《物联网工程导论》课件 项目4 智能冶炼工厂的网络规划（6学时）

项目四

智能冶炼工厂网络规划《物联网工程导论》课程引导案例钢铁冶炼是世界上最复杂的工艺流程之一，也是世界上最高危的工作环境之一。我国自主研发5G+AI钢铁冶炼智慧管控平台，实现“铁、运、钢”扁平化管控及铁水调度智能化。首创5G+AI铁钢界面智慧管控平台助力铁钢生产数智升级2020年7月，中冶赛迪自主研发的全球首套智慧铁水运输系统在宝武湛江钢铁正式投用，全厂8台机车、28台鱼雷罐车实现全系统无人化运行。引导案例工作人员在办公室远程操作运用5G、Wi-Fi6等网络通信技术，工作人员在远离冶炼现场的办公室内工作，实现远程控制机械手臂“开铁口”，远程调配铁水运输机车、实时跟踪机车位置、道口安全管控、设备状态在线监控等。国家国民经济和社会发展“十四五”规划纲要提出，坚持把发展经济着力点放在实体经济上，加快推进制造强国、质量强国建设。推动制造业优化升级，深入实施智能制造和绿色制造工程。机械手臂代替人“开铁口”引导案例你还知道哪些网络技术应用在智能工厂呢?智能工厂的哪些设备或数据需要接入网络？Wi-Fi6无线接入生产设备

5G基站为工厂提供无线接入支持1学习目标计划行动34任务实施5任务展示与评价目录6任务拓展2任务分析1学时3学时+课外1学时+课外1学时课外PART.1学习目标任务目标知识目标技能目标素质目标了解智能工厂的基本概念理解计算机网络的组成与结构掌握工业互联网的基本概念掌握新一代移动通信技术的特点能概述智能工厂系统结构及关键技术能根据需求，进行系统网络技术选型能根据需求，绘制系统网络结构图树立科技报国的责任感树立创新创造意识具有科学探究方法与探究精神的解决问题能力PART.2任务分析任务描述智能冶炼工厂的网络规划受建设单位委托，我设计院根据“智能冶炼工厂”建设需求，完成工厂网络总体规划。经调研，网络连接需求如图所示。智能冶炼工厂主要有炼铁车间、炼钢车间和控制中心，其中各自距离约1千米。车间现场新增机械手臂等自动化设备，代替人在高危环境中操作；铁水运输罐车在炼铁车间和炼钢车间往返，实现智能化运输，无人驾驶和远程调配；车间内生产线覆盖高清摄像机，生产数据实时分析记录；厂区安全监控覆盖视频安防设备；控制中心覆盖办公信息网络，实时监控关键设备、仪器仪表、铁水运输机车、关键道路、工作人员安全规范等数据上传下发。请分析网络建设需求，结合需求进行网络技术选型，绘制网络拓扑结构图，完成工厂的网络规划设计，形成《智能冶炼工厂网络规划设计》报告。智能冶炼工厂网络连接需求示意图任务目标已知的（事实或想法）需要知道的内容需要学习的知识或技能

任务分析

请根据任务描述，各小组讨论分析任务的具体目标（即需要完成哪些事情），并清晰、简短的填写到【任务准备单】“任务目标”列。智能冶炼工厂的网络规划任务目标任务分析请观看视频“创新进行时20210315探秘智慧钢厂（一）”，回答以下问题：（1）智能冶炼工厂的有哪些设备或数据需要互联互通？（2）智能冶炼工厂运用了哪些网络技术来实现工厂设备和数据的互联？（3）这些网络技术有什么不同适用场景和特点？（4）如何用网络拓扑结构图描述智能冶炼工厂的网络规划设计？已知事实智能冶炼工厂的网络规划任务分析任务目标已知的（事实或想法）需要知道的内容需要学习的知识或技能

请将小组内讨论的答案，清晰、简短的填写到【任务准备单】“已知的（事实和想法）”列。已知事实智能冶炼工厂的网络规划为完成“智能冶炼工厂的网络规划”任务目标，你还有什么疑问？任务分析还需要学习的知识智能冶炼工厂的网络规划任务目标已知的（事实或想法）需要知道的内容需要学习的知识或技能

请将小组内讨论的问题，清晰、简短的填写到在【任务准备】单“需要知道的内容”列，并提炼出这些内容对应的知识和技能，填到“需要学习的知识和技能”列任务分析智能冶炼工厂的网络规划根据任务要求，以小组为单位，轮流分享任务准备情况任务准备分享智能冶炼工厂的网络规划

钢铁人类使用最多的金属材料，被称为“工业的粮食”，大到飞机坦克，小到家庭日用。钢铁冶炼也成为一个国家发展重要的基础工业。中国世界上钢铁生产出口第一大国，钢铁究竟是怎样练成的？又有哪些创新科技，在助力钢铁冶炼变得更加安全、更加智能呢？我国企业自主研发的5G+AI铁钢界面智慧管控平台综合运用大数据分析、智能算法、机器视觉等，实现“铁、运、钢”扁平化管控及铁水调度智能调度。创新性融入5G通讯技术，实现铁水罐罐号跟踪、机车位置实时跟踪、道口安全管控、设备状态在线监控。铁钢界面智慧管控平台由全流程智能跟踪系统、全流程智能状态管理系统、综合信息集中管理系统、智慧铁水调度系统等组成。钢铁界面

智慧管控任务解析全流程智能跟踪系统全流程智能状态管理系统综合信息集中管理系统智慧铁水调度系统铁前集控炼钢车间钢后一体化智慧冶炼工厂的网络规划

全流程智能跟踪系统，覆盖从高炉到炼钢车间运输作业全过程，铁水罐罐号、机车号自动识别、位置自动跟踪、到位自动确认、实现任务自动闭环、位置信息动态展示。全流程智能状态管理系统，对出铁口状态、罐车受铁状态、炼钢车间倒罐/折铁状态、罐车空/重状态的自动识别、采集，对罐车、机车异常状态、检修及状态在线管理，实现数据集中透明管理。实现从原料场、炼铁、炼钢、轧钢、中间库、到成品库等各生产运输环节的自动化和信息化。炼钢车间一体化操作炼铁全流程管理

喷码贴标一体化机器人任务解析智慧冶炼工厂的网络规划智能冶炼工厂控制中心

综合信息集中管理系统对铁水生产及运输信息集中管理、可视化展示，生产实绩信息自动生成；对关键指标由统一界面整合，多元、多维度综合分析；手机APP实时查看钢铁界面关键生产数据，实现精细化管理；实现任务自动闭环、位置信息动态展示。任务解析主控室通过5G网络技术远程操控智能行车调运板卷产品发货智慧冶炼工厂的网络规划

智慧铁水调度系统实现铁水运输的管理数据化、调度智能化、运输无人化。实现智能铁钢平衡、铁水智能分配、机车任务自动编制及下发执行。车顶上天线就像是机车“耳朵”，能够接收任务指令，车头前方的摄像头、毫米波雷达、激光雷达、激光测距仪，起到了监控识别运输途中各种障碍物、测算距离的作用。机车上的设备之间可通过工业现场总线或工业以太网通信，通过5G移动通信技术实时传输状态数据到控制中心，并接收控制指令。其网络技术主要包括工业以太网、现场总线和新一代移动通信技术等。任务解析任务解析课后任务项目四智能冶炼工厂的网络规划4.1认识智能工厂4.2探秘有线传输技术4.3探秘无线传输技术（1）观看微课等资源；（2）参与相关讨论话题；（3）完成小节测验。在线课程上，预习下节课内容：

期待下次见面PART.3计划行动（3学时）在线预习点评测验完成情况参与讨论话题情况认识智能工厂4.14.1.1智能工厂的发展

工业发展的四个阶段

工业4.0时代特点：网络化（信息物理融合系统）、智能化（数字化设计与制造协同）、柔性化（精益生产与柔性制造）传统模式，信息技术（IT）网络与生产控制（OT）网络分离，工业4.0中IT与OT融合，形成新型网状数据交互架构。认识智能工厂4.14.1.1智能工厂的发展智能工厂（SF，smartfactory）：帮助人和机器执行任务的情景感知工厂，在这种情景感知的制造环境下，利用分布信息和通信技术来处理生产的实时扰动，实现生产过程的优化管理。智能工厂是实现智能制造的重要载体，由其制造的产品集成了动态数字存储器，具有感知和通信能力，承载着整个供应链和生命周期中所需的各种信息；整个生产价值链中所集成的生产设施能够实现自组织，根据当前的状况灵活地决定生产过程；其目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。认识智能工厂4.14.1.2智能工厂系统的组成智能工厂基于感知技术、设备监控技术，通过工业网络，完成生产中“人、机、料、法、环”全要素的全连接。智能工厂实施架构，主要包括感知层、网络层、平台层和应用层。

智能工厂实施架构图感知层包含工厂现场的人及各类设施设备网络层包含各种网络，有工业控制网络、监控网络、管理网络、服务网络等，实现数据和信息的流通和交换。平台层汇聚了各类数据与云应用层涉及实际应用场景的使用与展示创新应用实现产品的全生命周期管理和全产业链上下游的协同互动认识智能工厂4.14.1.2智能工厂系统的组成智能工厂系统主要组成有：智能生产、智慧物流、智慧管理、智慧服务、产业链协同、产研协同、网络部署。

智能工厂网络互联示意图智能生产：智能监控、自动化生产、远程操作、智能检测智慧物流：自动化、可视化、可控智能化智慧管理：智能安防、能耗管理智慧服务：预测性维护和维修服务产业链协同：依托工业互联网平台，建立产业链信息模型网络部署：主要由工业生产网、企业信息网、公共服务网以及云基础设施组成数字孪生数字孪生场景编辑器

数字孪生，有时候用来指代一个工厂的厂房及产线，在没有建造之前，就完成数字化模型。从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设。北京航空航天大学基于数字孪生提出数字孪生车间的概念。同济大学提出数字孪生是整合企业的制造流程，实现产品从设计到维护全过程的数字化，通过信息集成实现生产过程可视化，形成从分析到控制再到分析的闭合回路，优化整个生产系统。

数字孪生（DigitalTwins）又称为信息镜像模型、数字镜像、数字化映射，实现了现实物理系统向赛博空间（Cyberspace，计算机以及计算机网络里的虚拟现实）数字化模型的反馈。数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。研究最热的是智能制造领域。小知识认识智能工厂4.14.1.3智能工厂安全体系

智能工厂的安全体系包含五个部分：设备安全、控制安全、网络安全、应用安全、数据安全。每一部分都需要参照《信息安全等级保护》GB/T22239的要求具备对应的安全能力。设备安全控制安全网络安全智能传感器工业机器人智能仪表智能产品......SCADADCF/FCSPLCHMI......工厂外网安全工厂内网安全控制安全数据安全软件安全平台安全生产管理数据安全生产操作数据安全工厂外部数据安全应用安全小组计划行动1智能冶炼工厂网络规划准备【任务实施】1.理解智能冶炼工厂网络规划任务

为顺利完成任务，小组合作，开始在网上或教材资源中研究智慧工厂网络规划设计的相关知识。你可能会对一些问题很好奇，比如无人驾驶的铁水运输机车如何实现无人驾驶的、它们的数据是如何传递到控制平台的大屏显示，控制中心如何实时查看工厂车间现场和厂区的实时监控。一定要写下自己的问题，然后对答案进行总结，并注明来源。认识计算机网络4.24.2.1计算机网络的概念

计算机网络就是计算机之间通过通信工具进行信息共享和能力共享的网络载体。人们通常把计算机网络称为信息高速公路。计算机网络的功能包括网络通信、资源管理、网络服务、网络管理和交互式操作的能力。计算机网络分类：按照计算机网络信息传输介质的不同，可将计算机网络分为有线计算机网络、无线计算网络和混合计算机网络（既使用有线传输介质又使用无线传输介质）。

请阅读教材并思考，说一说：（1）计算机网络网速和带宽的关系（2）通常网速不能达到理论带宽的原因认识计算机网络4.24.2.2计算机网络的组成与结构

计算机网络由网络硬件系统和网络软件系统组成。（1）硬件系统组成：计算机间的通信系统是数据通信系统，结构模型如下图所示，分为四部分。（2）软件系统组成：分为底层和上层两个层次，底层软件包括网卡驱动程序和子网协议。底层软件提供了允许网络使用的基础和功能，使用户能够使用网络，而真正完成网络服务功能的是上层的应用协议软件。互联网络中应用广泛的应用层协议有虚拟终端访问协议Telnet、文件传输协议FTP、简单邮件传输协议SMTP、简单网络管理协议SNMP等。数据通信系统结构模型认识计算机网络4.24.2.2计算机网络的组成与结构（1）通信子网：由实现网络通信功能的设备及相应软件构成。通信子网的硬件设备包括网卡、网线、中继器、路由器、交换机及广域网中使用的专用通信处理机等，软件主要是底层软件。（2）资源子网：由实现资源共享的设备及相应软件构成。软件主要是上层软件。通信子网和资源子网计算机网络的硬、软各部件主要完成两种功能，即网络通信和资源共享。从逻辑上看，一个计算机网络可分为通信和资源子网。认识计算机网络4.24.2.2计算机网络的组成与结构（1）物理拓扑结构是网络中信号实际的传输路径。主要有五种，分别为总线型拓扑结构、环型拓扑结构、星型拓扑结构、星状总线型拓扑结构和网状型拓扑结构，实际应用中可能是五种的结合。

计算机网络的拓扑结构是指网络的连接方式，它包括物理拓扑结构和逻辑拓扑结构。①总线型拓扑结构②环型拓扑结构③星型拓扑结构④星状总线型拓扑结构⑤网状型拓扑结构认识计算机网络4.24.2.2计算机网络的组成与结构（2）逻辑拓扑结构网络中信号并不是完全按照物理介质路径传输的，而是按照逻辑拓扑结构。逻辑拓扑结构使用“争用”和“令牌传递”等特定的规则来控制何时允许网络中的设备传送数据。

请阅读教材并思考，说一说：（1）计算机网络物理拓扑结构与逻辑拓扑结构的区别（2）老王试车的物理路线与逻辑路线老王试车的路线老王试车的路线的抽象认识计算机网络4.24.2.3计算机网络的互联1.网络互联的起源与发展互联网始于1969年美国的阿帕网，通常internet泛指互联网，而Internet则特指因特网，因特网是互联网的一种，因特网使用TCP/IP协议让不同的设备彼此通信。下一代互联网技术（IPV6）的发展，打破了IPV4时代只能设立13个根服务器的限制，全球部署25个IPv6根服务器，中国部署了其中的4台。

请阅读教材并思考，举例说一说：（1）我国互联网的快速发展（2）互联网快速发展对我国工业制造带来的影响认识计算机网络4.24.2.3计算机网络的互联2.网络互联的参考模型：国际标准化组织（ISO，InternationalStandardsOrganization）推出的国际标准化组织开放式系统互连参考模型（ISO/OSIRM）。按照ISO/OSI参考模型，网络中每个节点都有相同的层次结构，不同节点的同等层具有相同的功能，同一节点内相邻层之间可以进行通信；每一层只可以使用下层提供的服务，并只向其上层提供服务。

ISO/OSI模型认识计算机网络4.24.2.3计算机网络的互联3.网络互联的结构公用电信网络可以简单地划分为骨干网和接入网。骨干网又可以叫核心网，它是由国家批准的，可以直接和国外连接的城市级高速互联网。骨干网一般采用光纤，传输速度快。我国现在共拥有九大骨干网。接入网指的是骨干网到用户终端设备之间的所有设备，长度一般为几百米到几公里，是整个网络的瓶颈。核心网和接入网核心网和接入网关系类比计算机网络的接入技术解决的就是如何将用户可靠的接入核心网的问题，换句话说就是接入网的实现方式。认识新一代移动通信技术4.34.3.15G通信技术1.5G的内涵特征简称第五代通信技术，又称IMT-2020，面向2020年大规模商用的新一代移动通信系统。国际电信联盟（ITU）对5G的设定，主要应用在增强移动带宽业务（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、超高可靠与低时延通信（uRLLC）三大场景。主要应用范围：增强型移动带宽、工业控制与通信、大规模物联网、增强型车联网等。实现高速度、低时延、广覆盖、移动性，在流量密度、能效、数量等方面发挥其优势。认识新一代移动通信技术4.34.3.15G通信技术2.5G的发展现状5G技术对工业互联网赋能作用显著，其主要体现在两个方面。5G低延时、高通量特点保证海量工业数据的实时回传。5G的网络切片技术能够有效满足不同工业场景连接需求。基于5G蜂窝技术的工业传输解决方案提供了工业领域的无线通信技术，适用于制造业的以下场景，如下表所示。认识新一代移动通信技术4.34.3.2LPWAN技术1.LPWAN概述LPWAN技术正是为满足物联网需求应运而生的远距离无线通信技术。LPWAN是专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的。LPWAN可分为两类：工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如LTE-M、EC-GSM、NB-IoT等。认识新一代移动通信技术4.34.3.2LPWAN技术2.典型的LPWAN技术（1）LoRaLoRa是目前应用最为广泛的LPWAN网络技术之一，它由SemTech公司推出。LoRa无线技术的主要特点有：通信距离长（约1~20km）、节点数众多（万级，甚至百万级）、电池寿命长（3~10年）、数据速率适中（0.3~50kbps）。我国LoRa率先在园区、建筑楼宇、住宅小区等场景组网应用，主要应用于监测类、抄表类物联网业务。认识新一代移动通信技术4.34.3.2LPWAN技术2.典型的LPWAN技术（2）NB-IoTNB-IoT（NarrowBandInternetofThings）是基于蜂窝网络的窄带物联网技术之一，它在蜂窝网络的基础上进行构建。NB-IoT具有以下几个优点：①支持深度覆盖②支持海量连接③超低功耗④低成本⑤稳定可靠认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络1.无线传感器网络概述无线传感器网络是由大量的静止或者移动的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，能够协作实现网络覆盖范围内的被感知对象的感知、采集、传输、处理。传感器节点是无线传感网络里面基本的组成部分。无线传感器网络中的节点最主要包括的是数据采集模块、数据处理模块、控制模块、无线通信模块以及供电模块等，因此无线传感网络中的节点集传感与驱动控制、计算存储及通信于一体。认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络无线传感器网络自身具备的诸多优点，使得其能在军事应用、工农业生产、环境监测、安全监控、智能交通建设、家居生活等多元化的应用领域中能够有效完成信息采集和传输的作用。无线传感器网络的特点①传感器节点数量多、体积小、分布广②无线传感器网络具有自组织能力③无线传感器网络具备适应复杂环境的能力④无线传感器网络部署容易并且成本低⑤无线传感器网络信息传输具备高可靠性⑥无线传感器网络是以数据为中心的网络认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络2.Wi-Fi技术Wi-Fi实际上是制定IEEE802.11无线网络的组织，并非无线网络技术，人们逐渐习惯用Wi-Fi来称呼IEEE802.11协议。Wi-Fi网络由终端站、接入点、接入控制器、服务器以及网元管理单元组成，事实上就是一个无线局域网。根据IEEE802.11演进，Wi-Fi的工作频段在ISM频段：2.4GHz和5GHz，及在Wi-Fi6拓展到6GHz。Wi-Fi技术特点：①更高的用户带宽和更多的用户并发②功耗较低，健康安全③覆盖范围广④无需布线⑤低成本认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络2.Wi-Fi技术Wi-Fi技术的典型应用Wi-Fi能够无处不在，其高性能和设备的经济实惠性发挥了重要作用。Wi-Fi6将满足更加广泛的下一代物联网连接场景的需求。主要应用场景及带宽要求见右表。讨论随着万物互联万物上云时代的到来，人们对“高带宽、低时延、泛联接”的移动网络要求越来越高。Wi-Fi6与5G凭借各自的技术优势，成为新时代的关键联接技术。查阅相关资料，讨论并举例说一说，Wi-Fi会被5G替代吗？Wi-Fi与5G的各自应用领域。Wi-Fi会被5G替代吗？认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络3.蓝牙技术（1）蓝牙技术的发展蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）在2021年7月正式发布了最新的蓝牙核心规范5.3版本，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，最大传输速率48Mbit/s，传输距离可达300米。认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络3.蓝牙技术（2）蓝牙技术的特点蓝牙技术提供低成本、近距离无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的“个域网”（PersonalAreaNetwork），使得近距离内各种设备实现无缝资源资源共享。蓝牙技术具备以下的六大技术特性：①低成本；②低功耗；③语音数据同传；④抗干扰能力强；⑤蓝牙模块体积小，易集成；⑥传输安全可靠，采用调频技术和加密与认证技术，数据传输具有高安全性。（3）蓝牙技术的典型应用说一说，你知道的蓝牙技术应用？认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络4.ZigBee技术（1）ZigBee技术的发展ZigBee是一种成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术。ZigBee由于形态像蜂窝，在国内被译为“紫蜂”。它是一种与蓝牙相类似的新兴的短距离无线技术，该技术主要针对低速率无线传感器网络而提出，它能够满足小型化、低成本设备（如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等）的无线联网要求。认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络4.ZigBee技术（2）ZigBee技术的特点ZigBee技术提供一种廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线传输技术，无线传感器网络的重要支撑技术。特点：①数据传输速率低②功耗低③数据传输可靠④网络容量大⑤自动动态组网、自主路由⑥兼容性⑦安全性⑧实现成本低认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络4.ZigBee技术（3）ZigBee技术的典型应用①带负载管理功能的自动抄表系统；②智能交通、油气生产遥测遥控通信系统；③监控照明、HVAC和写字楼安全；④农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信；工业制造、过程控制遥测遥控；⑤对病患、设备及设施进行医疗和健康监控；⑥家庭监控、安防报警系统运用；⑦军事应用，包括战场监视和机器人控制；⑧汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。认识新一代移动通信技术4.34.3.3无线传感器网络5.典型短距离无线传输技术对比请查阅教材等资料，对比蓝牙、ZigBee和Wi-Fi三种短距离无线通信技术的优缺点和主要应用领域。小组计划行动2智能冶炼工厂网络技术选型为顺利完成“智能冶炼工厂网络技术选型”任务，请各小组讨论完成系统技术选型清单：

智能冶炼工厂网络技术选型清单序号业务需求需采用的技术技术名称技术特点技术类别【任务实施】1.智能冶炼工厂网络技术选型编制《智能冶炼工厂的网络技术选型清单》，对比工厂办公、生产现场与厂区等联网场景，对比不同联网需求，推荐使用的网络技术。小结课后任务项目四智能冶炼工厂的网络规划

4.4探秘工业互联网4.5探究物联网工程网络总体规划（1）观看微课等资源；（2）参与相关讨论话题；（3）完成小节测验。在线课程上，预习下节课内容：

期待下次见面在线预习点评测验完成情况参与讨论话题情况认识工业互联网4.44.4.1工业互联网概述1.工业互联网发展现状第一阶段

网络的发明及机器与机器的互联20世纪60-80年代1968年PLC诞生1983年

以太网标准化1986年PLC连接到PC1989年

万维网发明01第二阶段工业网络协议及操作系统发布，物联网提出及工业设备逐渐联网20世纪90年代021992年

引入工业以太网和TCP/IP连接1995年MSWindows成为工业主流操作系统

1997年

无线M2M技术在工业普遍发展1999年

物联网概念提出第三阶段云计算及通信独立架构协议形成，工业互联网支撑体系逐步形成2000-2010032002年云计算初步形成2006年OPC独立架构协议发布第四阶段工业互联网雏形形成和发展2010-2020042010年传感器价格普遍下降2016年工业互联网雏形形成2019年

工业和信息化部国家标准化管理委员会印发《工业互联网综合标准化体系建设指南》2020至今052020年全球5G商用2022年工业互联网形成工业安全、工业软件、云计算等多个体系2022年我国工业互联网标识解析体系“5+2”国家顶级节点全面建成工业互联网标识工业互联网标识解析体系——国家顶级节点全面建成发布仪式现场

我国工业互联网标识解析体系采用“根节点、国家顶级节点、二级节点、企业节点、递归节点”的分层分级架构，兼容国际主流标识体系。中国工业互联网标识解析体系实践是全球工业互联网重要的产业实践。“5+2”国家顶级节点全面建成，实现了从0到1的突破。一方面，加快构建工业互联网标识解析体系能够为产业发展注入动力，促进工业互联网产业蓬勃发展。另一方面，为摆脱对国外同类标准的依赖，必须尽快建立属于中国自己的工业互联网标识解析体系。

工业互联网标识是识别和管理机器、产品等物理对象和算法、工艺等数字对象的唯一“身份证”。其作用类似于互联网领域的域名解析系统（DNS）。域名系统将域名翻译为IP地址以建立通信连接，标识解析体系承载了更加丰富的内容，标识对象在全生命周期内的所有信息都可以通过标识获得，这为数据驱动下的数字化转型提供了智能化感知能力。小知识认识工业互联网4.44.4.1工业互联网概述2.总体架构工业互联网实施框架总体视图工业互联网当前阶段的实施以传统制造体系的层级划分为基础，适度考虑未来基于产业的协同组织，按“设备、边缘、企业、产业”四个层级开展系统建设，指导企业整体部署。认识工业互联网4.44.4.2工业互联网的网络框架1.网络实施框架工业互联网网络实施框架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。按照网络覆盖范围，从实施架构来看，分别有生产控制网络，建设在设备层和边缘层；企业与园区网络建设在企业层，国家骨干网络在产业层，全网构建新型互操作体系。认识工业互联网4.44.4.2工业互联网的网络框架2.生产控制网络生产控制网络又称为工业生产网络，主要连接工厂内各生产要素，包括：人员、机器、环境等。实施核心目标是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。生产控制网络所连接的资源设备多样化，边缘网络呈现为类型多样化。按承载网络业务不同，分为现场控制网络、数据采集网、能环网、制造IT网、OA网络。典型工业互联网工厂内网架构边缘网关边缘网关参考架构

边缘协议网关通常具备数据转换能力和设备端的数据采集断线缓存能力。在设备不方便连接有线网时，设备数据可以通过边缘网关进行接口转换、数据格式解析，然后通过5G、Wi-Fi或者有线网络上传数据。网关在将非IP网络转换为基于IP的协议中扮演着重要角色。工业边缘智能网关通常具有快速接入高速互联网、安全可靠的数据传输、支持边缘计算等特点。

边缘网关，又称边缘协议网关，部署在网络边缘侧的网关，通过网络联接、协议转换等功能联接物理和数字世界，提供轻量化的联接管理、实时数据分析及应用管理功能。主要是针对设备采集的数据需要经过转换后才能被服务器接受的场景。小知识认识工业互联网4.44.4.2工业互联网的网络框架3.企业与园区网络企业与园区网络实施核心目标在企业层建设高可靠、全覆盖、大带宽的企业与园区网络。在部署方式上，主要是通过工业企业自主建设与第三方网络服务提供商建设结合的模式。4.国家骨干网络国家骨干网络实施核心目标在产业层建设低时延、高可靠、大带宽的全国性骨干网络。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。认识工业互联网4.44.4.3工业控制网络常用协议目前工业控制领域常用的通信协议分为：1.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进行数据通信的支持。主要有PROFIBUS、Modbus、HART、CANopen、LonWorks等。2.工业以太网技术以太网按IEEE802.3标准，采用带冲突监测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）对共享媒体进行访问的一种局域网。主流包括Ethernet/IP、PROFINET、ModbusTCP、Powerlink、EtherCAT等。3.工业无线网络技术适用于工厂内移动的设备间通信，或线缆连接实现困难或无法实现的场合。主要包含：5G、LoRa、NB-IoT、Wi-Fi6、Bluetooth、ZigBee、RFID等。4.时间敏感网络（TSN，TimeSensitiveNetwork）技术基于IEEE802.1协议实现，遵循标准的以太网协议体系。符合标准的以太网架构，具有精准的流量调度能力，可以保证多种业务流量的共网高质量传输，兼具技术及成本优势，认识工业互联网4.44.4.4工业PON技术无源光纤网络技术（PON，PassiveOpticalNetwork）是指不含有任何电子器件及电子电源的光纤网络。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端，以及一批配套的安装于用户场所的光网络单元。光接入网拓扑结构示意图认识工业互联网4.44.4.4工业PON技术工业PON技术，通过光网络单元（ONU，OpticalNetworkUnit）设备实现现场级设备与上层网络的连接，实现数据采集、生产指令下达、传感数据采集、厂区视频监控等关键功能；通过光分配网络（ODN，OpticalDistributionNetwork）的汇聚以及光路终端设备（OLT，OpticalLineTerminal），实现与企业生产网络和办公网络的融合连接，从而实现生产线数据到工厂/企业IT系统的可靠有效传输。工业PON设备在工厂内网络中的位置物联网工程的网络总体规划方法4.54.5.1网络系统规划的原则与设计流程网络系统设计的基本原则是实用性、开放性、可靠性、安全性、先进性和可扩展性。网络的部署与规划，需要匹配物联网相关业务系统的部署与规划，需遵循以下原则：①网络作为基础设施，需要与业务系统统一规划，同时需要考虑未来的演进。②网络部署需要整体规划，避免传统的网络物理隔离及碎片化。③工业网络中工厂内、外网络需要统一协调，技术可以解耦，分开演进。物联网工程的网络总体规划方法4.54.5.2网络结构设计与选型1.网络结构与拓扑结构设计大型和中型网络系统建议采用分层设计思想，能有效解决网络系统规模、结构和技术复杂性。请结合计算机网络的知识，思考并说一说：（1）接入层、汇聚层、核心层分别主要功能和网络设备？（2）在智能冶炼工厂中是否适用三层的网络结构，并说明理由？网络系统分层结构示例物联网工程的网络总体规划方法4.54.5.2网络结构设计与选型2.核心层网络结构设计核心层网络是整个网络系统的主干部分，应用是网络系统设计与建设的重点。核心层网络通常承担整个网络流量的40%~60%，应用于核心层网络的核心设备是高性能的交换路由器，连接核心路由器的是具有冗余链路（提供一条备用路径）的光纤。(a)直接接入核心路由器

(b)通过专用交换机接入核心路由器物联网工程的网络总体规划方法4.54.5.2网络结构设计与选型3.汇聚层与接入层网络结构设计汇聚层网络将分布在不同位置的子网络连接到核心网络，实现路由汇