《工业互联网网络互联技术》 课件 任务4.1 规划工业网络系统

Project4工业互联网网络建设IndustrialInternetNetworkConstruction任务1规划工业网络系统在工业互联网中，面向工业企业提供工厂内网与外网的升级改造建设工作，是实现工厂数字化转型的关键步骤，也是落实“两化融合”的具体内容之一，进而打破工业企业的信息孤岛，实现数据的跨系统互通。任务1规划工业网络系统工业网络升级改造的第一步是进行网络系统规划，一般从网络的需求分析、子网划分、区域划分、设备选型、网络拓扑等方面入手，按照自下而上的层级顺序进行。本任务主要围绕需求分析、子网划分、设备选型和网络拓扑等进行介绍，为读者具备后续建设小型工业企业网络提供规划设计的能力。任务1规划工业网络系统1.需求分析网络需求分析是为工业网络升级改造提供整体规划指导方向，是进行网络系统规划与设计的基本依据,它决定了企业的网络目标、网络架构、网络功能和实现形式。通过网络需求分析，可以归纳出对网络规划具有重大影响的因素，进而使设计人员得出网络升级改造需要的带宽、时延、网络设备性能等要求。任务1规划工业网络系统网络需求分析一般包括网络规模分析、应用业务分析、网络性能分析和网络安全分析等，具体内容如下。①网络规模分析网络规模分析既要明确网络规划的范围，确定规划的网络是一个车间级局域网、工厂级内网，还是一个完整的企业网络；又要明确接入网络的设备类型、各类设备数量及地理分布位置；还要明确网络的可扩展性和可扩容性等要求。任务1规划工业网络系统②应用业务分析应用业务分析要明确企业网络的应用业务，包含信息采集业务类应用(现场总线应用、数据采集等)、设备控制类业务应用（PLC、DCS）、连接类业务应用（MES）、上云业务应用及其它特殊业务。任务1规划工业网络系统③网络性能分析网络性能分析要明确网络应用业务的网络性能（带宽、时延等）需求。例如安防网络一般需求千兆网络带宽；生产网内连接运动控制驱动器，一般要求不能连续2次业务丢包，并且命令报文周期在小于1ms级别等。任务1规划工业网络系统④网络安全分析网络安全分析要明确规划物理防火墙、工业网闸等网络设备；明确采用网络安全技术，例如认证、加密、访问控制、病毒防护等技术。任务1规划工业网络系统2.子网划分子网划分是将一个较大的IP网络划分为更小的子网，以提高网络的管理和效率。子网划分可以根据需求、规模和网络拓扑进行灵活配置。子网划分一般针对工业企业内网而言，是对需接入网络的设备按功能属性分类，分别规划入不同的子网，通过虚拟局域网（VLAN）方式划分。各子网内部根据入网设备所在地理位置分布，进行网络设备的合理区域划分。任务1规划工业网络系统工业企业内网的子网划分主要包括生产网、办公网、安防网等，具体内容如下。通常将与远程控制、产线级控制、工艺过程数据采集相关类设备，包括DCS/PLC控制系统、SCADA系统、工程师站、工业机器人、智能仪表等设备，归入生产网。生产网对网络的稳定性、时延、设备容量存在较高的要求。任务1规划工业网络系统通常将与企业内部管理系统和信息系统相关类设备，包括办公室办公电脑、打印机、办公服务器、工作站等设备，归入办公网。办公网是企业内网面向人与人、人与机器之间连接层级的网络，主要用于企业员工访问内部办公系统、日常办公、互联网访问等业务。办公网对网络需求较低，在规划时应注重经济型、稳定性和网络带宽需求。任务1规划工业网络系统通常将与企业生产运营相关的辅助系统类设备，包括视频监控系统、门禁系统、广播系统、边界安防系统、消防报警等设备归入安防网。安防网汇聚了企业内部的辅助类系统，设备数量多、设备类型杂，对网络带宽、网络容量有较高的需求。任务1规划工业网络系统子网划分的一般步骤包括以下几个方面。①确定网络需求确定网络的需求包括主机数量、子网数量、跨子网通信需求等。这些要素将决定划分子网所需的IP地址范围及子网掩码。②分配IP地址范围根据网络需求，为划分的每个子网分配一个IP地址范围。确保每个子网有足够的IP地址来满足其主机数量和需求。任务1规划工业网络系统③选择子网掩码子网掩码用于确定IP地址中网络部分和主机部分的边界。选择适当的子网掩码是子网划分中的关键步骤，子网掩码的位数决定了网络部分和主机部分的划分。④规划网络拓扑根据实际网络拓扑规划，划分子网并决定每个子网的关联设备和子网间的连接方式，包括考虑物理布局、路由器和交换机的配置等因素。任务1规划工业网络系统⑤配置网络设备根据网络拓扑规划，配置路由器、交换机或防火墙等网络设备。相关设备需要设置相应的IP地址和子网掩码，以确保子网之间的通信和路由功能正常。⑥测试和验证在实施子网划分后，对网络进行测试和验证，确保子网之间的通信正常，并进行必要的故障排除。任务1规划工业网络系统需要注意的是，子网划分应遵循IP地址规划和子网掩码分配的最佳实践，以避免IP地址浪费和子网规模不合理的问题。同时，随着网络需求的变化，还可以对子网划分进行动态调整和扩展。任务1规划工业网络系统3.设备选型设备选型一般是根据接入设备数量、位置、接口类型、网络性能、防护等级、网络部署场景等因素，选择适用的接口转换设备、工业网关、工业交换机、安全设备等，具体内容如下。接口转换设备，根据不同网络设备的物理接口类型、数量，对接口转换设备进行选型。任务1规划工业网络系统例如：一粉尘浓度较大的生产车间，有RS-485接口智能仪表40台,需对车间中一台有空余RJ45口的工控机上展示仪表数据，可选择串口转网口的设备，设备需含有一路RS-485接口（接口可连接设备数量≥40）或两路RS-485接口（每路接口可连接设备数量32），因此设备选型需含至少一个RJ-45接口，且设备需经过粉尘防爆等级认证。任务1规划工业网络系统例如：一粉尘浓度较大的生产车间，有RS-485接口智能仪表40台,需对车间中一台有空余RJ45口的工控机上展示仪表数据，可选择串口转网口的设备，设备需含有一路RS-485接口（接口可连接设备数量≥40）或两路RS-485接口（每路接口可连接设备数量32），因此设备选型需含至少一个RJ-45接口，且设备需经过粉尘防爆等级认证。任务1规划工业网络系统工业交换机，根据当前网络节点的连接设备数量、组网类型、网络环境、传输介质等因素，对工业交换机进行选型。主要考虑交换机物理接口（电口/光口）种类、数量及物理端口的网络带宽,以及在该节点位置是否需要网管型或非网管型，是否支持环网等要求来进行选型。任务1规划工业网络系统4.网络拓扑在工业网络设计中，常见的网络结构有星状结构、环状结构、总线结构、混合结构4种。任务1规划工业网络系统星状结构是指网络设备以星型方式连接成网，星型网络拓扑结构以中央节点为中心，网络中的所有节点都与中央节点直接相连，中央节点对各设备间的通信和信息交换进行集中控制和管理。该结构具有结构形式简单，容易管理维护，配置简单；便于建网及故障检测等优点，但该结构可靠性较低。对于中小型工业企业，该结构在办公网、安防网和生产网都有应用。任务1规划工业网络系统环状结构由网络中若干节点，通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环。该结构典型优点是容错性好，即使环型网络从任何一个地方断开，该网络还是在正常工作状态；缺点是配置、管理、维护较为复杂。对于中小型工业企业，该结构形式经常用于对网络稳定要求较高的生产网。任务1规划工业网络系统总线结构是指所有接入设备均挂在一条总线上的结构。该结构具有结构简单，可扩充性好的优点；但存在如果总线上某一个节点出现问题，可能会影响整个总线上的其他设备的缺点。对于中小型工业企业，终端设备层的工业总线即为该结构。任务1规划工业网络系统混合结构是由星型结构、环型结构两种以上结构类型组合在在一起的网络结构。一个完整的企业网络，一般都是以这种网络结构形式存在。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary实践任务：规划小型工业网络系统①实践目的掌握规划工业企业网络的基本要素，具备规划小型工业企业网络的能力。②实践案例某食品加工厂因智能化改造，企业要求将生产设备信息传输到一体机，并使生产数据在web端可查阅。通过现场调研发现，该工厂现有设备均单机运行，生产设备之间无工业总线连接。实践任务：规划小型工业网络系统该厂的生产设备主要分布在冻干车间、烘干车间、精油车间和冷库内，相关生产设备需要进行互联互通后，才能将数据传送到平台，因此需要打通设备与一体机之间的工业网络。企业生产设备分布如图所示，企业生产设备清单如表所示。实践任务：规划小型工业网络系统车间名称设备名称设备接口支持通讯协议冻干车间冻干机1RJ-45TCP/IP冻干机2RJ-45TCP/IP烘干车间烘干机1RS-485Modbus-RTU烘干机2RS-485Modbus-RTU烘干机3RS-485Modbus-RTU烘干机4RS-485Modbus-RTU流量计1RS-485Modbus-RTU上料机RJ-45TCP/IP一体机RJ-45多种工业协议精油车间流量计2RS-485Modbus-RTU流量计3RS-485Modbus-RTU冷库制冷机RJ-45Modbus-TCP实践任务：规划小型工业网络系统冻干车间内有2台冻干机设备，设备控制器为西门子S7-300型PLC（RJ-45接口）。精油车间有流量计两台（RS-485接口）；冷库有制冷机（位于半山腰位置）一台（RJ45接口，控制为三菱PLC）。实践任务：规划小型工业网络系统烘干车间内含有4台烘干机，设备控制器为设备厂商自研控制板（RS-485接口，支持Modbus-RTU通讯协议）；流量计1台（RS-485接口）、上料机一台（RJ-45接口，控制器为S7-1200型PLC），一体机一台（RJ-45接口，支持TCP/IP、Modbus-TCP、PROFINET等多种工业协议）。实践任务：规划小型工业网络系统第一步，需求分析根据企业需求分析发现，该企业网络规模为一小型企业网络，具有生产网规划需求，无视频网、安防网需求；具有生产设备数据采集业务需求和企业外网需求，暂无网络安全设备，需增加防火墙或工业网闸等网络安全设备。实践任务：规划小型工业网络系统第二步，子网划分根据企业生产设备分布，生产网内包含冻干车间、烘干车间、精油车间和冷库4个车间，除冷库车间需部署蜂窝移动通信信号上传数据外，其他每个车间可划分一个虚拟局域网，进行车间之间的二层隔离。子网划分规划如表所示。网络平面VLANIP地址段用途一体机208192.168.8.0/24平台IP烘干车间设备210192.168.10.0/24烘干车间网关及PLC冻干车间设备211192.168.11.0/24冻干车间网关精油车间设备212192.168.12.0/24精油车间网关带内管理213192.168.13.0/24网络设备管理工控出口214192.168.14.0/24核心&防火墙互联设备选型清单表实践任务：规划小型工业网络系统第三步，设备选型针对冻干车间情况，已有2台PLC（RJ-45接口），需配置含有8电口、2光口的工业交换机1台。设备选型SI5020I-8TS-L工业交换机1台。针对精油车间情况，接入流量计2台，设备选型YZ-G8406工业网关1台、SI5020I-8TS-L工业交换机1台。实践任务：规划小型工业网络系统针对烘干车间情况，烘干机物理接口需转换接入工业以太网，配置一台工业网关，将RS-485转换为RJ-45接口，并将Modbus-RTU转换为MQTT通信协议；流量计配备1台工业网关，理由如前所述。设备选型YZ-G8406工业网关2台。此外，为接入工业网关需配置1台工业交换机，同时接入上料机设备，设备选型SI5020I-8TS-L工业交换机1台。实践任务：规划小型工业网络系统针对冷库情况，因冷库车间比较独立，位于半山腰，铺设通信线路困难，采用移动网络部署，设备选型YZ-G8406工业网关1台，使用其蜂窝联网功能，数据直接通过移动网络接入平台。核心层设计，通过核心交换机，将3个车间的工业交换机接入，并为平台一体机和企业网络出口提供网络接口，设备选型S6550E-48TS4X-C核心交换机1台。实践任务：规划小型工业网络系统网络安全设计，增加TQ-2000-M110防火墙1台，作为企业网络出口的安全设备。设备选型具体清单如表所示。序号名称型号单位数量1下一代防火墙TQ-2000-M110台12核心交换机S6550E-48TS4X-C台13工业交换机SI5020I-8TS-L台34斥候工业网关YZ-G8406台4设备选型清单表实践任务：规划小型工业网络系统第四步，网络拓扑根据企业网络需求分析，企业内网为面向数据采集的生产网，无生产控制需求，内网拓扑结构优先选择星型结构。车间内部串口之间采用RS-485工业总线连接，设备网口之间100米以内采用超五类双屏蔽网线连接，各车间之间采用室外光纤连接。企业内网拓扑结构如图所示。实践任务：规划小型工业网络系统实践任务：规划小型工业网络系统根据新增网络设备及现场网络设备情况，再结合子网划分情况，企业网络IP地址规划如表所示。企业网络管理地址规划如表所示。车间设备名称接口地址子网掩码网关冻干车间冻干机1RJ-45192.168.11.2255.255.255.0192.168.11.1冻干机2RJ-45192.168.11.3255.255.255.0烘干车间烘干机1RS-4851

烘干机2RS-4852

烘干机3RS-4853

烘干机4RS-4854

流量计1RS-4851

上料机RJ-45192.168.10.22