《工业互联网技术导论》课件-4.1 工厂内外网

工业互联网的工厂内外网络主讲人：金舒萍CATALOGUE目录工厂内网络工厂外网络工厂内网络01工厂内网络--内涵2026/2/284网络互联数据互通网络连接框架网络互联工厂内网络和工厂外网络工厂内网络--内涵2026/2/285工厂内网络用于连接工厂内的各种要素，包括人员、材料、环境等。通过工厂内网络，工厂内各要素于企业数据中心及应用服务器互联，支撑工厂内的业务应用。传统的工厂内网络主要用于连接生产设备和办公设备，因此呈现为两层三级的结构，即OT网络和IT网络，二者通过网关实现互联和安全隔离工厂内网络--相关技术2026/2/286IT网络为工厂级OT网络为现场级和车间级两层三级的结构愿景：IT和OT完全融合的网络①所有的设备都能平等的连接到这个网络上②所有的设备之间都能实现直接的互联互通③网络不光具备有线网络，还要有各种无线技术的接入。方向：IP化、无线化、扁平化、灵活化（四化）工厂内网络--相关技术2026/2/2871.有线网络技术在物理层：单对双绞线以太网和工业PON；在链路层：时间敏感网络；在网络层：确定性网络DetNet。工厂内网络--相关技术-有线网络技术2026/2/288单对双绞线以太网—背景将物联网技术应用到工业环境，其中的传感器节点不需要太大的功率或带宽，但需要可靠、高效的通信。互联工厂中的工业4.0应用还需要快速、可靠的传输——在某些情况下要接近实时通信，或者至少在规定的时间窗口内保证传输。另一个趋势是以太网协议正扩展到新的应用领域，例如运输（火车、有轨电车和飞机）。汽车行业已经决定使用以太网来替代旧有的控制器局域网（CAN）总线系统，这种技术可以为高级驾驶辅助系统（ADAS）和信息娱乐系统提供更高的数据速率。在这种要求苛刻的应用中，单对以太网（SPE）仅使用一对双绞铜线，就可以以与CAN电缆相近的重量提供所需的数据速率。现代互联工厂的需求以及新应用采用以太网的趋势都说明，单对双绞线以太网会成为未来工业通信应用的主要竞争者。工厂内网络--相关技术-有线网络技术2026/2/289单对双绞线以太网—定义单对以太网是一种电缆配置，它使用一对电线（或导体）以高达10Mbps（未来可能高达1Gb/s）的速度传输数据。这种单对布线专为工业用户而设计，可支持高达52瓦的直流电源，涵盖距离最远1000米的一系列需要电源和数据的设备。单对以太网还为固定在物理位置且可能没有自己的电源的传感器提供可靠的电源（相对于无线）。工厂内网络--相关技术-有线网络技术2026/2/2810单对双绞线以太网（SPE）—优势SPE允许现场设备、传感器和执行器轻松集成到现有以太网环境中，无需额外的网关和接口，从而支持更快、更轻松的安装。单对以太网(SPE)可以将自动化系统和传统工业网络引入单一以太网网络技术，同时为设备传输电力和数据。因为它们基于以太网协议，所以SPE设备的性能通常优于现场总线设备。SPE是将有助于IIoT、工业4.0、IT/OT融合以及从现场级传感器到云端的无缝数据传输的技术之一。SPE需要更少的自然资源（如塑料和金属）来构建基于以太网的基础设施和连接资产，从而帮助企业减少碳足迹并实现ESG目标。随着工业4.0的发展，以及连接到工厂骨干网的传感器和执行器数量的持续增长，单对以太网将成为加速工业自动化的简单解决方案。工厂内网络--相关技术-有线网络技术2026/2/2811工业PON工业PON（PassiveOpticalNetwork）是一种用于工业环境的高效光纤通信技术，工业PON基于PON技术，是一种单纤双向光接入网络，采用点到多点（P2MP）结构。这种网络由局端的光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和用户侧的光网络单元(ONU)组成。在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。在上行方向（ONU到OLT），ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。这提高了网络效率。工厂内网络--相关技术-有线网络技术2026/2/2812时间敏感网络TSN什么是TSN？TSN网络，全称为Time-SensitiveNetworking（时间敏感网络），是IEEE802.1工作小组发展的系列标准，用于在非确定的以太网中实现确定性的最小时延。为工业生产环境提供了一种既支持高速率、大宽带的数据采集，又兼顾高实时控制信息传输的网络。如何实现？TSN通过一个全局时钟和一个连接各网络组件的传输调度器，实现网络内的确定性实时通信。调度器，依据相应调度策略，控制时间敏感数据流的实际传输时间和传输路径，以避免链路争抢所导致的传输性能下降和不可预测性，从而保证时间敏感应用的点对点实时通信。工厂内网络--相关技术-有线网络技术2026/2/2813确定性时间网络DetNet什么是DetNet？确定性网络，是IETE正在制定的网络层标准，其通过提供有确定范围的时延、丢包和时延抖动参数的数据路径，为应用提供一个可靠的网络环境。主要技术：DetNet主要采用资源预留、确定路径、无缝冗余三大技术。提供服务：实现向用户提供拥塞控制、确定路径、确定性的延时和抖动、多路径传输、分组编码保护等主要服务。尽力而为变为使命必达工厂内网络--相关技术-无线网络技术2026/2/2814用于免授权频段的蜂窝无线技术Multefire概念：MulteFire技术通过在非授权频谱（例如全球5GHz非授权频谱）上独立运行LTE技术来创建新的无线网络。优势：①MulteFire网络能够为用户提供类似于LTE的高品质服务，即使在高度拥塞的环境中也能保证较高的网络性能和无缝移动性。②而与LTE不同的是，MulteFire可以在任何地方运行，无需额外的监管批准和成本高昂的频谱。③MulteFire又能够像Wi-Fi网络一样易于部署，多个MulteFire网络可以实现共存、重叠或在同一物理空间内友好为邻。<就是个小型基站>④MulteFire通过LBT（ListenBeforeTalk）技术实现了与Wi-Fi等网络的公平共存机制，使用户的数据网络得以健康运行。工厂内网络--相关技术-无线网络技术2026/2/28155G低时延高可靠技术URLLC5GURLLC是一种低时延、高可靠、确定性、指标监测的无线通信技术，适用于工业自动化、智能交通、智慧城市等领域。5GURLLC的典型业务包括智能制造、智能交通、智慧城市等。5GURLLC的研究主要集中在网络架构及软件功能设计之初，充分考虑了行业应用对于无线网络性能指标的需求，完备的软件功能与飞速提升的硬件能力相结合，使得5G在容量、频谱效率、时延及可靠性等多项关键指标方面都取得了极大的性能提升。工厂内网络--相关技术-无线网络技术2026/2/2816敏捷网络/工业SDN背景：目前工厂内的信息网络（IT网络）和控制网络（OT网络）相互独立运行，网络拓扑刚性，跨网络的信息交互和管理十分困难，工业SDN就是借鉴了软件定义网络的思想，为实现IT网络与OT网络的深度融合，构建柔性灵活和敏捷的工业网络提出来的。实现原理：工业SDN有多种协议的终端设备、可编程的工业SDN交换机和集中式的工业SDN控制器构成。终端设备通过北向接口向工业SDN控制器提交数据的流量特征和传输需求,集中式的工业SDN控制器根据流量特征和传输需求，生成工业SDN的转发规则，通过标准化的南向接口下达至可编程的工业SDN交换机中并执行。核心：通过软件定义工厂内网络--网络现状2026/2/2817现场级网络现状：①工厂总线被大量用于连接现场检测传感器、执行器与工业控制器，大量的现场设备依旧采用电气硬接线直连控制器的方式；②通信速率在数千比特每秒到数十千比特数每秒；③虽然已有部分支持工业以太网通信接口的现场设备，在现场级无线通信只在部分特殊场合应用，存量很低。影响：这种现状造成工业系统在设计、集成和运维的各个阶段的效率都受到极大制约，进而阻碍的精细化控制和高等级工艺流程管理的实现。工厂内网络--网络现状2026/2/2818车间级网络：车间级网络任务：主要是完成控制器之间，控制器与本地或远程监控系统之间以及控制器与运营级之间的通信连接。车间级网络现状：主流采用工业以太网通信方式，也有部分厂家采用自有通行协议进行本厂控制器和系统间的通信。影响：当前已有的工业以太网，往往是在通用的802.3百兆以太网的基础上进行修改和扩展而来的，不同工业以太网协议间的互联性和兼容性限制了大规模网络互联。工厂内网络--网络现状2026/2/2819工厂级网络现状：工厂级IT网络通常采用高速以太网以及TCP/IP进行网络互联。工厂级网络焦点问题：工业互联网的智能工厂中，企业级IT管理运营系统对现场实施工艺过程数据和设备状态数据有着强烈需求，如何高效便捷部署现场设备的通信互联以及如何利用先进的网络技术实现现场与管理级系统间高时实性、高可靠性数据通信是目前工业网络系统技术领域普遍面临的焦点问题。工厂内网络--网络现状2026/2/2820工业领域通信协议：⑴现场总线协议⑵工业以太网协议⑶工业无线网络协议现场总线协议：主要提供现场传感器件到控制器、控制器到执行器或控制器与各输入输出控制分站间的数据通信支持。代表：PROFIBUS、Modbus、HART、CANopen、Lonworks、DeviceNet等。工业以太网技术：是随着以太网技术的不断成熟，将其优化后引入工业控制领域而产生的通信技术。代表：EtherNet/IP,PROFINET,Modbus

TCP,Powerlink,EtherCAT等。工业无线技术：在工厂内连接移动的设备以及在线缆连接实现困难或无法实现的场合使用的无线通信技术。代表：WLAN，Bluetooth，WirelessHART，WIA-PA，WIA-FA等。工厂内网络--网络现状-工厂内网络应用案例2026/2/2821分层：智能工厂在建设网络过程中，更注重的是结构建设，将工厂内部网络依据结构划分为控制中心核心层、生产线汇聚层、生产线接入层、生产管理区接入层和无线覆盖层。网络拓扑结构：星型环状拓扑结构技术创新：①采用视觉识别技术，实现机器人同AGV（自动导引车）交互，完成自动下料装箱；②应用OCR（光学字符识别技术）快速识别标签，通过唯一标识进行产品全生命周期追溯，实现产品信息一键查询。价值意义是什么？工厂外网络02工厂外网络--内涵2026/2/2823工厂外网络：用于连接智能工厂、分支机构/上下游协作企业、工业云数据中心、智能产品与用户等主体。智能工厂内的数据中心/应用服务器，通过工厂外网络与工厂外的工业云数据中心互联;分支机构/上下游协作企业、用户、智能产品等也根据配置通过工厂外网络连接到工业数据中心或者企业数据中心。

工厂外网络--相关技术2026/2/2824LTE技术技术介绍：LTE是新一代的宽带移动通信技术，提供了更高的带宽和更快的传输速率，LTE网络可以保证各种行业服务质量，网络更加安全可靠，简化了网络架构，降低了系统复杂度，实现了全IP网络结构。提供业务：LTE网络可以提供丰富的无线多媒体通信服务，包括语音、数据、视频等业务，可以让用户在任何时间，任何地点接入系统中，实现用户的永远在线。功能：LTE网络为代表的移动通信网络可满足工业互联网工厂外网络普遍覆盖和高速传输的需求，实现IT系统与互联网的融合，企业专网与互联网的融合等。工业互联网无线通信技术主要有哪两类？短距离通信技术低功耗广域网通信技术一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-powerWide-AreaNetwork），即低功耗广域网通信技术。LPWAN又分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。工厂外网络--相关技术2026/2/2825NB-IoT技术技术介绍：NB-IoT（窄带物联网）基于LTE核心网网络架构，通过LTE网络架构的优化满足了物联网应用中