《工业互联网网络互联技术》 课件全套 项目0-5 导论、认识工业互联网网络架构- 监测工业互联网网络系统

工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary《工业互联网网络互联网技术》《IndustrialInternetNetworkInternetTechnology》课程导论CourseIntroduction

为迎接新一轮工业革命的到来，世界主要工业化国家采取了一系列重大举措推动制造业转型升级。中国依托强大的制造业市场，深化“互联网+先进制造业”发展，实施工业互联网创新发展行动计划，带动制造业转型升级，服务国家制造强国和网络强国战略。Inanticipationofthearrivalofanewindustrialrevolution,majorindustrializednationsaroundtheworldhavetakenaseriesofsignificantmeasurestopromotethetransformationandupgradeofthemanufacturingindustry.Relyingonitsstrongmanufacturingmarket,Chinahasdeepenedthedevelopmentof"InternetPlusadvancedmanufacturing,"implementedtheIndustrialInternetinnovationdevelopmentactionplan,andpromotedthetransformationandupgradeofthemanufacturingindustry,therebyservingthenationalstrategiesforstrengtheningthecountryasamanufacturingandnetworkpower.

党的二十大报告强调，要坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国。1.工业互联网产业链分析The19thNationalCongressoftheCommunistPartyofChinaemphasizedtheneedtofocusonrealeconomydevelopment,promotethenewtypeofindustrialization,andacceleratetheconstructionofamanufacturingpower.1.工业互联网产业链分析

工业互联网作为第四次工业革命的重要基石、数字化转型的关键力量，不仅为各国经济增长注入了新动能，也为促进全球产业融合发展提供了新机遇。

据《工业互联网产业人才需求预测报告》预测，2021年我国工业互联网的市场规模约7625.6亿元，2025年我国工业互联网的市场规模将达到12699.5亿元。1.工业互联网产业链分析Asanimportantcornerstoneofthefourthindustrialrevolutionandakeyforceindigitaltransformation,industrialinternethasnotonlyinjectednewmomentumintoeconomicgrowthinvariouscountries,butalsoprovidednewopportunitiestopromoteglobalindustrialintegrationanddevelopment.Accordingtothe"IndustrialInternetIndustryTalentDemandForecastReport,"itispredictedthatthemarketsizeofChina'sindustrialinternetwillreachapproximately762.56billionyuanin2021,andwillreach1,269.95billionyuanin2025.1.工业互联网产业链分析工业互联网产业链包括上、中、下游，也对应工业互联网的网络、数据、平台和安全体系。1.工业互联网产业链分析Thecompleteindustrialinternetindustrychainincludestheupstream,midstream,anddownstreamsectors,whichcorrespondtothenetwork,data,platform,andsecuritysystemsoftheindustrialinternet.1.工业互联网产业链分析从工业互联网产业链视角来看，上游行业提供服务工业互联网平台的智能硬件设备和软件，主要包括工业传感器、工业控制器、工业级芯片、智能加工机床、工业机器人等。中游行业为工业互联网平台，按平台架构分三层提供相应服务，其中边缘层负责工业大数据的采集，平台层负责数据存储和云计算，应用层负责各种场景应用解决方案。1.工业互联网产业链分析Lookingattheindustrialinternetindustrychain,upstreamindustriesprovideintelligenthardwareandsoftwarethatserveindustrialinternetplatforms.Thesemainlyincludeindustrialsensors,industrialcontrollers,industrial-gradechips,smartmachiningmachines,industrialrobots,amongothers.Midstreamindustriesprovideservicestoindustrialinternetplatforms.Accordingtoplatformarchitecture,therearethreelayersofserviceprovision:theedgelayerisresponsibleforcollectingindustrialbigdata,theplatformlayerhandlesdatastorageandcloudcomputing,andtheapplicationlayerprovidesvariousapplicationsolutionsfordifferentscenarios.1.工业互联网产业链分析下游行业为工业互联网典型应用场景的工业企业，如高耗能设备、通用动力设备、新能源设备和仪器仪表专用设备等高价值设备的企业。1.工业互联网产业链分析Downstreamindustriesintheindustrialinternetincludeindustrialenterprisesthatrepresenttypicalapplicationscenarios,suchascompaniesthatproducehigh-energyconsumptionequipment,generalpowerequipment,newenergyequipment,andspecializedinstrumentsanddevices.1.工业互联网产业链分析1.工业互联网产业链分析工业互联网产业链较长，通过上游行业实现工业大数据的收集，再由中游工业互联网平台进行数据处理，最后再下游行业企业中进行应用，全产业链中任何一个环节缺失都会导致产业链失效，可见产业链协同性是实现工业互联网产业链运转的关键因素之一。1.工业互联网产业链分析Theindustrialinternetindustrychainislengthy.Throughupstreamindustries,industrialbigdataiscollected,whichisthenprocessedbymidstreamindustrialinternetplatforms,andeventuallyappliedindownstreamindustrialenterprises.Anymissinglinkintheentireindustrychaincancauseittofail,revealingthatthesynergisticnatureoftheindustrychainisoneofthekeyfactorsforachievingtheoperationoftheindustrialinternetindustrychain.从工业经济发展角度看，工业互联网为制造强国建设提供关键支撑。一是推动传统工业转型升级二是加快新兴产业培育壮大1.工业互联网产业链分析Fromtheperspectiveofindustrialandeconomicdevelopment,industrialinternetprovidesakeysupportfortheconstructionofamanufacturingpower.Firstly,itpromotesthetransformationandupgradingoftraditionalindustries.Secondly,industrialinternetacceleratesthegrowthofemergingindustries.1.工业互联网产业链分析从网络设施发展角度看，工业互联网是网络强国建设的重要内容。一是加速网络演进升级二是拓展数字经济空间1.工业互联网产业链分析Fromtheperspectiveofnetworkinfrastructuredevelopment,industrialinternetisanimportantaspectofanetworkstrongcountryconstruction.Firstly,itacceleratestheevolutionandupgradingofnetworks.Secondly,itexpandsthedigitaleconomyspace.1.工业互联网产业链分析2.工业互联网创新链分析加快发展工业互联网，促进新一代信息技术与制造业深度融合，是顺应技术、产业变革趋势，是加快制造强国、网络强国建设的关键抓手，是深化供给侧结构性改革、促进实体经济转型升级，也是实现“碳达峰、碳中和”目标，持续推进可持续发展的客观要求。2.工业互联网创新链分析Fromtheperspectiveoftheindustrialinternetinnovationchain,acceleratingthedevelopmentoftheindustrialinternetandpromotingthedeepintegrationofnewgenerationinformationtechnologywithmanufacturingisinlinewiththetrendoftechnologicalandindustrialtransformation.ItservesasakeydriverinadvancingChina'sgoalsofbecomingamanufacturingandnetworkpowerhouse,deepeningsupply-sidestructuralreform,promotingthetransformationandupgradingoftherealeconomy,aswellasachievingthe"peakcarbondioxideemissions"andcarbonneutralitytargets.Moreover,itmeetstheobjectiverequirementsforsustainingcontinuousprogresstowardssustainabledevelopment.3.工业互联网人才链分析发展工业互联网，人才是根本。面对人才短缺共性问题，我国政府深入实施新时代人才强国战略，积极布局工业互联网人才培养。在政策引领下，工业互联网发展必须依靠人才已成为共识。3.工业互联网人才链分析Fromtheperspectiveoftheindustrialinternettalentchain,talentisfundamentaltothedevelopmentofindustrialinternet.Facingthecommonproblemoftalentshortage,China'sgovernmenthasimplementedatalent-drivenstrategyforthenewera,activelydevelopingthetalentpoolforindustrialinternet.Underpolicyguidance,relyingontalenthasbecomeaconsensusforthedevelopmentofindustrialinternet.工业互联网人才链分析产业亟需围绕工业互联网的网络、平台、数据和安全体系，在网络互联、标识解析、平台建设、数据服务、应用开发、安全防护等技术领域，从事规划设计、技术研发、测试验证、工程实施、运营管理和运维服务等工作的工程技术人员。工业互联网人才链分析Theindustrialinternetindustryrequiresengineeringandtechnicalprofessionalswhoarefocusedonthefourmajorsystemsofindustrialinternet:network,platform,data,andsecurity.Theseprofessionalsareengagedintasksrelatedtonetworkinterconnection,identityresolution,platformconstruction,dataservices,applicationdevelopment,andsecurityprotectionwithinthefieldofindustrialinternet.Theirrolesinvolveactivitiessuchasplanninganddesign,technologicalresearchanddevelopment,testingandvalidation,engineeringimplementation,operationalmanagement,andmaintenanceservices.4.工业互联网教育链分析工业互联网技术专业人才培养目标：即培养德智体美劳全面发展，掌握扎实的科学文化基础和工业互联网网络互联、数据采集、标识解析、数据处理、安全防护等知识，具备工业网络集成、数据采集与处理、标识解析应用、工业APP开发与应用、安全防护运维等能力，具有工匠精神和信息素养，能够从事工业互联网工程实施、服务应用和运行维护等工作的高素质技术技能人才。4.工业互联网教育链分析Lookingattheindustrialinterneteducationchain,thestudyofnationalprofessionalteachingstandardsforindustrialinternettechnologyrevealsthatthegoaloftrainingnewprofessionalsinthisfieldistopromoteall-rounddevelopmentofmorality,intelligence,physicalfitness,aestheticsandlaborabilities.Theseprofessionalsareexpectedtograspasolidfoundationofscientificcultureandknowledgerelatedtoindustrialinternetnetworkinterconnection,dataacquisition,identityresolution,dataprocessing,andsecurityprotection.Theyarealsoexpectedtopossessskillsrelatedtoindustrialnetworkintegration,dataacquisitionandprocessing,identityresolutionapplication,industrialappdevelopmentandapplication,andsecurityprotectionandoperationandmaintenance.Inaddition,high-qualitytechnicalpersonnelareexpectedtopossessthespiritofcraftsmanship,informationliteracy,andtheabilitytocarryoutengineeringimplementation,serviceapplication,andoperationmaintenanceinthefieldofindustrialinternet.4.工业互联网教育链分析重构“岗课赛证”综合育人机制，“岗”是工作岗位、“课”是课程体系、“赛”是职业技能大赛、“证”是职业技能等级证书。以课程体系为核心与载体，实现“岗课赛证”有机融通，为我国工业互联网创新发展提供高素质技术技能人才。4.工业互联网教育链分析Inordertobettercultivatetalents,wecanadoptacomprehensiveeducationalmechanismcalled"岗课赛证"(job-positioncurriculumcompetitioncertificate)."岗"referstojobpositions,"课"referstocurriculumsystems,"赛"referstovocationalskillcompetitions,and"证"referstovocationalskilllevelcertificates.Withthecurriculumsystemasthecoreandcarrier,the"岗课赛证"mechanismachievesanorganicintegration,providinghigh-qualitytechnicalandskilledpersonnelfortheinnovationanddevelopmentofindustrialinternetinourcountry.4.工业互联网教育链分析职业技能大赛则是推动工业互联网新职业人员培养的一种风向标。下面列举部分具有影响力的工业互联网赛项内容，以展示职业技能大赛的示范引领作用。5.工业互联网技能大赛简介Thevocationalskillscompetitionisaguidingindicatorforthetrainingofnewprofessionalpersonnelinthefieldofindustrialinternet.Itservestoadvancethedevelopmentofskillsnecessaryfortheindustrialinternetsector.Belowaresomeinfluentialcontentsoftheindustrialinternetskillscompetition,demonstratingitsexemplaryandleadingrole.5.工业互联网技能大赛简介5.工业互联网技能大赛简介全国职业院校技能大赛2023年全国职业院校技能大赛，共设134个赛项。其中工业互联网集成应用（师生同赛）赛项，重点考查选手网络互联、数据采集、标识解析、数据处理、集成服务、平台应用等技术技能，以及职业道德、团队合作、工匠精神等素养。5.工业互联网技能大赛简介Thefirstnationalvocationalskillscompetitioninvolved134categoriesin2023,includingthe"IndustrialInternetIntegratedApplication"categoryforteachersandstudents.Thiscategoryfocusesontestingthetechnicalskillsofparticipantsinareassuchasnetworkinterconnection,dataacquisition,identityresolution,dataprocessing,integratedservices,platformapplications,aswellasprofessionalethics,teamwork,andcraftsmanshipspirit.5.工业互联网技能大赛简介中华人民共和国职业技能大赛中华人民共和国第二届职业技能大赛，共设109个赛项。其国赛精选项目新职业赛项工业互联网工程技术（双人赛项），重点考察选手边缘层设备数据采集、边缘计算技术、设备上云技术、设备运维数据分析等核心知识和技能。5.工业互联网技能大赛简介ThesecondnationalvocationalskillscompetitionofthePeople'sRepublicofChinaincluded109categories.Amongtheselectedprojectsforthenationalcompetition,thenewoccupationalcategory"IndustrialInternetEngineeringTechnology"(two-personcompetition)focusesonexaminingparticipants'coreknowledgeandskillsinedgedevicedataacquisition,edgecomputingtechnology,cloudtechnologyfordevices,andequipmentmaintenancedataanalysis.5.工业互联网技能大赛简介金砖国家技能发展与技术创新大赛工业互联网网络互联技术赛项，重点考察内容包括：工业企业网络拓扑规划设计，工业互联网网络设备选项、安装、配置和调试，工业互联网异构网络互联、状态监测、故障排查和系统运维。5.工业互联网技能大赛简介Inthe3rdBRICSSkillsDevelopmentandTechnologyInnovationCompetition,the"IndustrialInternetNetworkInterconnectionTechnology"categoryfocusesonexaminingthefollowing:industrialenterprisenetworktopologyplanninganddesign,selection,installation,configuration,anddebuggingofindustrialinternetnetworkequipment,interconnectionofheterogeneousindustrialinternetnetworks,statusmonitoring,faulttroubleshooting,andsystemoperationandmaintenance.课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibraryProject1工业互联网网络架构IndustrialInternetNetworkArchitecture【项目情境】在工业互联网架构体系中，通过建设低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网网络互联基础设施，可打通生产要素之间的数据“孤岛”，将数据在工业各个生产环节全面互联拓展，实现企业外网、企业内网间的互联互通，形成工业智能化“血液循环系统”。任务1

区分工业互联网网络场景任务描述：工业互联网网络场景相对复杂，可依据网络应用部署场景的差异，将工业互联网网络按照工厂内网、工厂外网等维度进行划分，以此来满足不同层级的应用场景的数据互通。本任务主要围绕工业企业工厂内网和工厂外网的网络应用场景进行介绍，以便读者区分工厂内网、外网不同层级的网络应用场景。任务1区分工业互联网网络场景工厂内网应用部署场景一般包括生产网络、办公网、安防网和数据中心等。生产网络，是指可支持控制类业务、采集类业务、连接类业务等多种应用的场景。任务1区分工业互联网网络场景办公网络，是指企业工厂内网中面向人与人、人与机器间的网络，主要涵盖企业员工上网办公、远程视频、语音会议以及与工厂内网中其他管理和信息系统互联互通等应用的场景。任务1区分工业互联网网络场景安防网络，主要包括企业范围内的视频监控、道闸门禁和其他基于物联网系统等应用的场景。数据中心，主要承载企业生产和日常办公所产生的各类生产相关数据，以及企业正常运行所必须的各类管理和信息系统。任务1区分工业互联网网络场景企业内数据中心作为工厂内网各类数据和服务的承载中心，承担企业内部边缘数据汇聚、存储、处理的主要工作，是工厂内网信息化、智能化的核心节点，也是互联工厂外网，实现跨域数据互通的关键节点。任务1区分工业互联网网络场景工厂外网应用部署场景一般包括互联网连接业务、企业网专线业务、企业云网融合业务、企业无线外网业务等应用场景。互联网连接业务，主要包括普通互联网业务和企业上网专线业务场景。任务1区分工业互联网网络场景企业网专线业务，提供基于互联网的虚拟专线、物理隔离专线、网络切片等定制化专属资源，具有上网速度快、质量稳定、丢包率低、安全可靠等特性，为大中型企业不同分支机构/上下游企业之间提供端到端业务互联和部署服务。任务1区分工业互联网网络场景企业云网融合业务，根据“多系统、多场景、多业务”企业上云要求，云和网深度协同，提供上云专线为工业企业本地数据中心、办公网络、不同机构和云数据中心的互联互通。任务1区分工业互联网网络场景企业无线外网业务，通过5G、NB-IoT等无线通信技术，提供高可靠的无线网络连接，解决工业场景下布网困难、工厂内网无法全覆盖，以及在具有电磁干扰、辐射、化学腐蚀等复杂生产环境下数据采集等问题。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary任务2

了解工业互联网网络功能工业互联网网络功能架构主要由网络互联、数据互通、标识解析三大模块组成。任务2

了解工业互联网网络功能任务描述：工业互联网网络是构建工业环境下人、机、物全面互联的关键基础设施，能够实现制造业全要素、全周期、全链条的互联互通，促进各类工业数据的开放流动和深度融合，加速制造业数字化、网络化、智能化发展。本任务主要围绕工业互联网网络功能架构中网络互联、数据互通和标识解析三大模块进行介绍，以便读者了解工业生产要素之间数据传输、数据“理解”和标记管理等功能。任务2了解工业互联网网络功能1.网络互联通过有线、无线方式，将工业互联网体系相关的人、机、物、料、法、环，以及企业上下游、智能产品、用户等全要素进行连接，支撑业务发展的多要求数据转发，实现端到端数据传输。根据协议层次由底向上，可以分为设备接入层、数据转发层和数据传输层。任务2了解工业互联网网络功能①设备接入层采用不同物理介质的工业设备提供多方式接入服务。其中有线方式包括：现场总线、工业以太网、工业PON、TSN等接入技术；无线方式包括：5G/4G、Wi-Fi/Wi-Fi6、WIA、WirelessHART、ISA100.11a等接入技术，实现将生产要素多方式接入工厂内网。任务2了解工业互联网网络功能②数据转发层实现工业非实时数据转发、工业实时数据转发、网络控制、网络管理等功能。其中工业非实时数据转发主要完成无时延同步要求的数据传输；工业实时数据转发主要完成传输生产控制过程中有实时性要求的控制信息和需实时处理数据；网络控制主要完成路由表/流表生成、路径选择等功能；网络管理包括QoS、拓扑管理、接入管理、资源管理等功能。任务2了解工业互联网网络功能③数据传输层主要包括基于TCP、UDP等协议，实现端到端数据传输模块、端口管理、端到端接口管理、安全管理等功能。任务2了解工业互联网网络功能2.数据互通实现数据和信息在各要素间、各系统间无缝传递，使得异构系统在数据层面能相互“理解”，从而实现数据互操作与信息集成。数据互通包括应用层通信、信息模型和语义互操作等功能。任务2了解工业互联网网络功能①应用层通信通过OPCUA、MQTT和HTTP等协议，实现数据信息传输通道的建立、维持和关闭，以及对支持工业数据资源模型的装备、传感器、远程终端单元、服务器等设备节点进行管理。任务2了解工业互联网网络功能②信息模型通过OPCUA、MTConnect和YANG等协议，提供完备、统一的数据对象表达、描述和操作模型。任务2了解工业互联网网络功能③语义互操作通过OPCUA、PLCopen和AutoML等协议，实现工业数据信息的发现、采集、查询、存储和交互等功能，以及对工业数据信息的请求、相应、发布和订阅等功能。任务2了解工业互联网网络功能3.标识解析提供标识数据采集、标签管理、标识注册、标识解析、数据处理和标识数据建模功能。①标识数据采集主要定义了标识数据的采集和处理手段，包含标识读写和数据传输两个功能，负责标识的识读和数据预处理。任务2了解工业互联网网络功能②标签管理主要定义了标识的载体形式和标识编码的存储形式，负责完成载体数据信息的存储、管理和控制，针对不同行业、企业需要，提供符合要求的标识编码形式。任务2了解工业互联网网络功能③标识注册在信息系统中创建对象的标识注册数据，包括标识责任主体信息、解析服务寻址信息、对象应用数据信息等，并存储、管理、维护该注册数据。任务2了解工业互联网网络功能④标识解析根据标识编码查询目标对象网络位置或者相关信息的系统装置，对机器和物品进行唯一性的定位和信息查询，是实现全球供应链系统和企业生产系统的精准对接、产品全生命周期管理和智能化服务的前提和基础。任务2了解工业互联网网络功能⑤标识数据处理对采集后的数据进行清洗、存储、检索、加工、变换和传输的过程，根据不同业务场景，依托数据模型来实现不同的数据处理过程。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary任务3理解工业互联网网络建设要求任务描述：工业互联网网络建设目标是构建全要素、全系统、全产业链互联互通的新型基础设施。本任务主要围绕生产控制网络建设、企业与园区网络建设、国家骨干网络建设和信息互通互操作体系部署进行介绍，以便读者逐层理解工业互联网网络建设要求。任务3理解工业互联网网络建设要求1.生产控制网络建设核心目标为在设备层和边缘层建设高可靠、高安全、高融合的网络，支撑生产域的人机料法环全面的数据采集、控制、监测、管理、分析等。任务3理解工业互联网网络建设要求主要部署设备包括：用于智能机器、仪器仪表、专用设备等边缘设备接入的工业总线模块、工业以太网模块、TSN模块、无线网络模块；用于边缘网络多协议转换的边缘网关；用于生产控制网络汇聚的工业以太网交换机、TSN交换机；用于生产控制网络数据汇聚的RTU设备；用于生产控制网络灵活管理配置的网络控制器。任务3理解工业互联网网络建设要求2.企业与园区网络建设核心目标为在企业层建设高可靠、全覆盖、大带宽的企业与园区网络。任务3理解工业互联网网络建设要求主要部署设备包括：用于连接多个生产控制网络的确定性网络设备、用于办公系统、业务系统互联互通的通用数据通信设备、用于实现企业与园区全面覆盖的无线网络、用于企业与园区网络敏捷管理维护的SDN网络设备、用于企业内数据汇聚分析的数据服务器/云数据中心、以及用于接入工厂外网络的出口路由器。任务3理解工业互联网网络建设要求3.国家骨干网络建设核心目标为在产业层建设低时延、高可靠、大带宽的全国性骨干网络。任务3理解工业互联网网络建设要求工业企业使用国家骨干网络主要是普通互联网连接和高质量专线连接两类。普通互联网连接是企业通过“尽力而为”的互联网实现最基本的商务、客户、用户和产品联系；高质量专线连接是企业通过基于互联网的虚拟专线、物理隔离的专线、5G切片网络等，实现高可靠、高安全、高质量的业务部署。任务3理解工业互联网网络建设要求4.信息互通互操作体系部署核心目标为构建从底到上全流程、全业务的数据互通系统。任务3理解工业互联网网络建设要求主要部署包括：在工厂内网，工业企业部署支持OPCUA、MTConnect、MQTT等国际国内标准化数据协议的生产装备、监控采集设备、专用远程终端单元、数据服务器等，部署支持行业专有信息模型的数据中间件、应用系统等，实现跨厂家、跨系统的信息互通互操作；在工厂外网，企业部署的各类云平台系统、监控设备、智能产品等应支持MQTT、XMPP等通信协议，实现平台系统对数据快速高效的采集、汇聚。【拓展阅读】2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会召开会议，要求加快推进国家规划已明确的重大工程和基础设施建设，加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。新型基础设施建设，主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。【拓展阅读】当下，我国经济正由高速发展转变为高质量发展的关键时期，“新基建”是面向高质量发展需求，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。“新基建”即是稳投资、扩内需、拉动经济增长的重要途径，“新基建”也是促升级、优结构、提升经济发展质量的重要环节。【拓展阅读】伴随“新基建”加速建设，新型技术产业落地应用，将催生大量创新应用和产业形态，扩大新供给，形成新的经济模式，推动产生新的新兴战略产业，改变我们的生活、工作和学习。作为未来投身“新基建”的建设者，要适应时代发展、洞悉科技前沿，发扬工匠精神、苦练技术技能，肩负科技兴国的责任使命，努力成为堪当民族复兴重任的有志青年。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibraryProject2工业互联网网络设备IndustrialInternetNetworkEquipment【项目情境】在工业互联网架构体系中，通过配置先进、可靠、安全的工业互联网网络设备，来组建工厂内网和工厂外网。工业互联网络设备主要实现智能设备的网络互联功能，以及实现工业设备之间的数据互通功能。任务1识别工业网络物理接口任务描述：工业互联网网络设备接口繁多，需要识别不同物理接口，以利于对接不同类型工业网络设备间的数据流动，进而管理各类工业生产设备。本任务主要围绕RS-232接口、RS-485接口、RJ-45接口、USB接口、光纤接口、接口转换等进行介绍，为读者具备后续配置工业网络设备提供接口识别与对接能力。任务1识别工业网络物理接口1.识别RS-232接口RS-232接口被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准，其采取不平衡传输方式，即单端通信。RS-232接口一般采用25引脚的DB-25连接器，但在工业控制中接口一般简化为DB-9连接器，其接口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。任务1识别工业网络物理接口RS-232接口的信号传送距离最长约为15米，最高速率为20Kbps，只限于计算机串口和设备之间点对点通信。任务1识别工业网络物理接口2.识别RS-485接口 RS-485被定义为平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性标准，也是串行通信方式。RS-485接口有两线制、四线制两种接线方式，其接口采用差分方式传输信号。两线制为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点，还可通过增加网络中继器连接更多站点；四线制只能实现点对点通信，一般采用较少。任务1识别工业网络物理接口RS-485接口的信号传送距离最长约为1200米，最高速率为10Mbps。其在工业场景中的应用主要包括可编程逻辑控制器（PLC）系统、工业仪器仪表、高精度传感器和自动化控制设备。任务1识别工业网络物理接口3.识别RJ-45接口 RJ-45是标准8位模块化接口，是布线系统中信息插座连接器的一种，由插头（水晶头）和插座（模块）组成，用导线进行连接以实现电气连续性。RJ-45接口是常见的双绞线以太网端口，有数据终端设备（DTE）类型、数字通信设备（DCE）类型共两类，前者用于以太网网卡、路由器接口等，后者用于交换机接口等。任务1识别工业网络物理接口RJ-45接口的信号传送距离约为100米，其端口速率一般为10/100Mbps带宽自适应。RJ-45接口主要应用于网络通信领域，常用于局域网（LAN）和广域网（WAN）中，广泛用于交换机、路由器、计算机等设备的网络连接。任务1识别工业网络物理接口4.识别USB接口 通用串行总线（USB）是一种计算机外部接口总线标准，用于规范计算机机与外部设备的连接和通信。USB接口有不同版本，其中包括USB1.0、USB2.0、USB3.0和USB4.0。每个版本都有不同的传输速度和带宽。任务1识别工业网络物理接口USB接口可以提供5V电压，适用于传输数据和供电。USB接口在工业场景中的应用使得工业自动化控制、工业检测仪器、工业摄像头和工业数据采集等方面的设备更加智能和高效。任务1识别工业网络物理接口5.识别光纤接口 光纤接口是一种通过光传输信息的接口，用来连接光纤线缆的物理接口,一般用于长距离和高速传输。光纤接口的基本构成是由光信号发射器和接收器组成的两个设备，信号发射器将电信号转换为光信号发送到光纤上，信号接收器则将光信号转换为电信号进行解码。任务1识别工业网络物理接口在光纤连接中，常用的光纤接口有SC型（直插式连接器）、LC型（锁扣式连接器）、FC型（圆形金属插头）和ST型（直径2.5毫米的插头）等标准化连接器。SC型和LC型光纤连接器，常用于路由器、交换机；ST型和FC型光纤连接器，接头为圆型带螺纹，常用于配线架。任务1识别工业网络物理接口6.识别串口服务器串口服务器是用来实现TCP/UDP数据包与RS232/RS485/RS422接口之间数据透明传输的设备。串口转以太网服务器通常包括一个串口接口和一个以太网接口，通过该转换模块将串口连接到设备，然后将数据通过以太网传输给其他设备。任务1识别工业网络物理接口使用串口转以太网模块一般需要先通过串口发送指令配置模块，以便实现正确的通信，实现串口发送数据的基本功能，再通过以太网将数据传输给其他设备。此外，还有一种方法是使用单片机实现串口转以太网。任务1识别工业网络物理接口7.串口转以太网规则 串口转以太网并非是简单的传输媒介变化，串口协议本身不具有网络层和传输层，因此串口转以太网实际是将串口数据作为TCP/IP的应用层数据，采用TCP/IP封装传输的方式。任务1识别工业网络物理接口例如：USR-N520在串口侧数据是透明传输，两个串口相互独立；在以太网口侧则是TCP/IP数据包，可通过服务器内部网页或软件进行简单设置，即可完成对接转换。任务1识别工业网络物理接口8.串口转USB规则串口转USB转换器的基本工作原理是将串口信号转换为USB信号。串口信号包括发送和接收线路、数据位和停止位等，这些信号被转换为USB数据流，然后传输到计算机的USB端口上。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary①实践目的掌握RS-485物理接口接线制作的方法，以及串口转接以太网的方法，具备RS-485物理接口接线制作和串口转接以太网调试的操作技能。任务实践:物理接口接线和串口转接调试②实践环境实践环境搭建包括RS-485接线公头1个、RS-485接线母头1个、网线1根、RS-485信号线缆、USR-N520双串口服务器1个、串口线(公转母)1根、网线1根、DC12V(或5V)电源线1根、PC1台、剥削钳子、一字螺丝刀等。任务实践:物理接口接线和串口转接调试③实践内容

RS-485物理接口接线制作:

第一步，准备工作准备好接线材料及相关工具。第二步，拧松接线端子将RS-485接线公头和母头外壳的侧面线扣打开，使用螺丝刀拧松（2、3、5引脚）接线柱。任务实践:物理接口接线和串口转接调试第三步，线缆去芯选取适合长度的RS485通信信号线缆，使用剥线钳将线缆两端剥外皮40mm，线芯剥皮3mm。第四步，接线柱接线将剥好的线芯分别插入（2、3、5引脚）接线公头和母头的接线柱，使用螺丝刀拧紧。任务实践:物理接口接线和串口转接调试第五步，压紧接线扣装入接线公头和母头的外壳压紧线扣。第六步，检查电气性使用万用表测试接线公头和母头的电气连接性，完成接线安装工作。任务实践:物理接口接线和串口转接调试

串口转接以太网调试第一步，连接设备将USR-N520的串口通过串口线与PC相连接，再将USR-N520网口与PC相连接，最后接入电源适配器为USR-N520供电。任务实践:物理接口接线和串口转接调试第二步，本地连接关闭PC防火墙和杀毒软件，再关闭与本次测试无关的网卡，只保留一个本地连接。任务实践:物理接口接线和串口转接调试第三步，设置静态IPUSR-N520直连PC情况下，设置一个静态IP，确保与USR-N520的IP在同一个网段，例如：01。任务实践:物理接口接线和串口转接调试第四步，使用调试助手打开调试助手软件“USR-TCP232-Test.exe”，在网络设置区选择“TCPClient”模式，设置IP地址“”，设置端口号“23”（硬件连接串口1），再点击“建立TCP连接”，设置串口波特率“115200”，设置串口参数“None/8/1”，点击“打开串口”。任务实践:物理接口接线和串口转接调试完成前述操作后，即可测试串口和网络之间的数据收发。串口至网络的数据流向：计算机串口→USR-N520串口→USR-N520以太网口→计算机网络；网络至串口的数据流向：计算机网络→USR-N520以太网口→USR-N520串口→计算机串口。任务实践:物理接口接线和串口转接调试课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary任务2配置工业网关设备任务描述：在工业现场中，不同通信设备及系统之间的相互通信，需要通过工业网关进行数据传递，使用工业网关能够面向工业设备采集相关数据，并进行协议解析和数据转换。本任务主要围绕工业网关功能、工业网关协议等进行介绍，为读者具备后续实现设备数据上云提供工业网关配置的能力。任务2配置工业网关设备1.认识工业网关网关是一种起到数据转换作用的计算机系统或设备，在使用不同的通信协议、数据格式时，甚至体系结构异同的网络系统里，通过网关数据转换作用，可以实现异构系统之间的互联互通。任务2配置工业网关设备工业网关，主要负责将工业现场设备之间的不同通信协议，进行解析和转换，使之成为工业互联网平台可以理解的语言和协议。在工业现场中，使用工业网关可以实现异构系统之间的互联互通，它在工业互联网中起到“承上启下”的作用。任务2配置工业网关设备工业网关主要功能包括：①数据采集和传输工业网关通过多种物理接口连接设备，读取设备现场数据，实现各设备之间的互联互通。②数据协议解析工业网关按照工业协议，对采集数据进行数据解析，从而提取有用数据字段，并进行格式转换。任务2配置工业网关设备③数据协议转换工业网关完成采集数据解析后，可将提取的有用数据按照其他软件系统或设备协议进行数据重组或重新打包，重组后的通信数据帧，可被其他软件系统或设备识别并读取。④数据过滤和汇聚工业网关对设备数据过滤，提取有价值的数据，将其他部分过滤，可减少数据传输、处理和存储的要求。任务2配置工业网关设备⑤数据边缘计算具备边缘计算功能的工业网关，一般被视为边缘节点，在靠近设备的边缘侧进行数据计算，并将计算后的数据反馈至工业互联网平台，达到低时延的效果。⑥网络安全保护工业网关作为重要的边缘节点，与工业设备直接连接和通信，并汇聚大量工业设备数据，信息安全保护也是工业网关必须具备的功能。任务2配置工业网关设备在工业现场中，选择合适的工业网关，需要根据系统需求来确定，主要有以下几点因素。①匹配通信接口要根据现场设备接口情况，应根据需要连接的设备类型，选择合适的网关通信接口类型。任务2配置工业网关设备②支持工业协议根据工业现场的通信协议来判断，所选型号是否适配工业设备的通信协议，确保其能够与现有网络和设备兼容，实现数据采集。③数据传输速度根据传输数据量和数据类型选择合适的网关。若需要传输大量的实时数据，应选择具有高带宽和高传输速度的网关。任务2配置工业网关设备④配置硬件资源工业网关硬件配置，包括CPU型号及主频、内存大小、硬盘容量，以及工作电压和工作电流的要求。⑤抗干扰能力在生产环境中，会有许多电磁干扰。因此选择具有抗干扰能力的工业网关，可以确保数据传输的可靠性和准确性。任务2配置工业网关设备⑥可靠性和稳定性为确保工业网关在工业生产环境中连续运行，一般应选择具有高度稳定性和可靠性的工业网关。⑦安全性为防止未经授权的访问和数据泄露，应选择具有高级安全功能的工业网关。此外，还需兼顾工业网关的工作环境参数，包括工作温度、存储温度、工作湿度以及IP防护等级。任务2配置工业网关设备以YZ-G8406型工业网关为例。该网关支持工业设备协议超过200种，其中国际标准协议包括：OPC、Modbus、IEC61850、IEC60870、DNP3、BACnet等；PLC、DCS等设备厂商私有协议包括：西门子S7协议、三菱编程接口协议等；支持各种智能仪表、智能设备私有协议；还支持对各种数据文件解析，如TXT、CSV等。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary①实践目的掌握工业网关联网的基本方法，具备配置工业网关的静态IP、登录管理、启用蜂窝网和联网测试等相关操作技能。②实践环境实践环境搭建包括YZ-G8406工业网关1个、网线2根、DC12V电源线1根、PC1台等。任务实践：工业网关基本配置和联网测试③实践内容

配置工业网关IP地址:第一步，连接设备使用网线将YZ-G8406的LAN网口与PC相连接，接入电源适配器为YZ-G8406供电。第二步，本地连接关闭PC防火墙和杀毒软件，再关闭与本次测试无关的网卡，只保留一个本地连接。任务实践：工业网关IP配置和联网测试第三步，配置静态IP在YZ-G8406网口1直连PC的情况下，YZ-G8406具有DHCP功能，PC端可以使用自动获取IP地址，也可以在控制面板-网络和Internet设置一个静态IP，确保其与YZ-G8406的IP在同一个网段（例如：01）。任务实践：工业网关基本配置和联网测试第四步，登录管理系统打开电脑浏览器，输入IP地址：（YZ-G8406的LAN网口默认IP地址，如已更改，使用更改后的IP地址），弹出登录窗口，输入用户名：adm，密码：123456，登录管理系统。任务实践：工业网关基本配置和联网测试第五步，修改IP地址进入管理系统后，点击“网络→LAN”，找到相应网口配置，YZ-G8406网口1对应“WAN”，YZ-G8406网口2对应“LAN”，修改IP地址时，点击对应编辑按钮进入网口参数设置界面。IP地址修改后需记住所修改的IP，然后在浏览器输入新的IP并登录（如果电脑使用静态IP，需再次修改电脑IP至同一网段）。任务实践：工业网关基本配置和联网测试工业网关联网测试：方法一

使用SIM卡拨号连接Internet第一步，连接设备将SIM卡插入卡槽（注意：插拔SIM卡操作时，必须拔掉电源，以免造成数据丢失或设备损坏）。插入SIM卡后将4GLTE天线与ANT口连接，接通YZ-G8406的电源。任务实践：工业网关基本配置和联网测试第二步，启用蜂窝网进入YZ-G8406的“网络→网络接口→蜂窝网”页面，勾选“启用蜂窝网”并点击提交。任务实践：工业网关基本配置和联网测试第三步，联网测试待网络连接状态显示为“已连接”并且显示已分配相应IP地址等状态时说明YZ-G8406已通过SIM卡联网。任务实践：工业网关基本配置和联网测试方法二

使用以太网连接Internet第一步，连接设备使用以太网线连接YZ-G8406的WAN和LAN口。任务实践：工业网关基本配置和联网测试第二步，配置静态IP进入YZ-G8406的“网络→网络接口→WAN”页面，配置WAN口的IP地址（网络类型为静态IP地址时需要配置IP、子网掩码等信息）并点击提交。任务实践：工业网关基本配置和联网测试第三步，配置静态路由进入YZ-G8406的“网络→路由→静态路由”页面，为WAN口添加静态路由（接口项选择“WAN”，其余项根据现场网络情况配置）并点击提交。任务实践：工业网关基本配置和联网测试第四步，联网检测进入YZ-G8406的“系统管理→工具”页面，使用Ping命令检测YZ-G8406是否成功接入Internet。任务实践：工业网关基本配置和联网测试课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary任务3配置工业交换机设备任务描述：在工业现场中，网络设备之间的互联互通，还需要借助工业交换机设备来实现，从而应对各种严苛的工业环境下的网络数据传输。本任务主要围绕通用交换机、工业交换机的功能及配置等内容进行介绍，为读者具备后续实现部署工业现场网络提供工业交换机配置的能力。任务3配置工业交换机设备1.认识通用交换机交换机，常用于电（光）信号转发的网络设备，能为子网络提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机，从而扩大网络的一种网络设备器材。最常见的交换机就是以太网交换机，其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。任务3配置工业交换机设备交换机从广义上可分为两种：广域网交换机和局域网交换机。其中广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台；局域网交换机主要应用于局域网络，用于连接终端设备。任务3配置工业交换机设备交换机可以分为：二层交换机，三层交换机或是更高层的交换机。交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN(虚拟局域网)的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。任务3配置工业交换机设备2.认识工业交换机工业交换机，也称工业以太网交换机。它是一种应用于工业控制领域的以太网交换机设备，使用TCP/IP协议，要求具有耐低温高温、抗电磁干扰、防盐雾、抗震等特性，适应严苛的工作环境。任务3配置工业交换机设备工业交换机的主要功能包括：提供网络接口、扩充网络接口、扩展网络范围、划分VLAN网络。①提供网络接口工业现场的网络设备之间互联互通，需要借助工业交换机才能实现。工业现场网络设备一般主要包括：计算机、服务器等计算机设备；网络打印机、网络摄像头、IP电话等网络终端设备；PLC、CNC和工控机等工业控制设备等。任务3配置工业交换机设备②扩充网络接口工业交换机常配有多个网络接口，若遇到工业现场网络设备较多，需要组建规模较大的网络环境时，单个工业交换机就无法提供适配的网络接口数量。此时，可通过多台工业交换机来成倍地扩充网络接口。任务3配置工业交换机设备③扩展网络范围工业交换机与计算机设备、工业控制设备或其它网络终端设备的连接，是依靠传输介质连接在一起的，受限于传输介质的传输距离，需要借助交换机进行中继传输，以成倍地扩展网络传输距离，增大网络覆盖范围。任务3配置工业交换机设备④划分VLAN网络VLAN，又称虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的技术。VLAN是为解决以太网的广播问题和网络安全性而提出的，一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中。即使是处在同一网段的两台计算机，如果不在同一VLAN中，它们各自的广播流也不会相互转发。任务3配置工业交换机设备划分VLAN有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。由于VLAN隔离了广播风暴，也隔离了不同VLAN之间的通信，因此，不同VLAN之间的通信必须依靠路由器或者三层交换机来实现。任务3配置工业交换机设备以SI5000系列工业交换机为例，它具有高度的可靠性和稳定性，适用于工业环境的数据通信和网络连接需求。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary任务实践：工业交换机基本配置①实践目的掌握工业交换机配置的基本方法，具备配置工业交换机的登录设备、管理用户、管理端口和VLAN等相关操作技能。②实践环境实践环境搭建包括SI5020I-8TS-L型工业交换机1个、网线1根、DC24V电源线1根、PC1台等。任务实践：工业交换机基本配置1.登录设备第一步，设备连接使用网线将工业交换机网口与PC网口相连接，再接入电源适配器为工业交换机供电。第二步，本地连接关闭PC防火墙和杀毒软件，关闭与本次测试无关的网卡，只保留一个本地连接。任务实践：工业交换机基本配置第三步，设置静态IP工业交换机直连PC情况下，PC设置一个静态IP，确保PC与工业交换机在同一个网段，例如：0。任务实践：工业交换机基本配置第四步，登录网管系统打开电脑浏览器，地址栏中输入IP：，输入用户名密码（默认用户名admin，默认密码inspur123，如已更改请输入最新的用户名密码），输入正确即登录成功。任务实践：工业交换机基本配置第五步，选择退出按钮，重新回到登录页面，可选择页面显示语言，选择中文显示。任务实践：工业交换机基本配置2.管理用户第一步，用户登录点击“基础配置→用户”，进入用户管理界面，点击“添加”按钮，进行新用户添加操作，用户名：administrator，密码：123456aA，允许登录方式选择web。任务实践：工业交换机基本配置第二步，保存配置点击应用，弹出“配置成功”，再点击保存按钮，保存修改的配置，然后点击退出，可使用新的用户名密码登录。任务实践：工业交换机基本配置3.管理端口第一步，配置端口点击“基础配置→端口管理”，可进入端口管理界面，在“端口配置”页面可以看到当前交换机所有端口的配置信息，点击操作栏下的“修改”按钮，可以修改端口信息。任务实践：工业交换机基本配置第二步，端口统计点击“端口统计”分页，可进入端口信息查看界面，在此界面可查看端口的流量统计、出错统计信息等。任务实践：工业交换机基本配置4.配置VLAN第一步，配置VLAN基本信息点击“以太网配置→VLAN配置”，可进入VLAN配置界面，进入“基本配置”页面可以查询现有VLAN及新增VLAN，点击“配置”按钮，可新增或者删除VLAN号。任务实践：工业交换机基本配置第二步，配置VLAN端口点击“VLAN端口”，可进入VLAN端口配置界面，此页面可配置端口的VLAN工作模式、Access模式下端口的默认VLAN、Trunk模式下允许通过的VLAN号等信息。任务实践：工业交换机基本配置第三步，配置IP点击“三层配置→IP配置”，可进入IP配置界面，IP基本配置页面可查看已配置的虚拟接口IP列表，也可添加VLAN的IP地址。任务实践：工业交换机基本配置第四步，添加VLAN接口点击VLAN接口列表下的“添加”按钮，首先添加VLAN接口，添加成功后，再点击IP基本信息列表下的“添加”按钮，添加相应接口下的IP地址。完成上述操作后，即可完成SI5020I-8TS-L工业交换机的基础配置。课程结束Endofcourse工业互联网技术专业教学资源库IndustrialInternetTechnologySpecialtyTeachingResourceLibrary任务4配置工业无线路由设备任务描述：在工业现场中，由于现场环境、布线局限性、设备移动性管理等多种因素的影响，可采用工业无线网络设备来实现设备之间的互联互通，从而应对各种严苛的工业环境下网络数据的传输。本任务主要围绕工业路由器、5GCPE等进行介绍，为读者具备后续实现部署工业无线网络提供工业路由器和5GCPE配置的能力。1.认识工业路由器路由是数据通信网络中最基本的要素。路由信息就是指导报文发送的路径信息，路由的过程就是报文转发的过程。路由器最基本的两个功能就是路由决策和数据转发。任务4配置工业无线路由设备任务4配置工业无线路由设备工业路由器，也称工业以太网路由器。它是专门针对工业环境而设计和制造的一种路由器设备，利用公用无线网络为用户提供无线的数据传输功能。主要适用于对网络要求较高或环境较恶劣的场所，要求具有耐低温高温、抗电磁干扰、防盐雾、抗震等特性，适应严苛的工作环境。任务4配置工业无线路由设备工业路由器一般具有以下特点和功能。①高稳定性和可靠性②大数据流量处理③设备管理和监控④多工业应用场景⑤网络安全保护⑥抗干扰能力强任务4配置工业无线路由设备①高稳定性和可靠性工业路由器对路由协议、GPS同步、网络巡检、自动再启动等功能提供支持，能够对工业控制现场的网络数据进行高效稳定转发，同时能够自动检测并修复网络故障，确保工业生产的连续高效。任务4配置工业无线路由设备②大数据流量处理具有强大的数据处理能力，并支持大型网络的流量控制。例如：支持多种各类接口配置，可为应用场景提供差异化解决方案。任务4配置工业无线路由设备③设备管理和监控支持多种设备管理和监控协议，例如SNMP、Telnet和WEB，能够实时监测网络设备工作状态，进行配置管理。④多应用场景支持多种网络通信协议，包括TCP/IP、UDP、DHCP、DNS等，能够连接到不同类型的设备和网络，支持多种不同应用场景。任务4配置工业无线路由设备⑤网络安全保护支持多种网络安全协议，包括VPN、防火墙、ACL等，能够为网络数据的保密性、完整性、可用性等方面提供良好的保护支持。⑥抗干扰能力强采用工业级防爆设计和电源管理，能够防御电磁干扰、静电干扰等工业环境下的电气噪声和干扰。任务4配置工业无线路由设备在实际使用中，工业路由器主要功能包括以下内容。①提供局域网连接②提供广域网连接③实现异构网络互联与多个子网互联任务4配置工业无线路由设备①提供局域网连接工业路由器最主要的功能就是帮助设备无线联网，提供Wi-Fi热点给工业设备，为工业设备互联互通提供Wi-Fi媒介。工业现场的网络