智能制造技术与数字化工厂 课件 第三章 工业网络与数字化工厂

第3章工业网络与数字化工厂

CONTENTS目录3.1计算机网络基础1.计算机网络模型及常用术语OSI是OpenSystemInterconnect的缩写，意为开放式系统互联。它是一个七层的、抽象的模型体，不仅包括一系列抽象的术语或概念，也包括具体的协议。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1）OSI参考模型7654321资源子网：实现数据共享和数据处理（实现资源共享设备的硬件和软件的集合）通信子网：实现数据通信（各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成）路由器交换机、网桥集线器、中继器应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层帧2）OSI数据传输图应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层A根据每层协议打包B根据每层协议拆包物理介质打包拆包7654321应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议比特报文应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层3）OSI七层结构概述应用层：是模型最高层，为特定类型网络应用提供访问OSI环境的手段，可实现功能有文件传输、电子邮件、文件服务、虚拟终端等应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层3）OSI七层结构概述表示层：处理两个通信系统中交换信息的表示方式；进行数据格式变换、代码转换；

如把二进制文件转换为.jpg的图片等数据加密、解密；数据压缩和恢复应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层3）OSI七层结构概述会话层：允许不同主机的各个进程进行会话，也是建立同步；建立、管理、终止会话；使用校验点可使会话在通信失效时从校验点继续恢复通信，实现数据同步；会话1会话2会话之间相互独立，互不影响应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层3）OSI七层结构概述传输层：也称运输层，传输单位是报文段或用户数据报。提供端对端的接口，实现数据的分段、重组和流量控制。；传输层的代表协议包括TCP，UDP等应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层3）OSI七层结构概述网络层：控制通信子网的操作,是通信子网与资源子网的接口，为数据包选择路由，流量、差错、拥塞控制等，网络层的代表协议包括IP、ICMP、RIP等应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层3）OSI七层结构概述数据链路层：主要是把网络层传下来的数据报组装成帧，进行差错控制，实现设备间的数据链路连接；访问（接入）控制，控制对信道的访问；流量控制。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层3）OSI七层结构概述物理层：主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输，物理层传输单位是比特；以二进制数据形式在物理媒体上传输数据；定义接口特性、传输模式、速率；比特同步、编码。4）TCP/IP概述TCP/IP模型对于互联网的发展和普及起到了至关重要的作用，是现代计算机网络技术的基石。TCP/IP模型具有跨平台、灵活性和可扩展性等特点，支持多种不同的网络协议和应用。TCP/IP模型是互联网的基础协议模型，包括应用层、传输层、网络层和链路层。TCP/IP模型简介TCP/IP模型的特点TCP/IP模型的重要性5）TCP/IP模型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层传输层网络层数据链路层OSI参考模型TCP/IP参考模型提供网络服务接口，如HTTP、FTP、SMTP等协议。应用层01负责数据分段、传输控制、流量控制，主要协议有TCP和UDP。传输层02负责数据包的路由选择和转发，主要协议有IP、ICMP等。网络层0304负责物理地址寻址、数据帧的封装和解封装，如以太网协议。负责物理传输介质上的信号传输，如光纤、双绞线等。数据链路层6）以太网协议概述以太网协议是一种局域网通信协议，定义了数据在局域网内的传输方式。协议基本概念以太网协议具有简单、灵活、高速的特点，广泛应用于各种局域网环境。协议主要特点以太网协议主要由物理层和数据链路层组成，其中数据链路层又包括逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）两个子层。协议组成部分7）以太网协议的工作原理包含目的MAC地址和源MAC地址，用于标识数据的发送方和接收方。帧头用于校验数据在传输过程中是否发生错误，确保数据的完整性。帧校验序列标识上层协议类型或数据长度，用于数据包的正确解析。类型/长度字段包含实际传输的数据内容，长度可变。数据字段以太网协议的帧结构7）以太网协议的工作原理以太网协议的传输过程数据在发送前，按照以太网协议进行封装，添加以太网头部和尾部。数据封装接收端接收到数据帧后，进行解封装，提取出原始数据。数据接收封装好的数据帧通过物理层发送到网络中。数据发送通过校验和等方式检测数据在传输过程中是否发生错误。错误检测010203047）以太网协议的工作原理以太网协议的冲突检测与避免通过载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）协议，以太网能够在数据传输过程中检测并避免冲突。01CSMA/CD协议当冲突发生时，以太网使用二进制指数退避算法来减少冲突的可能性，确保网络稳定。02二进制指数退避算法通过划分冲突域，限制冲突的范围，提高网络的可靠性和性能。03冲突域限制8）数据封装概念数据封装包括物理层、数据链路层、网络层和传输层等多个层次，每个层次都负责不同的封装任务。数据封装的主要目的是保护数据的安全性和完整性，以及确保数据能够正确地传输到目的地。数据封装是将数据和信息按照特定的协议和规范，封装成数据包的过程。封装定义封装目的封装层次9）数据封装重要性数据封装可以保护数据在传输过程中不被非法访问和篡改，确保数据的安全性。保护数据安全通过数据封装，可以将多个数据整合成一个数据包，减少传输过程中的开销，提高传输效率。提高传输效率数据封装使得网络管理更加简单和方便，可以方便地追踪和管理网络中的数据流。简化网络管理10）MAC地址的定义MAC地址是网络设备在数据链路层上的唯一标识，由48位二进制数组成。MAC地址的概念MAC地址通常以十六进制数表示，格式为“XX:XX:XX:XX:XX:XX”。MAC地址的格式MAC地址用于在网络中标识和定位设备，确保数据准确传输到目标设备。MAC地址的作用11）MAC地址的作用01MAC地址用于在网络中唯一标识一个网络接口卡（NIC），确保网络通信的准确性。网络标识02MAC地址过滤功能可以用于限制网络访问，提高网络安全。安全控制03MAC地址可用于网络流量统计和分析，帮助网络管理员了解网络使用情况和优化网络性能。流量统计12）MAC地址与IP地址的区别01MAC地址是硬件地址，IP地址是逻辑地址。定义不同MAC地址长度固定为48位，IP地址长度可变。02长度不同03MAC地址在局域网中唯一标识一台设备，IP地址在广域网中唯一标识一台设备。作用范围不同13）网络传输方式单播是指一种向单个目标地址传送数据的方式，也就是单独的一对一通讯方式。单播组播是向一个组中发送数据包的方式。组播广播是一种将数据包从发送方发送到网络中的所有接收方的传输方式。广播任播将一个数据包发送到一个指定的设备集合（通常是距离发送端最近的设备），而不指定任何目的地地址。任播01020304小结本节介绍了OSI参考模型、TCP/IP参考模型、以太网协议、网络传输等网络术语，下一节介绍工业控制网络。谢谢收看！2.相关硬件设备交换机（Switch）交换机是一种用于电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，交换机通常工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过ARP协议学习它的MAC地址，保存成一张ARP表。路由器（Router）路由器是一种计算机网络设备，提供了路由与转送两种重要机制，决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径（host到host之间的传输路径），这个过程称为路由；将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端(在路由器内部进行)，这称为转送。路由器的一个作用是连通不同的网络，另一个作用是选择信息传送的线路。路由工作在OSI模型的第三层，即网络层，例如网际协议。网关（Gateway）网关，顾名思义就是连接两个网络的设备，又称网间连接器、协议转换器。区别于路由器经常在家庭中或者小型企业网络中使用，用于连接局域网和Internet。网关也经常指把一种协议转成另一种协议的设备，比如语音网关。14）IP地址分类网络号占一个字节，主机号占三个字节，第一个字节的最高位为0，用于大型网络A类IP地址01网络号占两个字节，主机号占两个字节，第一个字节的前两位为10，用于中型网络B类IP地址02网络号占三个字节，主机号占一个字节，第一个字节的前三位为110，用于小型网络C类IP地址03第一个字节的前四位为1110，用于组播地址，用于一对多的通信D类IP地址04第一个字节的前五位为11110，保留为将来使用E类IP地址05IP地址由32位二进制数表示，通常使用点式十进制来表示，分为A、B、C、D、E五类。IP地址CONTENTS目录3.2.1工业以太网概述1.工业以太网定义01工业以太网是一种用于连接工业设备、传感器和执行器等设备的网络技术。连接工业设备网络02它支持实时数据传输和通信，确保工业自动化系统中的设备能够协同工作。实时数据传输03工业以太网基于标准的以太网技术，但经过优化和改进，以适应工业环境中的特殊需求。标准以太网技术2.工业以太网的应用场景工业以太网在智能制造中，实现设备间的互联互通，提高生产效率。智能制造工业以太网为工业自动化提供稳定、高效的数据传输，保障生产线的顺畅运行。工业自动化工业以太网在能源管理领域，实现远程监控和数据分析，优化能源利用。能源管理3.工业以太网的主要协议基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范。HSE协议德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案。ProfINet协议该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为ModbusTCP/IP。ModbusTCP/IP协议Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。它是由ODVA和ControlNetInternational两大工业组织推出的最新成员。Ethernet/IP协议01020304HSE协议HSE协议定义基金会现场总线FF于2000年发布Ethernet规范，称HSE(HighSpeedEthernet)。协议特点HSE是以太网协议IEEE802.3，TCP/IP协议族与FFIll的结合体，具有高速、可靠、实时性强等特点，适用于工业自动化领域的数据传输和控制。核心设备HSE技术的一个核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将Hl(31.25kb/s)设备连接100Mb/s的HSE主干网的关键组成部分，同时也具有网桥和网关的功能。ModbusTCP/IP协议利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，广泛应用于电力、能源、交通、建筑等领域的工业自动化系统中。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为ModbusTCP/IP。协议来源通信方式应用领域ProfINet协议ProfiNet采用标准TCP/IP十以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案ProfINet协议来源通信方式优势Ethernet/IP协议Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系，是基于CIP协议的网络。协议特点它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式信息(包括用于组态、参数设置、诊断等)的有效传输应用领域高效数据传输、广泛设备兼容，具有实时性、开放性和灵活性。优势分析各协议优缺点比较ModbusTCP/IP成本较低，但EtherNet/IP和Profinet成本较高成本ModbusTCP/IP安全性较低，而Profinet和EtherNet/IP安全性较高安全性EtherNet/IP实时性较好，但ModbusTCP/IP较差实时性Profinet通信效率较高，但EtherNet/IP较低通信效率协议选择建议选择广泛支持、兼容性好的协议，减少设备间通信障碍。01考虑兼容性选择具有低延迟、高可靠性的协议，确保数据传输的实时性。02考虑实时性选择具备加密、认证等安全机制的协议，保障数据传输的安全性。03考虑安全性工业以太网协议发展趋势随着工业以太网协议的不断发展，协议标准化成为趋势，以提高兼容性和互操作性。协议标准化随着工业自动化的需求增长，高速传输技术成为工业以太网协议发展的重要方向。高速传输技术随着网络安全威胁的增加，工业以太网协议在发展中注重安全性增强，保障数据传输安全。安全性增强小结本节介绍了工业以太网定义、应用场景、常用工业以太网协议及发展趋势等。下一节介绍数字化工厂。谢谢收看！

工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太网和TCP/IP技术真正能应用到控制层，延伸至现场层，而在信息层又尽可能采用IT行业一切有效而又最新的成果。因此，工业以太网与以太网在工业中的应用全然不是同一个概念。工业以太网1工业网络架构2每种工业以太网都有设备层现场总线与之互补：工业以太网互补的设备层现场总线EtherNet/IPDeviceNet,ControlNetPROFINETPROFIBUSDP,PROFIBUSPAHSE（HighSpeedErthernet）FoundationFieldbusHIModbusTCP/IPModbusEthernet/IPEthernet/IP技术采用标准的以太网芯片，并采用有源星形拓扑结构，将一组工业设备点对点地连接到交换机，应用层则采用工业界广泛应用的开放协议——控制和信息协议（CIP)。Ethernet/IP通信协议模型：PROFINETPROFINET是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，它将企业信息管理层IT技术和工厂自动化相结合，同时又完全保留了PROFINET现有的开放性。PROFINET支持星形、总线型和环等拓扑结构。PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便地安装工业电缆和耐用连接器以满足电磁兼容（EMC）和温度的要求。PROFINET框架内标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。PROFINET的通信协议模型：工业控制网络要求3工业控制网络必须满足实时性的要求，以及信号的确定性。随着快速以太网与交换式以太网的发展，为解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，并使这一应用成为可能。主要表现在：通信速率高，从10Mb/s、100Mb/s增大到如今的1000Mb/s、10Gb/s；采用星形网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。交换机之间通过主干网络进行连接，本地数据传输不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。采用全双工通信方式。全双工以太网消除了冲突的可能，使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。OPC深度数据包监测技术恶意软件及病毒监测技术多种防护模式1比1NAT条件防火墙VPN通道DMZ非军事化区mGuard安全云技术工业控制网络安全技术4小结本节介绍了工业以太网、工业总线已经工业控制网络架构、工业控制网络安全技术。下一节介绍数字化工厂。谢谢收看！CONTENTS目录3.3.2ERP系统ERP系统的概念ERP系统是一种企业资源计划系统，用于整合企业内部各部门的信息和资源，提高管理效率和业务运营水平。ERP系统的定义ERP系统包括财务管理、物流管理、生产管理、销售与客户关系管理等多个功能模块，实现企业内部信息的全面集成和共享。ERP系统的功能通过实施ERP系统，企业可以实现业务流程的标准化和自动化，提高决策效率和资源利用率，降低运营成本和风险。ERP系统的优势

ERP的体系架构与功能ERP是将企业所有资源进行整合集成管理，简单地说是将企业的三大流：物流，资金流，信息流进行全面一体化管理的管理信息系统。优化资源配置通过集中管理和调度，减少资源浪费和闲置，实现资源的高效利用。提高资源利用率通过优化资源配置，减少不必要的开支和浪费，降低企业的运营成本。降低运营成本优化资源配置可以提高企业的生产效率和产品质量，从而增强企业的市场竞争力。增强企业竞争力提高企业运营效率通过集成各部门的信息，减少重复工作，提高流程效率。优化流程管理根据实时数据，企业可合理配置资源，避免资源浪费，提高资源利用率。资源合理配置各部门可实时查看和更新数据，减少沟通成本，提高决策效率。实时数据共享加强企业决策能力ERP系统整合企业数据，提供决策支持，助力企业做出更明智的决策。01数据集成与分析通过ERP系统，企业可实时获取运营数据，及时发现问题，提高决策效率。02实时信息获取ERP系统通过数据分析，帮助企业优化资源配置，提升决策的科学性和准确性。03优化资源配置需求分析与规划01深入了解企业的业务流程，明确ERP系统需要满足的业务需求。明确业务需求02根据业务需求，制定详细的实施计划，包括时间节点、人员分工、资源投入等。制定实施计划03对实施计划进行可行性评估，确保计划的合理性和可行性。进行可行性评估系统选型与采购明确企业的业务流程、管理需求以及预算，为选型提供基础。明确需求根据选型评估结果，制定采购计划，进行采购决策。采购决策收集市场上的ERP系统信息，对比不同系统的功能和价格。市场调研根据企业需求和市场调研结果，评估并选择合适的ERP系统。选型评估系统实施与调试说明如何对用户进行ERP系统的培训，并提供持续的技术支持和维护服务。介绍如何将现有数据迁移至ERP系统，并进行系统测试以确保数据准确性和系统稳定性。详细阐述ERP系统的安装和配置过程，包括硬件和软件环境的准备。系统安装与配置数据迁移与测试用户培训与支持开始结束成 功项目成功的10个要素合适的软件管理层的支持一支既懂管理又精通软件的实施和咨询队伍项目小组组成

(包括沟通)明确的项目范围项目工作深入程度详细可行的项目持续性计划恰当的转变管理足够的项目资源 (包括培训、支持、实施后的成本和计划）有效的质量管理评估小结本节介绍了ERP系统的定义、主要功能、优势，以及企业实施ERP系统的流程，通过实施ERP系统，能够优化资源配置，提高企业决策能力，下一节介绍MES系统。谢谢收看！CONTENTS目录3.3.3MES系统MES系统的概念MES系统具有实时性、集成性、智能性等特点，能够提升制造企业的生产效率和产品质量。MES系统具备生产计划管理、生产调度管理、生产执行管理、质量管理、设备管理等核心功能。MES系统是一种面向制造车间层的管理信息系统，旨在实现生产过程的数字化、智能化管理。MES系统的定义MES系统的功能MES系统的特点MES系统的功能特点生产调度管理MES系统能够实时收集生产现场数据，根据生产计划和设备状态进行智能调度，确保生产顺利进行。工艺质量管理MES系统提供工艺参数设定、监控和报警功能，确保产品质量符合标准，降低不良品率。设备维护管理MES系统对生产设备进行实时监控和预警，提供设备维护计划和维修指导，延长设备使用寿命。MES系统的应用场景MES系统能够实时跟踪和管理离散制造过程中的物料、设备、人员等信息，提高生产效率。离散制造业MES系统可以监控和控制流程工业的生产过程，确保产品质量和生产安全。流程工业MES系统是智能工厂的核心组成部分，能够实现生产过程的自动化、数字化和智能化。智能工厂MES系统的优势01MES系统通过实时监控生产数据，优化生产流程，减少生产中的浪费，提高生产效率。提高生产效率02MES系统能够精确控制生产资源的使用，减少不必要的浪费，从而降低生产成本。降低生产成本03MES系统通过严格的生产过程控制，确保产品质量符合标准，提高客户满意度。提高产品质量MES系统通过传感器、RFID等技术实时采集生产线上的数据。数据采集方式采集到的数据经过清洗、整合后，通过算法进行分析和处理，为生产管理提供决策支持。数据处理技术实时数据通过高速、稳定的网络传输到数据中心，确保数据的实时性和准确性。数据传输技术MES系统的核心技术MES系统的工作流程MES系统设计与开发明确MES系统的功能需求、性能需求等，为系统设计提供依据。需求分析根据需求分析结果，设计MES系统的整体架构、数据库结构、界面设计等。系统设计依据系统设计，进行MES系统的开发工作，包括编程、数据库建立等。系统开发MES系统部署与测试根据MES系统的需求，进行系统的部署工作，包括硬件和软件的安装配置。01系统部署对部署完成的MES系统进行全面的测试，确保系统能够正常运行并满足业务需求。02系统测试在测试过程中发现的问题，及时进行修复和优化，确保MES系统的稳定性和可靠性。03问题修复MES系统培训与上线对MES系统的操作人员进行专业培训，确保他们熟悉系统的各项功能和操作流程。培训员工01在MES系统上线前，进行模拟测试，检查系统的稳定性和各项功能是否正常运行。模拟测试02在模拟测试通过后，正式将MES系统上线，开始在实际生产环境中运行。正式上线03小结本节介绍了MES系统的定义、主要功能、核心技术，以及企业实施MES系统的实施步骤。谢谢收看！ERP系统的功能特点集成化管理提高决策效率优化资源配置数据共享ERP系统能够实现企业内部各个业务环节的集成化管理，提高管理效率。通过ERP系统，企业内部各个部门可以共享数据，减少信息孤岛，提高数据利用率。ERP系统能够对企业资源进行统一管理和优化，实现资源的最大化利用。ERP系统提供丰富的数据分析工具，帮助企业做出更科学、更准确的决策。CONTENTS目录3.3数字化工厂概述数字化工厂来源1

（1）制造信息化的需求（2）数字化工厂是并行工程的体现（3）是虚拟制造的发展趋势（4）是计算机辅助工程发展的高级阶段数字化工厂基本定义2数字化工厂(DigitalFactoeris,简称DF)数字化工厂没有确