換機物理接口（電口/光口）種類、數(shù)量及物理端口的網(wǎng)絡帶寬,以及在該節(jié)點位置是否需要網(wǎng)管型或非網(wǎng)管型，是否支持環(huán)網(wǎng)等要求來進行選型。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)4.網(wǎng)絡拓撲在工業(yè)網(wǎng)絡設計中，常見的網(wǎng)絡結構有星狀結構、環(huán)狀結構、總線結構、混合結構4種。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)星狀結構是指網(wǎng)絡設備以星型方式連接成網(wǎng)，星型網(wǎng)絡拓撲結構以中央節(jié)點為中心，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都與中央節(jié)點直接相連，中央節(jié)點對各設備間的通信和信息交換進行集中控制和管理。該結構具有結構形式簡單，容易管理維護，配置簡單；便于建網(wǎng)及故障檢測等優(yōu)點，但該結構可靠性較低。對于中小型工業(yè)企業(yè)，該結構在辦公網(wǎng)、安防網(wǎng)和生產(chǎn)網(wǎng)都有應用。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)環(huán)狀結構由網(wǎng)絡中若干節(jié)點，通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環(huán)。該結構典型優(yōu)點是容錯性好，即使環(huán)型網(wǎng)絡從任何一個地方斷開，該網(wǎng)絡還是在正常工作狀態(tài)；缺點是配置、管理、維護較為復雜。對于中小型工業(yè)企業(yè)，該結構形式經(jīng)常用于對網(wǎng)絡穩(wěn)定要求較高的生產(chǎn)網(wǎng)。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)總線結構是指所有接入設備均掛在一條總線上的結構。該結構具有結構簡單，可擴充性好的優(yōu)點；但存在如果總線上某一個節(jié)點出現(xiàn)問題，可能會影響整個總線上的其他設備的缺點。對于中小型工業(yè)企業(yè)，終端設備層的工業(yè)總線即為該結構。任務1規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)混合結構是由星型結構、環(huán)型結構兩種以上結構類型組合在在一起的網(wǎng)絡結構。一個完整的企業(yè)網(wǎng)絡，一般都是以這種網(wǎng)絡結構形式存在。課程結束Endofcourse工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術專業(yè)教學資源庫IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)①實踐目的掌握規(guī)劃工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡的基本要素，具備規(guī)劃小型工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡的能力。②實踐案例某食品加工廠因智能化改造，企業(yè)要求將生產(chǎn)設備信息傳輸?shù)揭惑w機，并使生產(chǎn)數(shù)據(jù)在web端可查閱。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該工廠現(xiàn)有設備均單機運行，生產(chǎn)設備之間無工業(yè)總線連接。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)該廠的生產(chǎn)設備主要分布在凍干車間、烘干車間、精油車間和冷庫內(nèi)，相關生產(chǎn)設備需要進行互聯(lián)互通后，才能將數(shù)據(jù)傳送到平臺，因此需要打通設備與一體機之間的工業(yè)網(wǎng)絡。企業(yè)生產(chǎn)設備分布如圖所示，企業(yè)生產(chǎn)設備清單如表所示。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)車間名稱設備名稱設備接口支持通訊協(xié)議凍干車間凍干機1RJ-45TCP/IP凍干機2RJ-45TCP/IP烘干車間烘干機1RS-485Modbus-RTU烘干機2RS-485Modbus-RTU烘干機3RS-485Modbus-RTU烘干機4RS-485Modbus-RTU流量計1RS-485Modbus-RTU上料機RJ-45TCP/IP一體機RJ-45多種工業(yè)協(xié)議精油車間流量計2RS-485Modbus-RTU流量計3RS-485Modbus-RTU冷庫制冷機RJ-45Modbus-TCP實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)凍干車間內(nèi)有2臺凍干機設備，設備控制器為西門子S7-300型PLC（RJ-45接口）。精油車間有流量計兩臺（RS-485接口）；冷庫有制冷機（位于半山腰位置）一臺（RJ45接口，控制為三菱PLC）。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)烘干車間內(nèi)含有4臺烘干機，設備控制器為設備廠商自研控制板（RS-485接口，支持Modbus-RTU通訊協(xié)議）；流量計1臺（RS-485接口）、上料機一臺（RJ-45接口，控制器為S7-1200型PLC），一體機一臺（RJ-45接口，支持TCP/IP、Modbus-TCP、PROFINET等多種工業(yè)協(xié)議）。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)第一步，需求分析根據(jù)企業(yè)需求分析發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)網(wǎng)絡規(guī)模為一小型企業(yè)網(wǎng)絡，具有生產(chǎn)網(wǎng)規(guī)劃需求，無視頻網(wǎng)、安防網(wǎng)需求；具有生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集業(yè)務需求和企業(yè)外網(wǎng)需求，暫無網(wǎng)絡安全設備，需增加防火墻或工業(yè)網(wǎng)閘等網(wǎng)絡安全設備。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)第二步，子網(wǎng)劃分根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)設備分布，生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)包含凍干車間、烘干車間、精油車間和冷庫4個車間，除冷庫車間需部署蜂窩移動通信信號上傳數(shù)據(jù)外，其他每個車間可劃分一個虛擬局域網(wǎng)，進行車間之間的二層隔離。子網(wǎng)劃分規(guī)劃如表所示。網(wǎng)絡平面VLANIP地址段用途一體機208192.168.8.0/24平臺IP烘干車間設備210192.168.10.0/24烘干車間網(wǎng)關及PLC凍干車間設備211192.168.11.0/24凍干車間網(wǎng)關精油車間設備212192.168.12.0/24精油車間網(wǎng)關帶內(nèi)管理213192.168.13.0/24網(wǎng)絡設備管理工控出口214192.168.14.0/24核心&防火墻互聯(lián)設備選型清單表實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)第三步，設備選型針對凍干車間情況，已有2臺PLC（RJ-45接口），需配置含有8電口、2光口的工業(yè)交換機1臺。設備選型SI5020I-8TS-L工業(yè)交換機1臺。針對精油車間情況，接入流量計2臺，設備選型YZ-G8406工業(yè)網(wǎng)關1臺、SI5020I-8TS-L工業(yè)交換機1臺。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)針對烘干車間情況，烘干機物理接口需轉(zhuǎn)換接入工業(yè)以太網(wǎng)，配置一臺工業(yè)網(wǎng)關，將RS-485轉(zhuǎn)換為RJ-45接口，并將Modbus-RTU轉(zhuǎn)換為MQTT通信協(xié)議；流量計配備1臺工業(yè)網(wǎng)關，理由如前所述。設備選型YZ-G8406工業(yè)網(wǎng)關2臺。此外，為接入工業(yè)網(wǎng)關需配置1臺工業(yè)交換機，同時接入上料機設備，設備選型SI5020I-8TS-L工業(yè)交換機1臺。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)針對冷庫情況，因冷庫車間比較獨立，位于半山腰，鋪設通信線路困難，采用移動網(wǎng)絡部署，設備選型YZ-G8406工業(yè)網(wǎng)關1臺，使用其蜂窩聯(lián)網(wǎng)功能，數(shù)據(jù)直接通過移動網(wǎng)絡接入平臺。核心層設計，通過核心交換機，將3個車間的工業(yè)交換機接入，并為平臺一體機和企業(yè)網(wǎng)絡出口提供網(wǎng)絡接口，設備選型S6550E-48TS4X-C核心交換機1臺。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)網(wǎng)絡安全設計，增加TQ-2000-M110防火墻1臺，作為企業(yè)網(wǎng)絡出口的安全設備。設備選型具體清單如表所示。序號名稱型號單位數(shù)量1下一代防火墻TQ-2000-M110臺12核心交換機S6550E-48TS4X-C臺13工業(yè)交換機SI5020I-8TS-L臺34斥候工業(yè)網(wǎng)關YZ-G8406臺4設備選型清單表實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)第四步，網(wǎng)絡拓撲根據(jù)企業(yè)網(wǎng)絡需求分析，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)為面向數(shù)據(jù)采集的生產(chǎn)網(wǎng)，無生產(chǎn)控制需求，內(nèi)網(wǎng)拓撲結構優(yōu)先選擇星型結構。車間內(nèi)部串口之間采用RS-485工業(yè)總線連接，設備網(wǎng)口之間100米以內(nèi)采用超五類雙屏蔽網(wǎng)線連接，各車間之間采用室外光纖連接。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)拓撲結構如圖所示。實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)實踐任務：規(guī)劃小型工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)根據(jù)新增網(wǎng)絡設備及現(xiàn)場網(wǎng)絡設備情況，再結合子網(wǎng)劃分情況，企業(yè)網(wǎng)絡IP地址規(guī)劃如表所示。企業(yè)網(wǎng)絡管理地址規(guī)劃如表所示。車間設備名稱接口地址子網(wǎng)掩碼網(wǎng)關凍干車間凍干機1RJ-45192.168.11.2255.255.255.0192.168.11.1凍干機2RJ-45192.168.11.3255.255.255.0烘干車間烘干機1RS-4851

烘干機2RS-4852

烘干機3RS-4853

烘干機4RS-4854

流量計1RS-4851

上料機RJ-45192.168.10.22