工业控制网络技术应用 课件 项目1 初识工业控制网络

工业网络的初次认知任务：工业网络向阳而生任务引入工业革命的历程01工业网络的前世今生02工业网络的未来趋势03头脑风暴04目录CONTENTS1900178418701969200001工业革命的历程工业1.0机械制造时代机械化生产蒸汽机工业2.0电气化与自动化时代电动机和传送带工业3.0电子信息时代电子信息技术

PLC工业4.0智能制造时代信息技术、物联网技术和制造环节融合大规模化批量生产流水线高度自动化柔性化生产智能生产01工业革命的历程01工业革命的历程01工业革命的历程互联网制造+=工业4.0中国制造2025智能制造02工业网络的前世今生第一阶段（~50年代）：基地式仪表控制系统基地式控制装置与仪表结构比较简单，它不仅完成控制功能，同时还具有指示、记录功能。单回路调节系统实现生产过程的局部自动化或者用于小型单机设备。结构简单价格低廉现场就地使用02工业网络的前世今生第二阶段（60~70年代中期）：直接数字控制系统（DDC系统）是用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。可实现复杂控制功能，如串级控制、比值控制、前馈控制等。02工业网络的前世今生第二阶段（60~70年代中期）：直接数字控制系统（DDC系统）DDC系统由被控对象、检测仪表（传感器或变送器）、执行器（电动或气动阀）和工业控制机组成。控制功能集中事故的危险性也集中02工业网络的前世今生第三阶段（70年代末~80年代）：集散控制系统（DCS）是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代计算机控制系统。即通过将控制功能分散到多台计算机（处理器）上，达到运行安全的目的。02工业网络的前世今生第三阶段（70年代末~80年代）：集散控制系统（DCS）分散控制、集中管理专业程序员02工业网络的前世今生第四阶段（80年代末~）：现场总线控制系统（FCS）现场总线设计初衷：代替了I/O、4-20mA模拟量02工业网络的前世今生是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。第四阶段（80年代末~）：现场总线控制系统（FCS）02工业网络的前世今生第四阶段（80年代末~）：现场总线控制系统（FCS）4...20mA02工业网络的前世今生第四阶段（80年代末~）：现场总线控制系统（FCS）AB品牌PLC

西门子PLC

施耐德PLC同种类互通02工业网络的前世今生第四阶段（80年代末~）：现场总线控制系统（FCS）AB品牌PLC

西门子PLC互换性？互操作？兼容性？02工业网络的前世今生工业以太网是建立在IEEE802.3系列标准和TCP/IP上的分布式实时控制通讯网络，适用于数据量传输量大，传输速度要求较高的场合。第五阶段（2001年~）：工业以太网02工业网络的前世今生第五阶段（2001年~）：工业以太网02工业网络的前世今生第五阶段（2001年~）：工业以太网开放性灵活性可靠性高性能03工业网络的未来趋势03工业网络的未来趋势未来阶段(2012年~)：工业互联网（工业4.0时代）工业互联网通过人、机、物、系统的全面连接，构建了覆盖全产业链、全价值链的新型制造和服务体系，为实现工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了途径，也是第四次工业革命的重要基石。03工业网络的未来趋势未来阶段(2012年~)：工业互联网（工业4.0时代）工业互联网发展路径基本形成具备国际竞争力的基础设施和产业体系建成国际领先的工业互联网网络基础设施和平台，形成国际先进的技术与产业体系工业互联网网络基础设施全面支撑经济社会发展，创新发展能力、技术产业体系以及融合应用等全面达到国际先进水平。“三步走”2025年2035年本世纪中叶03工业网络的未来趋势03工业网络的未来趋势DDCDCSFCSPROFINET工业云知识小结01现场总线FCS相比于集散控制系统DCS有何优势？思考02工业网络如何赋能中国制造？04头脑风暴敬请批评指正谢谢聆听工业网络的初次认知任务：揭秘工业网络任务引入私人定制云服务云制造云供应链工业网络的概念01工业网络的作用02工业网络的案例03工业网络的能量04目录CONTENTS01工业网络的概念工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统网关01工业网络的概念交换机MQTTDeviceNETIPCMODBUSTCPTCPPROFINETPROFINETPROFINETPROFINETPLC01工业网络的概念连接桥梁01工业网络的概念能够理解和转换不同的通讯标准，实现设备与设备、设备与人之间的信息实时交互。

翻译官01030204网络拓扑结构环形、总线型、星型、树型等组网设备集线器、交换机、网关、路由器、串口服务器等网络互连介质双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输媒介等接口标准RS232、RS485、RJ4501工业网络的概念01工业网络的概念双绞线同轴电缆（1）连接介质：信息的输送和设备的连接光纤无线媒介01工业网络的概念集线器交换机（2）组网设备：构成信息通信网络的专用硬件设备路由器01工业网络的概念网关串口服务器（2）组网设备：构成信息通信网络的专用硬件设备01工业网络的概念RS232RS485（3）串行接口标准RJ4501工业网络的概念总线型环型（4）网络拓扑结构：物理布局01工业网络的概念星型树型（4）网络拓扑结构：物理布局01工业网络的概念（5）通讯标准：工业网络的“语言”，是“协议簇”民用网络（TCP-IP协议）01工业网络的概念（5）通讯标准：工业网络的“语言”，是“协议簇”02工业网络的作用交换机MODBUSTCPPLCPROFINETPROFINETPROFINETPROFINET本地可视化监控现场自动化控制远程智能化管理02工业网络的作用交换机PLCMODBUSTCPIPCTCPPROFINETPROFINETPROFINETPROFINET本地可视化监控现场自动化控制远程智能化管理02工业网络的作用交换机PLCMODBUSTCPIPCTCPPROFINETPROFINETPROFINETPROFINETMQTT本地可视化监控现场自动化控制远程智能化管理敬请批评指正谢谢聆听工业网络的初次认知任务：OSI参考模型主讲：王春峰OSI的定义01OSI的“协议”02OSI数据交换原理03OSI的特点04目录CONTENTS01OSI的定义7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层OSI参考模型02OSI的“协议”7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层OSI参考模型OSI模型中定义了每一层的作用定义每一层“作用”的是“协议”“协议”是约定，其具体内容是规范02应用层表示层会话层层网络层层传输层数据链路层物理层网络层面用户层为数据在节点之间传输创建逻辑链路，并分组转发数据：对子网间的数据包进行路由选择，常见路由器、多层交换机、防火墙、IP、RIP等提供数据格式转换服务：解密与加密、图片编码与解码、数据的压缩与解压缩，比如URL加密、口令加密、图片编码器访问网络服务的接口：为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口，比如Telnet、FTP、HTTP、SNMT、DNS等提供应用进程之间的逻辑通讯：建立连接、处理数据错误、管理数据次序，比如TCP、UDP、SPX、进程、端口（socket）在通讯的实体间建立数据链路：将数据分帧，并处理流控制、物理地址寻址、重发等，常见网卡、二层交换机、网桥等建立端连接并提供访问验证和会话管理：使用校验点可使会话在通信失效时在校验点恢复通信，比如服务器验证用户登录、断点续传为数据端设备提供原始比特流的传输通路：网络通讯的数据传输介质，提供机械和电气的规约，比如中继器、集线器、网线、HUB、RJ45等数据段数据包数据帧比特流OSI的“协议”03OSI数据交换原理应用进程A应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用进程B应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机A主机B数据数据

数据

数据段

数据包

数据帧

比特流协议是水平的,服务是垂直的。交换规则：发送：从上往下逐层封装；接收：从下往上逐层解封装。

03OSI数据交换原理封装是指OSI参考模型下一层收到上一层传递过来的数据后，加上包含本层控制信息的首部过程，有些还需要加尾部。解封装的过程和封装刚好相反，当数据到达目的主机后，上一层会去掉从下一层接收的数据中带有控制信息的首部。用LN表示第N层的数据，HN表示第N层的首部，TN表示第N层的尾部。封装解封装数据形式03应用层为应用软件提供接口，使应用程序能够使用网络服务用户A常见的应用协议：HTTP(80)、HTTPS(443)、SMPT(25)、POP3(110)、

TELNET(23)、DNS(53)、FTP(20/21)应用层应用层HTTPFTPSMPTL7数据到表示层OSI数据交换原理03表示层数据的编码与解码、加密与解密、压缩与解压缩图片：JPG、GIF；音频：MP3、WMA、ACC；视频：MP4、AVI应用层表示层到会话层L7数据从应用层L6数据数据的编码、加密与压缩H6用户AOSI数据交换原理03会话层负责建立、管理和终止表示层实体之间的会话连接在设备或节点之间提供会话控制，协调通信过程，提供三种不同的

方式来组织通信。会话层应用层到传输层L5数据数据的编码、加密与压缩synsynsynH5L6数据从表示层用户AOSI数据交换原理H503传输层负责建立端到端的连接，保证报文在端到端之间的传输服务点编址、分段与重组、连接控制、流量控制、差错控制。传输层应用层到网络层L4数据数据的编码、加密与压缩H4H4H4L5数据从会话层L4数据L4数据用户AOSI数据交换原理03网络层负责将分组数据从源端传输到目的端为网络设备提供逻辑地址、进行路由选择、维护路由表，代表设备为路由器。网络层应用层到数据链路层L4数据L4数据从传输层L3数据包用户AOSI数据交换原理H303链路层提供可靠的数据传输服务，把帧从一跳（结点）移动到另一跳（结点）组帧、物理编址、流量控制、差错控制、接入控制，代表设备为交换机数据链路层应用层到物理层L4数据H2L3数据从网络层L2数据帧用户AOSI数据交换原理T203物理层负责把逐个的比特从一跳（结点）移动到另一跳（结点）定义接口和媒体的物理特性（线序、电压、电流），定义比特的表示、

数据传输速率、信号传输模式，定义网络物理拓扑，代表设备集线器。物理层应用层L2数据从数据链路层01110111011110110010传输介质物理层应用层L2数据到数据链路层01110111011110110010用户A用户BOSI数据交换原理03链路层提供可靠的数据传输服务，把帧从一跳（结点）移动到另一跳（结点）组帧、物理编址、流量控制、差错控制、接入控制，代表设备为交换机数据链路层应用层到物理层L4数据数据的编码、加密与压缩L3数据从网络层L2数据H2T2帧数据链路层应用层从物理层L4数据数据的编码、加密与压缩L3数据到网络层L2数据H2T2帧用户B用户AOSI数据交换原理03网络层负责将分组数据从源端传输到目的端为网络设备提供逻辑地址、进行路由选择、维护路由表，代表设备为路由器。OSI数据交换原理网络层应用层到数据链路层L4数据数据的编码、加密与压缩L4数据从传输层L3数据包用户AH3网络层应用层从数据链路层L4数据数据的编码、加密与压缩L4数据到传输层L3数据包用户BH303传输层负责建立端到端的连接，保证报文在端到端之间的传输服务点编址、分段与重组、连接控制、流量控制、差错控制。传输层应用层从网络层L4数据数据的编码、加密与压缩H4H4H4L5数据到会话层L4数据L4数据用户BOSI数据交换原理传输层应用层到网络层L4数据数据的编码、加密与压缩H4H4H4L5数据从会话层L4数据L4数据用户A03会话层负责建立、管理和终止表示层实体之间的会话连接在设备或节点之间提供会话控制，协调通信过程，并提供三种不同的

方式来组织它们之间的通信。会话层应用层L5数据数据的编码、加密与压缩synsynsynH5L6数据到表示层从传输层用户BOSI数据交换原理会话层应用层到传输层L5数据数据的编码、加密与压缩synsynsynH5L6数据从表示层用户AH503表示层数据的编码与解码、加密与解密、压缩与解压缩图片：JPG、GIF；音频：MP3、WMA、ACC；视频：MP4、AVI应用层表示层从会话层L7数据到应用层L6数据数据的解码、解密与解压缩H6用户BOSI数据交换原理应用层表示层到会话层L7数据从应用层L6数据数据的编码、加密与压缩H6用户A03应用层为应用软件提供接口，使应用程序能够使用网络服务常见的应用协议：HTTP(80)、HTTPS(443)、SMPT(25)、POP3(110)、

TELNET(23)、DNS(53)、FTP(20/21)应用层应用层HTTPFTPSMPTL7数据到表示层用户B应用层应用层HTTPFTPSMPTL7数据从表示层用户AOSI数据交换原理03OSI数据交换原理04OSI的特点01030204模型复杂结合“服务”与“协议”

标准模型引进了服务、接口、协议、分层的概念通用性在协议开发前设计的“理论”模型理想化的蓝图，实际并不使用OSI协议封装解封装特征知识小结0102物理层、数据链路层、网络层的数据传输单元、典型设备分别是什么？OSI参考模型有何意义和价值？思考05头脑风暴敬请批评指正谢谢聆听初识工业网络任务：传统网络-现场总线主讲：王春峰任务引入早期控制系统结构现场总线控制系统并行传输的模拟量及开关量串行传输的数字信号现场总线的概念01现场总线的模型02现场总线的案例03现场总线的特征04目录CONTENTS01现场总线的概念现场总线技术是指用于工业生产现场的工业控制技术，是一种在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、互联、串行和多节点的数字通信技术。01现场总线的概念现场总线是专为工业现场设计的,为实现企业综合自动化提供了基础。01现场总线的概念现场通讯网络沟通生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系现场设备互连现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等。互操作性对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，具备相互操作的功能。01现场总线的概念信号类型由模拟信号→双向数字通信。控制系统的体系结构模拟与数字的混合控制→全数字现场总线控制。控制系统的设备功能现场设备智能化，具有程序及参数存储与控制功能。01现场总线的概念ProfibusCANLonWorksCC-Link。Modbus。DeviceNet现场总线德国国家标准DINl9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，包括Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA德国BOSCH公司开发，用于汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网数据通信，其总线规范被制订为国际标准（ISO11898）采用了ISO／OSI模型的全部七层通讯协议由三菱电机为主导的多家公司推出，唯一起源于亚洲地区的总线系统应用于电子控制器上的一种通用语言，应用广泛，很多厂家的工控器、PLC、变频器、智能I/O与A/D模块等设备都具备Modbus接口。美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的总线01现场总线的概念总线型菊花链02现场总线的模型ISO/OSI应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层现场总线协议应用层总线访问子层数据链路层物理层传输介质、拓扑结构及接口标准规定物理层与应用层之间的接口、信息传输的差错校验命令、响应、数据和事件02现场总线的模型ISO/OSI应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层Profibus-DP用户接口层隐去第三至第七层数据链路层物理层规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能03现场总线的案例电解车间智能工厂现场控制后台监控

PROFIBUS-DP

CM1542-5DP主站通信模块

CM1242-5DP从站通信模块周期性通讯：用户数据非周期性通讯：组态、诊断、报警2对冗余的控制器H1PLCPROFIBUSDPMODBUSPLCRemoteI/O1台工程师站4台操作员站12台03甲醇及一氧化碳装置现场总线的案例冗余设计

主控制器副控制器现场总线是工厂底层网络的开放系统，通讯协议一致公开特征1特征2特征3特征4系统中信号的测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能都是在现场设备中完成的各控制单元高度分散、自成体系，有效简化了系统结构，提高了可靠性。开放性智能化与功能自治性互联性高度分散性通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体04现场总线的特征头脑风暴自动化现场总线PROFIBUSMODBUSCC-LINK知识小结0102现场总线中用户层有何作用？不同厂商不同品牌的现场设备是如何统一组态的？思考敬请批评指正谢谢聆听初识工业网络任务：现代网络-工业以太网主讲：王春峰任务引入

透明工厂任务引入

智慧工厂工业以太网的概念01工业以太网的结构02工业以太网的模型03工业以太网的特征04目录CONTENTS案例分析0501工业以太网的概念工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，是基于IEEE802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络,，实现了工业控制网络与工业信息网络之间的连接，有利于“控管一体化”。全开放全数字化软硬件可选受欢迎主流工业以太网EtherCATEthernet/IPPROFINETModbusTCPPOWERLINK01工业以太网的概念实时性能、灵活拓扑、高精度设备同步、功能性安全协议建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上PROFIBUS国际组织推出，8个模块基于以太网TCP/IP，ModbusTCP协议是一项应用层报文传输协议Ethernet上的CANopen02工业以太网的结构星型总线型02工业以太网的结构环形02工业以太网的结构星型+总线环型+总线02工业以太网的结构冗余环网03工业以太网的模型物理层数据链路层网络层传输层应用层TCP/IP五层模型网络接口层网际互联层传输层应用层TCP/IP四层模型工业以太网模型现场总线模型03工业以太网的模型保留现场总线应用层协议04工业以太网的特征34125资源共享透明的TCP/IP实时性高通信速率高稳定可靠04工业网络的特征05案例分析晾板设备智能控制系统以太网TCP协议IP协议透明工厂PROFINET知识小结01工业以太网与现场总线有何关联与区别？思考02工业以太网为什么要进行冗余设计？头脑风暴敬请批评指正谢谢聆听初识工业网络任务：未来网络-工业互联网主讲：王春峰任务引入云制造

云上数字工厂工业互联网的概念01工业互联网的结构02工业互联网的引擎03工业互联网的数据传输04目录CONTENTS01工业互联网的概念工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。01工业互联网的概念01工业互联网的概念02工业互联网的结构网络体系是基础“血液循环系统”工业全系统、全产业链、全价值链的深度互联全要素：人、物品、机器、车间、企业等各环节：设计、研发、生产、管理、服务平台体系是核心“神经中枢系统”工业智能化发展的核心载体海量数据汇聚与建模分析，各类创新应用开发与运行制造能力标准化与服务化、工业知识软件化与模块化安全体系是保障“免疫防护系统”工业智能化的安全可信保障满足工业需求的安全技术和管理体系识别和抵御安全威胁，化解各种安全风险02工业互联网的结构

前端控制层

网络传输层

数据管理层02工业互联网的结构

前端控制层02工业互联网的结构

网络传输层02工业互联网的结构

数据管理层03工业互联网的引擎协议转换：云端标准协议MQTT与工业设备不同协议的相互转化。边缘计算：在靠近传感器或数据源头的网络边缘侧实现数据分析、处理与存储，降低云计算中心的计算负载，减缓网络带宽的压力，提高数据的处理效率。03工业互联网的引擎

智能楼宇前端控制层网络传输层数据管理层

协议转换工业数据上云的前提条件决定哪些工业数据上云04工业互联网的数据传输网线PLC物联网网关客户端云服务器过程三：网关转换协议转发命令至PLC过程二：云服务器发送命令至网关过程一：移动终端访问云服务器04工业互联网的数据传输添加网关，关联PLC变量被授权协议转换执行任务蜂鸣器电机指示灯PLC物联网网关电脑手机云服务器04工业互联网的数据传输云端协议与工业设备协议的相互转化为移动终端的访问提供了云平台TCP/IPMQTT互联网

网关协议转换远程控制云制造知识小结01工业互联网与工业以太网有什么区别？思考02为什么说网关是工业互联网的入口和引擎？头脑风暴敬请批评指正谢谢聆听初识工业网络任务：工业网络的安全防护主讲：王春峰任务引入任务引入任务引入工业网络的安全形势01工业网络的安全风险分析02工业网络的安全技术体系03工业网络的安全防护技术04目录CONTENTS01工业网络的安全形势•开放式IEEE802.3的工业以太网PLPLPLPLAPPLICATIONMES应用ERP控制网络•透明的TCP(UDP)/IP网络协议•统一的OPC、ModbusTCP等接口标准•标准商用操作系统、中间件与各种通用软件•无线设备及工业云01工业网络的安全形势01工业网络的安全形势全球首个投入实战的网络战武器，专门针对工业控制系统编写的破坏性病毒能够利用对windows系统和西门子SIMATICWinCC系统的漏洞进行攻击针对西门子公司的SIMATIC