工业互联系统分析与设计 课件 第四章工业网络通信

工业互联网

IndustrialInternet01第三章工业物联感知——上节回顾随堂小测1.工业互联网物联感知技术一般不包括_________。A.标识技术B.计算技术C.传感技术D.视觉技术E.定位技术2.（多选）工业互联网的标识技术包括_________。A.条形码B.二维码C.

RFID（射频识别）D.“北斗”系统3.以下不属于传感器的是_________。A.照相机B.电子体重秤C.血压监测手环D.水银体温计E.红外测距仪2工业互联网物联感知架构回顾第三章工业物联感知——上节回顾2设备音频；设备辐射；……订单信息;客户需求变更；……机器触感；机器温度；……信息感知产品位置；机器人位置；人的位置；……视觉传感器（摄像头）温度传感器红外传感器压力传感器烟雾传感器……数据传输蓝牙通信蜂窝通信有线通信以太网卫星通信……数据处理机器学习数据挖掘数据融合人工智能大数据……决策应用服务安全管理……平台层3第四章工业网络通信——课时安排本次课时任务时间80分钟主要学习内容网络通信背景（25分钟）；工业现场级网络传输（15分钟）；工业有线通信方式（20分钟）；工业无线通信方式（20分钟）；主要目标了解通信的背景与发展历程；了解工业中常见的有线通信（以太网等）方式。了解工业中常见的无线通信（wifi、蓝牙、5G等）方式。4第四章工业网络通信——架构回顾工业互联网通信传输架构回顾设备音频；设备辐射；……订单信息;客户需求变更；……机器触感；机器温度；……信息感知产品位置；机器人位置；人的位置；……视觉传感器（摄像头）温度传感器红外传感器压力传感器烟雾传感器……数据传输蓝牙通信蜂窝通信有线通信以太网卫星通信……数据处理机器学习数据挖掘数据融合人工智能大数据……决策应用服务安全管理……平台层5第四章工业网络通信——Warmingup头脑风暴——如何将信息准确传达到对方？5月20日马上就要到了，如何将“520”这三个数字准确传递给TA？6第四章工业网络通信——Warmingup头脑风暴——如何将信息准确传达到对方？说——口（声带）→声波→耳（鼓膜）

写——写（手）→纸（载体）→眼（看）拍——皮肤（压力）→神经细胞→大脑（触觉）比划——姿势→光（电磁波）→眼（看）暗语？——加密→写（手）→纸（载体）→眼（看）→解密7第四章工业网络通信——通信发展历程什么是通信？

通信，指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递。从广义上指需要信息的双方或多方采用任意方法、任意媒质，将信息从某方准确安全地传送到另方。通信的本质：信息传递！8第四章工业网络通信——通信发展历程生物纪元

图A中的激素合成到分泌所经过的细胞器有_核糖体、内质网、高尔基体_。肝细胞膜上受体的化学成分是_糖蛋白_。肝细胞接受这一激素刺激后所发生的生理反应是_葡萄糖合成肝糖原_。图B中的突触在传递信号时，实现了电信号→_化学信号_→_电信号_转换和传导，使下一个神经元产生_兴奋或抑制_。图C所示的抗体与抗原刺激机体产生的抗体，在分布部位上的区别是_吸附在细胞表面_。这一过程细胞所释放的组织胺作为信号分子会导致血管的变化是_抗原刺激机体产生的抗体主要分布在血清中血管通透性变大_。9第四章工业网络通信——通信发展历程生物纪元10第四章工业网络通信——通信发展历程语言纪元人类（动物）有了语言，就摆脱了依靠基因传递信息这种低效率的形式。11第四章工业网络通信——通信发展历程文书纪元文字和书写系统的发明，写字的泥板、竹简、纸张和印刷术都是为了信息的传递。12第四章工业网络通信——通信发展历程文书纪元但是，长距离快速传递信息一直是一个没有被解决的问题。过去，马能跑多快，信息就能够被传递多快。在罗马帝国时代，有了类似于中国后来的驿道和驿站，从美索不达米亚将信息传递到地中海另一头的西班牙，大约花费7~10天时间。比如恺撒大帝常常已经到了某地，而他提前派出的信使却还在路上。典故快马传书快马加鞭八百里加急“山高皇帝远”“一骑红尘妃子笑，无人知是荔枝来”陕西西安距离广州的直线距离将近1600公里，4天内送到，每天400公里（800里）13第四章工业网络通信——通信发展历程烽火纪元烽火台能解决一些问题，但是从通信的角度讲，它只能传递一个比特信息而已，也就是有敌情和没有敌情两种情况。另外，它传递的误码率还很高，因为如果谁不小心在两个烽火台的半中间点燃了火，可能会引起周围的误判。烽火狼烟14第四章工业网络通信——通信发展历程航海纪元为了便于船队之间的通信水手们发明了信号旗。在随后的英国荷兰战争中，英国皇家海军将信号旗语规范化，用11种不同的信号旗相互组合，传达45种信号。海上的信号旗语后来不断发展不断改进，一直沿用至今。“旗语”15第四章工业网络通信——通信发展历程塔楼纪元信号旗是在没有遮挡的大海上，在一定的范围之内一种很好的通信方法，但是在陆地上，由于有山峦森林和城市的阻挡效果并不理想。那么如何超越地形阻碍传递信息呢?人们首先想到的是把信号塔建得高高的。到了18世纪末，法国工程师克劳迪·夏普和他兄弟设计了一种高大的机械手臂来远程传递信息。16第四章工业网络通信——通信发展历程塔楼纪元夏普在他四个兄弟的帮助下，在巴黎和里尔之间，建设了15个高塔，延绵200公里，每个高塔上有一个信号臂，每个信号臂有190多种姿势，表达190多种信息。由于信号塔和信号臂非常高，十几公里外都能看见，因此就可以用它来传递情报。1792年，夏普兄弟展示了这种通信系统，他们在九分钟内将情报从巴黎传递到里尔，在过去做到这件事需要大约一天的时间。17第四章工业网络通信——通信发展历程塔楼纪元这种信号塔很有效，但造价比较高，不过当时法国正好在和奥地利等反法同盟国家开战，急需这种系统传递情报，还是一口气造了556个，形成了一个庞大的通信网，整个网络线路长达4800公里，这可能是近代最早的通信网络了。由于信号塔在通信中的有效性，后来西班牙和英国也纷纷建立起自己的系统，信号塔主导的通信系统一度主导了世界。但是，信塔的衰落比它的兴起还快因为电报出现了。18第四章工业网络通信——通信发展历程电报纪元不过，它们之所以能在长距离有效地传递多种信息，是因为它们有各自完整、准确的编码和解码规则。这样就可以把抽象的信息翻译成具体的信号传送出去。电报就是一套可以对信息进行更简单编码并且进行更有效传输的通信系统。19第四章工业网络通信——通信发展历程电报纪元电报是通信史上的一个重要节点，它意味着时间和空间控制人类的时代一去不复返了。电报的发明过程也是这一讲通信变革的重点。电报的发明要感谢美国位精通数学和电学的画家塞缪尔·莫尔斯。虽然我们今天说到莫尔斯电报码时，总是先入为主地认为他就该是一个科学家，但是在他的年代大家还是把他主要当成画家，即使在他发明了电报之后，他还是继续以作画卖画为主业。20第四章工业网络通信——通信发展历程电报纪元莫尔斯发明电报纯属一个偶然事件。1825年，莫尔斯接了个大合同，要去当时离家五百公里的华盛顿作画。在华盛顿期间，莫尔斯收到了父亲的一封来信说他的妻子病了，莫尔斯马上放下手上的工作赶回家。但是等他赶到家时，他的妻子已经下葬了。这件事对他的打击非常大，他从此开始致力于发明一种能远距离快速通信的方法。塞缪尔·莫尔斯演示电报21第四章工业网络通信——通信发展历程电报纪元莫尔斯的电学和数学基础扎实，他解决了电报的两个最关键的问题——一是如何将信息或文字变成电信号，二是如何将电信号传到远处。1836年，莫尔斯解决了用电信号对英语字母编码的问题，这也形成了最终的莫尔斯码。我们在谋战片中经常看到发报员“嘀嘀嗒”地发报，嘀声的不同其实是继电器接触的时间长短不同所造成的，“嘀”就是开关的短暂接触，可以理解成二进制的0，“嗒”(就是开关的长时间(要求至少三倍以上)接触，可以理解成1。22第四章工业网络通信——通信发展历程电报纪元

0和1的组合，就可以表示出所有的英语字母。当时虽然还没有信息理论，但是还是根据常识对经常出现的字母采用较短的编码，对不常见的字母用较长的编码，这样就可以降低编码的整体长度。下面这张图片，是莫尔斯电码的编码方法，你可以看看它的编码规则。23第四章工业网络通信——通信发展历程通信纪元从信号旗，到信号臂，再到莫尔斯电报，虽然形式不同，通信的效率不同，但是有两个根本之处是相同的。首先，编码是通信的核心，语言本身就是一种编码。信号旗语，信号臂的姿势，莫尔斯电码，都是将信息进行编码。信息编码传递解码信息24第四章工业网络通信——通信发展历程通信纪元其次，通信的设施和编码的设计是相匹配的，其功能是将编了码的信息传递出去。莫尔斯设计的电报系统采用长短结合的方式传递信息，是因为各种信息能够使用“嘀、嗒”两种信号编码。今天我们基于计算机的数字通信采用“0、1编码，是因为我们使用的电路很容易实现高电压(对应0或者1)和低电压(对应另外一个数值)。25第四章工业网络通信——通信发展历程信息文明纪元电报让各地的人类文明，第一次无时差地连接为一个整体，这不仅是通信史上划时代的变革，甚至可以认为，这是人类文明的里程碑。我们可以把电报出现之前的人类文明称为能量文明，而电报发明之后，人类社会就迈入了信息文明的大门。当然了，对老百姓来讲，比电报更实用的远程通信是电话。普通家庭是不可能自己装电报机的，一般人也不会去学习收发电报的，但是电话拿起来就可以用，要方便许多。26第四章工业网络通信——通信发展历程信息文明纪元

第四章工业网络通信274.1现场级网络传输28第四章工业网络通信——1.现场级网络传输网络硬件设备

交换机：意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。路由器：是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起网关的作用，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备。29第四章工业网络通信——1.现场级网络传输网络硬件设备

网桥是早期的两端口二层网络设备。网桥的两个端口分别有一条独立的交换信道，不是共享一条背板总线，可隔离冲突域。网关又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连，既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。30第四章工业网络通信——1.现场级网络传输网络硬件设备

远程I/O是具有通信功能的数据采集/传送模块，自身没有控制调节功能。只是将现场数据送到控制中心（比如PLC），或者接受控制中心的数据，对现场设备进行控制。31第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议工业通信协议是指工业控制领域的双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。32第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议当今工业通讯协议的格局。33第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议TCP/IP——协议TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇34第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——MQTT

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。35第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——MQTT发展历程IBM公司的安迪·斯坦福-克拉克及Arcom公司的阿兰·尼普于1999年撰写了该协议的第一个版本该协议的可用性取决于该协议的使用环境。IBM公司在2013年就向结构化资讯标准促进组织提交了MQTT3.1版规范，并附有相关章程，以确保只能对规范进行少量更改。MQTT-SN是针对非TCP/IP网络上的嵌入式设备主要协议的变种，与此类似的还有ZigBee协议纵观行业的发展历程，“MQTT”中的“MQ”是来自于IBM的MQ系列消息队列产品线。然而通常队列本身不需要作为标准功能来支持可选协议包含了高级消息队列协议，面向文本的消息传递协议，互联网工程任务组约束应用协议，可扩展消息与存在协议，数据分发服务，OPCUA以及web应用程序消息传递协议36第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——MQTT的实现FacebookMessenger：已经在FacebookMessenger上用了MQTT的多个特性用于网络聊天扩展型集成电子控制中心,Resonate集团的最新版集成电子控制中心的信号控制系统把MQTT用于系统的各个部分与信号系统的其他组件之间的通信交流。为符合欧洲电工标准委员会重要安全通信标准的系统提供了底层通信框架EVERYTHING公司的IoT平台使用MQTT作为机器对机器的协议来为数百万个产品提供服务在2015年，亚马逊网络服务平台宣布AmazonIot是基于MQTT的MicrosoftAzureIotHub使用MQTT作为遥测消息的主要协议，尤其是使用NVIDIAGeForceGTX690进行数据包加速时，效率可提升100%到120%37第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——MQTT的实现随着物联网技术迅猛发展，新型信息传感设备以及各类有线、无线网络技术在石油勘探、生产与储运环境中逐渐普及使用。在石油生产与运输储存场景中，通过工业边缘网关将传统工业总线协议与PLC协议转化成物联网MQTT协议，将现场实时数据传递到数据中心，以实现对现场数据远程采集与集中化管理，是目前石油石化企业生产监控技术改造的重点方向之一。38第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——OPCUA

OPCUA（OpenPlatformCommunicationsUnifiedArchitecture）是一种工业通信协议，主要用于在工业自动化系统中交换信息。它是一种基于服务的通信协议，可以在各种不同的系统和设备之间实现互操作性。39第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——OPCUA工业应用案例某知名汽车零部件制造厂商现场使用了多个厂家的设备和控制系统，包括西门子、博世、霍尼韦尔等，这些厂家提供与设备相对应的OPC服务器来进行实时数据采集，并通过OPCClassic接口将数据上传至MES系统，以进行生产计划、报工统计、质量追溯等工作。随着工业4.0的发展以及企业的业务扩张，该公司原有MES系统所伴有的技术落后、难以维护等问题日益凸显，已无法满足新的业务需求，因此该公司决定升级MES系统，且新的MES系统将支持OPCUA接口。由于OPCClassic通信存在通信速度慢、数据传输不安全等，客户决定将现有的OPCClassic服务器升级为OPCUA服务器，以在实现更好的数据通信和更高的安全性同时，更便于与MES系统进行数据交互。40第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——SCADA协议SCADA协议是用于监控和数据采集系统中的通信协议，用于实现传感器、控制器和中央监控站等各个组件之间的数据交换。一些常见的SCADA协议包括：Modbus、DNP3、IEC60870、OPC、Profibus、Ethernet/IP。41第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通信协议——SCADA的工业应用融合模式的网络架构是下一代智能工控体系架构的必然选择，下一代智能工业体系架构不仅仅是架构上从五层简化为三层，并且真正实现了设备终端的的全智能、全互联，数据的直采。集中式ERP与MES向数字孪生驱动的生产要素管理与决策一体化系统发展，融合成为“管理与决策一体化的智能化系统”；在厂部/车间，随着集控化的发展，制造流程全局优化的需求，驱动控制系统向高性能智能自主控制系统发展，驱动单元自动化系统向全流程多工序协同优化控制系统发展，驱动本地监控向远程移动可视化监控系统发展，从而传统的生产监控系统和控制系统将被分布式的“智能化自主控制系统”所替代。在生产现场，传统的工业装备、终端逐渐被智能化的装备、终端所替代。42第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通讯协议转换器工业通讯协议转换器是一种用于连接不同工业设备的网络设备。它的作用是将一个设备使用的通讯协议转换成另一个设备所使用的通讯协议，以便它们能够互相通信和交换数据。fe1/v35协议转换器e1-rs232协议转换器43第四章工业网络通信——1.现场级网络传输工业通讯协议转换器这种设备在工业自动化领域非常常见，因为不同厂商的设备通常会使用不同的通讯协议，而通讯协议转换器可以帮助这些设备实现互联互通，提高系统的整体效率和可靠性。通常，工业通讯协议转换器会支持多种常见的通讯协议，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP、DeviceNet等，从而满足不同设备之间的通讯需求。第四章工业网络通信444.2工业有线通信方式45第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式工业有线通信方式在工业领域中广泛应用，根据具体的应用场景和需求选择合适的通信方式可以有效实现设备间的数据交换和控制，工业领域中常见的有线通信方式主要包括以下几种：RS-232和RS-485：两种常见的串行通信标准，用于连接各种工业设备。Modbus：一种串行通信协议，广泛应用于工业自动化领域。Profibus：用于工业自动化领域的现场总线通信协议。CAN（ControllerAreaNetwork）：一种广泛应用于汽车、工业控制等领域的串行通信协议。以太网（Ethernet）：以太网是一种广泛应用于工业控制系统中的通信协议。46第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——RS-232和RS-485RS-232和RS-485是两种常见的串行通信标准，常用于连接计算机、工业设备和外部设备等，RS-232适用于较短距离的通信需求，而RS-485适用于较长距离和多点通信的工业环境，它们之间有一些重要的区别。RS-485是一种用于工业环境的串行通信标准，适用于较长距离和多点通信。它使用差分信号线进行通信，即两根信号线分别传输正负信号，可以有效抵消干扰，因此适用于较长距离通信，最长可达1200米。RS-485通常使用两根信号线（A线和B线）以及一个地线进行通信。RS-485支持多点通信，即多个设备可以连接到同一总线上进行通信，但在同一时刻只有一个设备可以发送数据，其他设备处于接收模式。47第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——RS-232和RS-48548第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——RS-232和RS-485实例采矿生产环境复杂，环节众多，温湿度传感器、压力传感器、转速传感器、重量传感器等采用的协议及接口各不相同，各系统协同配合复杂度高。为了实现各部门数据统一、打通矿山企业各系统的信息孤岛，金川集团规划建设了多元数据融合的统一IP网络，联接矿山现场的各种设备，实现数据采集和分析。为了对传统设备进行数据采集，金川集团采用内置容器功能的边缘工业网关，将RS232与RS485等接口的数据转换成IP协议，再由统一IP网络上传到统一的数据平台，供不同的系统访问。同时，金川集团在统一IP网络上建立了办公网、能控网、视频监控网、烟气系统网和资产管理系统网等共计5张逻辑网络，通过防火墙进行隔离，并按需提供互联网访问，构建了边界网络安全防护系统，提升了工业网络的安全性。金川集团构建多元数据融合的统一IP网络金川集团构建多元数据融合的统一IP网络49第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——Modbus

Modbus是一种常见的串行通信协议，用于工业自动化领域中的设备间通信和数据传输。它通常通过RS-232、RS-485等物理介质进行通信，被广泛应用于连接PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、执行器等设备。Modbus协议包括ModbusRTU、ModbusASCII和ModbusTCP/IP等几种变体，其中ModbusRTU和ModbusASCII是串行通信协议，而ModbusTCP/IP是基于以太网的协议。ModbusRTU是最常见的变体之一，采用二进制格式进行数据传输，具有简单、高效的特点，适用于工业环境中的实时通信和控制需求。Modbus协议主要包括读取保持寄存器、写入保持寄存器、读取输入寄存器、写入单个线圈等功能码，通过这些功能码可以实现设备间的数据读写和控制操作。由于Modbus协议的简单性和可靠性，它被广泛应用于工业自动化领域的设备连接和数据交换。50第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——Modbus实例Modbus在污水处理中的应用51第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——ProfibusProfibus是一种常见的工业现场总线通信协议，用于连接自动化领域中的设备和控制系统。主要分为ProfibusDP（分布式I/O）和ProfibusPA（过程自动化）它被广泛应用于工业自动化、过程控制和制造业等领域，提供了可靠的实时数据通信和设备控制功能。Profibus协议支持高速数据传输和实时通信，可用于连接各种工业设备，包括PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、执行器、变频器等。它可以通过串行总线或光纤通信，适用于不同规模和复杂度的工业网络。52第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——Profibus实例电厂的补给水程控系统由预处理系统、化学除盐系统和酸碱系统构成，主要工艺设备包括阴床、阳床、混床、酸碱箱、风机、水泵等，主要测量仪表包括压力变送器、差压变送器、液位计、流量计、温度、酸度计、碱度计、硅表、钠表、浊度计等；另外还有大量的气动隔膜阀、电机等。对于这样的系统，我们可以采用PROFIBUS总线来完成监控任务。Profibus在电厂中的应用53第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——CANCAN（ControllerAreaNetwork）是一种常见的串行通信协议，广泛应用于汽车、工业控制和设备通信等领域。它最初由德国的Bosch公司开发，用于解决汽车电子系统之间的通信需求，如发动机控制单元、传感器、执行器等之间的数据交换。54第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——CAN

CAN协议具有以下特点：高可靠性：CAN协议采用差分信号传输，具有抗干扰能力强、抗噪声能力高的特点，适用于工业环境和汽车电子系统中的嘈杂环境。实时性：CAN协议支持实时数据传输，适用于对通信时延要求较高的应用场景，如汽车控制系统和工业控制系统等。多点通信：CAN总线支持多个节点设备连接到同一总线上进行通信，每个节点可以发送和接收数据，因此适用于多设备之间的数据交换。灵活性：CAN协议提供了灵活的数据帧格式和通信速率设置，可以根据具体应用的需求进行配置和调整。低成本：由于CAN总线的简单性和广泛应用，相关硬件和设备成本相对较低，使其成为许多应用中的首选通信解决方案。55第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——CAN实例CAN总线技术在汽车中的应用56第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——以太网以太网是一种广泛应用于局域网（LAN）的通信技术，用于连接计算机、设备和网络资源，使它们能够彼此之间进行数据交换和通信。以太网使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）协议，即载波侦听多路访问与冲突检测。在发送数据前，设备会检查信道上是否有其他设备在发送数据，如果信道空闲，设备将开始发送数据。如果多个设备同时发送数据导致碰撞，它们将通过冲突检测机制来检测碰撞并在一定时间后重新发送数据57第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——以太网常见工业实时以太网的关键参数比较比较项EthernetPowerlinkProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCATEthernet/IPCIP抖动<<1μs<1μs<1μs<<1μs<1μs循环周期100μs(Max)1ms25μs100μs100μs传输距离100m100m40m100m100m介质双绞线/M12/光纤双绞线光纤双绞线/M12光纤需特殊硬件无特殊硬件需求Yes/ASICFPGAorASICYes/从站ASICASIC开放性开源技术需授权需授权需授权需授权需要RTOSNoYesYesYesNo58第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——以太网工业以太网类型的通讯网络通常具有更低的通信延迟、更高的实时性能、更强的抗干扰能力，适用于对实时性能要求非常高的应用。59第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式工业有线通信方式——以太网工业现场总线协议的演变工业现场总线占目前市场近半，可简化控制系统的设计安装、使用和检修维护，但标准碎片化，兼容性差，时延无保证传统以太网为办公自动化设计，采用CSMA/CD（载波监听/碰撞避免）方式来统计复用，但工业环境设备多，存在大量冲突，重发频繁，效率太低工业以太网从高速、交换机和同步机制三方面提供实时和可靠性，目前占约一半市场，但时延仍大TSN改进工业以太网，在数据链路层报头的VLAN标签中増加QoS分类，允许高优先级的帧抢占低优先级帧，保证低时延传输现场总线以太网工业以太网时延敏感网络企业内网协议60第四章工业网络通信——2.工业有线通信方式灵活以太网技术工业有线通信方式——以太网工业应用灵活以太网技术（FlexE）是在Ethernet技术基础上，为满足高速传送、带宽配置灵活等需求而发展的技术。通过在IEEE802.3基础上引入FlexEShim层实现了MAC与PHY层解耦，实现了灵活的速率匹配。灵活以太网基于Client/Group架构定义，可以支持任意多个不同子接口(FlexEClient)在任意一组PHY(FlexEGroup)上的映射和传输，从而实现端口捆绑、通道化及子速率等功能。第四章工业网络通信614.3工业无线通信方式62第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式现有的主要工业无线技术无线网络技术逐步向工业领域渗透。GB/T26790《工业无线网络WIA规范》第1部分:用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范GB/T26790《工业无线网络WIA规范》第2部分:用于工厂自动化的WIA系统结构与通信规范WIA-FAWIA-PA63第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式现有的主要工业无线技术服务商协议终端模组运营商基站平台芯片64第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——ZigbeeZigbee是一种低功耗、低数据速率、近距离无线通信协议，旨在支持物联网（IoT）和嵌入式网络应用。它是基于IEEE802.15.4标准的协议，为各种设备提供了一种有效的无线通信方式，特别适用于需要长期运行且功耗要求较低的应用。Zigbee被广泛应用于智能家居、工业自动化、智能医疗、智能城市等领域。它可以用于连接各种设备，如智能灯具、智能插座、智能门锁、传感器节点等，实现设备之间的互联和智能控制。65第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——Zigbee应用成果共享单车无线能量采集9.67dBi

天线增益53.8m

最大能量接收距离66第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——Zigbee应用成果结构健康监测——钢结构桥梁桁架形变监测67第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——bluetooth蓝牙（bluetooth）是一种短距离无线通信技术，用于连接各种电子设备，例如智能手机、耳机、音箱、键盘、鼠标和其他周边设备，目前蓝牙技术已经成为连接各种移动设备和周边设备的标准之一，为用户提供了便利的无线通信和数据传输解决方案。68第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——bluetooth一种短距离无线通信技术，名称来源于十世纪统一了丹麦的国王爱立信1994年创建，作为RS232数据线的无线替代方案应用：手机、电脑设备、室内定位等近距离、低功耗、抗干扰能力强（自适应跳频技术）、体积小、较高的安全可靠传输能力支持异步数据和同步语音的同时传输市场需求大，产品种类多发展趋势：单芯片化与传感器结合、产品可操作性、与其他技术共存、物联网应用69第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——bluetooth实例传统的布线方式严重阻碍着传动装置振动监测系统的部署及推广，而WiFi无线连接功耗高，433MHz、Zigbee、LoRa等又受协议不通用所限制，难以在全球范围内推广，也非最佳解决方案。桂花网的蓝牙路由此时进入ABB视野。不同于传统蓝牙，桂花网早在2015年就推出世界首台远距离蓝牙路由器，成为物联网发展的里程碑。桂花网为ABB量身打造的这套蓝牙路由解决方案里，满足了ABB的核心诉求——低功耗；协议通用；安全稳定；远距离，一对多。桂花网蓝牙路由在ABB当中的应用70第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——Wi-FiWi-Fi是一种无线局域网技术，它允许设备在无需物理连接的情况下进行数据通信和互联网访问，如今，Wi-Fi技术已经成为现代生活中不可或缺的一部分，为用户提供了方便快捷的无线连接和高速数据传输的解决方案。71第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——Wi-Fi短距离无线传输技术，支持互联网接入，又称“无线热点”或“无线网络”，是Wi-Fi联盟的商标，一个基于IEEE802.11标准的无线局域网技术由来：Wi-Fi一词是没有任何意义，也没有全写的。1999年，几家富有远见的公司联合起来组成了一个全球性非营利性协会——无线以太网兼容性联盟（WirelessEthernetCompatibilityAlliance,WECA），其目标是使用一种新的无线网络技术，无论品牌如何，都能带来最佳的用户体验。在2000年，该小组采用术语“Wi-Fi”作为其技术工作的专有名称，并宣布了正式名称：Wi-FiAlliance智能家居、支持家庭互联；补充GPS的定位不足（如无卫星信号场所）等低扩展性、高功耗72第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——Wi-Fi实例背景固件本地管理，版本混乱电缆部署困难，测试环境恶略数据现场分析、工程师测试效率低系统框架73第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——LoRaWANLoRaWAN是一种用于长距离、低功耗的无线通信技术，适用于物联网（IoT）和远程传感器网络.LoRaWAN使用长程调制（LoRa）技术，通过发送调制的无线信号来实现长距离通信。LoRaWAN网络通常由一个或多个基站组成，这些基站负责与设备通信并将数据传输到云端服务器。74第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——LoRaWAN以下是LoRaWAN的一些特性：低功耗：LoRaWAN设备通常采用低功耗设计，可以使用长时间而不需要更换电池。这使得LoRaWAN非常适合用于需要长期运行的应用，如智能农业、环境监测、智能城市等。长距离通信：LoRaWAN技术支持长距离通信，覆盖范围可以达到数公里甚至更远，这使得LoRaWAN非常适合用于需要远程监测和控制的应用。网络拓扑：LoRaWAN网络支持星型和网状拓扑结构。在星型结构中，所有设备直接连接到一个中心基站；在网状结构中，设备可以通过其他设备中继通信，扩展了网络覆盖范围。安全性：LoRaWAN提供了端到端的加密和认证机制，以保护数据传输的安全性和隐私。应用领域：LoRaWAN被广泛应用于智能农业、智能城市、环境监测、工业自动化等领域。它可以连接各种类型的传感器和设备，实现远程监测、数据收集和控制。75第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——LoRaWAN部署情况34个公开声明部署的网络，至少150个在进行的城市试点部署76第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——LoRaWAN应用方案智慧停车车位状态实时监测；信息透明，杜绝城市停车管理混乱智能井盖实时监控城市井盖位置信息对于井盖异常丢失、异常开启、破损等状态信息实时传输用于数据分析和预警路灯监测远距离路灯控制、故障、线路监测，实现动态照明，节能管理云管理平台调控中心防火墙防火墙井盖垃圾箱CY-LRB-101开关检测器CY-LRB-101开关检测器CY-LRB-101开关检测器CY-LRB-101开关检测器77第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——LoRaWAN应用方案追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型部署的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在需要场所部网，可以是仓库或者运输车辆上，CY-LRB-101便派上了用场，而LPWAN网络使用网关/集中器扩展系统容量，基础设施容易建设和部署78第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——LoRaWAN应用方案工厂机器的运行需要实时的监控，不仅可以保证生产效率而且通过远程监控可以提高人工效率。在工厂的自动化制造和生产中，有许多不同类型的传感器和设备。一些场景需要低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池来追踪设备、监控状态智能工业79第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——NB-loT窄带物联网（NB-IoT）是一种专门设计用于连接大量低功耗设备的无线通信技术，旨在支持物联网（IoT）应用。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。智慧农业方案80第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——NB-loT窄带物联网具有以下特性：低功耗：NB-IoT专门设计为低功耗设备而优化，可以实现长期运行。广泛覆盖：NB-IoT技术具有良好的室内和室外覆盖能力，适用于各种环境条件。连接密度：NB-IoT支持大量设备同时连接到网络，适用于连接大规模的传感器和其他物联网设备。低成本：由于NB-IoT利用现有的移动通信基础设施，降低部署和运营成本安全性：NB-IoT提供了端到端的安全性和隐私保护机制应用领域：NB-IoT被广泛应用于智能城市、智能家居、智能健康、工业自动化等各种领域81第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——NB-loTNB-IoT解决方案与技术特征窄带功率谱密度提升重传次数：16次编码增益20dB

增益5$模组成本

10年电池寿命50K连接数每小区广覆盖简化射频硬件简化协议降低成本减小基带复杂度简化协议,芯片功耗低功放效率高发射/接收时间短频谱效率高小包数据发送特征终端极低激活比低功耗大连接低成本LPWA应用部分痛点终端功耗过高无法满足海量终端应用需求典型场景网络覆盖不足，如室内无线抄表、边远地区环境监控终端种类多、批量小，业务开发门槛高，综合成本高NB-IoT四大优势，专门定位“低频、小包、时延不敏感”物联网业务82第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——NB-loT应用实例NB-IoT终端充电过程监测与控制包括传感器框架和安全框架集成COAP,MQTT协议支持远程固件升级适应下行业务较多的省电模式基于IoTHub的连接管理基于负载均衡的分布式MQTT通信加密传输及鉴权机制分布式服务注册应对设备频繁上下线的设备影子设计实现消息转发及基本处理的规则引擎设计NB-IoT智能充电桩83第四章工业网络通信——3.工业无线通信方式工业无线通信方式——NB-loT应用实例系统框架系统功能运营商网络NB单表NB单表水表集中器……水表单表WEB界面微信终端系统平台实时监测设备维护统计分析历史查询档案管理实时监测水表数据并上传，包括水表用水量、设备状态、位置等一系列信息实时监测水表状态，判断水表是