工业网络技术与应用 教学大纲

《工业控制系统与工业网络》课程教学大纲课程编号：课程类型：专业基础课程课程名称：工业网络技术与应用学时学分：68学时，4学分（其中：理论36学时，实践32学时）适用专业：自主学习：16学时开课单位：开课学期：一、课程定位《工业网络技术与应用》是信息安全专业的学科专业基础课程，其目的是培养现代制造业中从事工业信息安全技术人员的核心职业能力，通过对本课程的学习，培养学生理解工业网络中数据交换的基本原理，掌握工业网络中工业交换机配置与管理、工业路由器配置与管理、VLAN虚拟专用网技术、工业网络冗余技术、工业网络路由技术、NAT地址转换技术。本课程以工业网络设备为核心，融合S7-1200系列PLC、HMI等工业设备，通过工业以太网络连接，并结合PLC编程技术实现工业设备间的通信，实现实际工程项目的联网控制，为后面的工业信息安全课程、毕业设计和顶岗实践打下专业基础，同时在团队合作、小组讨论、虚拟实践等学习方法运用的过程中，培养学生的社会能力和方法能力。本课程属于理实一体化课程，课程在第3学期开设，是该专业的专业基础课程，学习本课程前应学习过《电气控制技术》、《计算机网络与协议基础》、《可编程控制器应用》，通过本课程学习，可以为该专业学生进行专业顶岗实习打下良好的基础，为学生将来就业和职业生涯发展提供知识和技能储备。二、课程目标《工业网络技术与应用》课程主要培养学生具工业网络设备管理与配置能力、工业控制设备通讯程序编写能力、工业网络设计、搭建、调试、维护工作中的基本职业能力，学生们通过本课程学习后，应具有的以下职业能力：1. 知识目标（1）了解计算机网络和工业网络的基础知识；（2）理解工业网络的发展历程、分类和网络体系结构；（3）了解工业网络中的常见设备；（4）掌握工业管理型二层交换机和三层的基本用法；（5）熟练掌握VLAN虚拟专用网技术基本原理及在交换机中的应用；（6）熟练掌握路由技术基本原理及在交换机中的应用；（7）熟练掌握冗余技术基本原理及在交换机中的应用；（8）熟练掌握NAT地址转换技术基本原理及在交换机中的应用2. 能力目标（1）具备需求分析的能力；（2）具备根据需求进行工业网络整体设计的能力；（3）具备工业网络实施能力；（4）具备根据工业网络通讯需求，对控制系统硬件组态、梯形图编程的能力；（5）具备采用相关工具进行工业网络调试的能力；（6）具备故障诊断分析的能力。3. 思政目标（1）培养文明操作、规范操作的意识和素质；（2）培养耐心、细致和认真的工作精神；（3）培养独立思考、遇见问题不退缩的素质；（4）培养团队协作、团队精神；（5）培养较强的工程实践意识、质量意识、市场和价值效益意识、节约资源和保护环境意识；（6）培养遵纪守法、爱岗敬业、诚实守信的品格。三、教学内容与要求序号教学内容教学要求建议学时重点难点教学方法和手段1第1章绪论1、了解现场总线及工业控制系统的产生、现状和发展情况2、理解现代工业网络的层次结构3、了解工业以太网络的发展4、理解主流工业以太网技术5、掌握PROFINET工业以太网协议结构4重点：1、理解工业控制系统的发展与现场总线、工业网络之间的关系难点：1、掌握PROFINET工业以太网协议结构教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2第2章工业网络设备基础1、了解各种工业网络设备及终端设备包括：可编程控制器、HMI人机界面、工业交换机、工业路由器、工业防火墙2、掌握网络地址原理及配置方法3、熟练掌握工业以太网电缆接口制作4、熟练掌握西门子S7-1200PLC、西门子触摸屏TP700、西门子SCALANCEXB208交换机IP地址配置方法5、熟练掌握S7-1200PLC与交换机复位方法8重点：1、掌握工业网络IP地址、MAC地址、子网掩码、基本概念及子网划分方法难点：1、掌握子网划分及IP地址规划2、熟练掌握工业设备地址配置和还原方法教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践3第3章VLAN虚拟专用网技术1、理解VLAN虚拟专用网原理2、掌握VLAN协议格式3、熟练掌握单交换机VLAN配置4、熟练掌握跨交换机VLAN配置5、熟练掌握西门子私有VLAN技术8重点：1、理解VLAN虚拟专用网原理难点：1、利用原理配置各种VLAN网络教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践4第4章网络冗余技术1、理解STP生成树与RSTP快速生成树基本原理2、熟练掌握生成树配置方法4重点：1、STP生成树与RSTP快速生成树基本原理难点：1、根据原理配置网络快速生成树。教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践5第4章网络冗余技术1、理解HRP环网冗余协议2、理解MRP环网冗余协议3、熟练掌握HRP单环网络配置4、熟练掌握MRP单环网络配置4重点：1、HRP环网冗余协议2、MRP环网冗余协议难点：1、HRP网络配置2、MRP网络配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践6第4章网络冗余技术1、理解备用环网间冗余协议；2、熟练掌握双环网间备用配置4重点：1、备用环网间冗余协议难点：1双环网间备用配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践7第4章网络冗余技术1、理解RSTP+协议2、掌握PRP和HSR平行冗余协议3、熟练掌握平行冗余配置4重点：1、PRP和HSR平行冗余协议难点：2、平行冗余配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践8第5章路由技术1、掌握路由、网关、路由表等基本概念；2、掌握静态路由基本概念；3、熟练掌握子网配置及VLAN间路本地路由配置4重点：1、子网配置及VLAN间路本地由配置；2、静态路由基本概念；难点：1、VLAN间路本地由配置方法。教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践9第5章路由技术1、掌握动态路由原理；2、熟练掌握OSPF动态路由配置4重点：1、动态路由原理；难点：1、OSPF动态路由配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践10第5章路由技术1、掌握VRRP虚拟路由原理；2、熟练掌握VRRP虚拟路由配置；4重点：1、VRRP虚拟路由原理难点：1、VRRP虚拟路由配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践11第6章NAT网络地址转换1、掌握静态地址转换基本原理2、熟练掌握NAT静态地址转换配置4重点：1、静态地址转换基本原理难点：1、NAT静态地址转换配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践12第6章NAT网络地址转换1、掌握动态地址转换基本原理2、熟练掌握NAT动态地址转换配置4重点：1、动态地址转换基本原理难点：1、NAT动态地址转换配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践13第6章NAT网络地址转换1、掌握NAPT基本原理2、熟练掌握NAPT端口映射配置4重点：1、NAPT基本原理难点：1、NAPT端口映射配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践14第7章工业无线网络技术1、了解工业无线网络技术的基本概念和主要设备2、掌握西门子工业无线访问接入点和无线客户端的基本配置重点：1、工业无线网络设备2、工业无线AP和无线客户端的基本配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践15第8章工业网络安全技术1、理解访问控制列表基本原理2、熟练掌握访问控制列表配置4重点：1访问控制列表基本原理难点：1、访问控制列表配置教学方法：1.启发式教学2.情境教学法教学手段：1.讲解2.教师演示3.学生实践合计681.备课准备提前了解所授课班级学生学习的基本情况，提前了解实验课程所使用设备及实验内容。2.课后答疑第一次上课与学生预定答疑时间、地点等，与全体学生或学生干部、课代表建立通畅的信息沟通渠道，及时了解学生学习中遇到的问题和困难并给予指导。并在答疑的过程中收集学生对本次课的反馈信息，作为后续授课方法、思路调整的依据。3.作业布置作业组成由教材每章课后习题+自设题目。四、实践教学该课程的实践教学类型为实验，每人一组，实验室仪器设备使用说明及安全注意事项见《实验指导书》。实验1：工业网络设备基本配置（建议4学时）1、类别：实验2、内容；（1）掌握工业以太网电缆接口制作的能力；（2）掌握西门子S7-1200PLC、西门子触摸屏TP700、XB208交换机的IP地址配置的能力；（3）掌握S7-1200PLC与交换机复位的能力；3、步骤：（1）制作工业以太网线（2）系统接线（3）地址设置（4）网络测试（5）整理实验工具4.分组：4人一组.依照学号顺序5.仪器设备要求：安装有博途15以上版本软件的PC机1台；工业网络实验设备一套；工业以太网线及接头若干；总线制作工具一套。项目二：西门子交换机VLAN配置（建议8学时）1、类别：实验2、内容；（1）理解VLAN虚拟专用网原理（2）熟练掌握单交换机VLAN配置（3）熟练掌握跨交换机VLAN配置（4）熟练掌握西门子私有VLAN技术3、步骤：（1）绘制网络拓扑（2）根据拓扑进行连线（3）进行交换机配置（4）网络测试（5）网络分析及排除4.分组：4人一组.依照学号顺序5.仪器设备要求：安装有博途15以上版本PC机4台；工业网络实训设备一套；工业网络线缆若干。项目三：西门子交换机冗余配置（建议8学时）1、类别：实验2、内容；（1）熟练掌握生成树配置方法的能力；（2）熟练掌握HRP单环网络配置的能力；（3）熟练掌握MRP单环网络配置的能力；（4）熟练掌握双环网间备用配置的能力；（5）熟练掌握平行冗余配置的能力3、步骤：（1）绘制网络拓扑（2）根据拓扑进行连线（3）进行交换机配置（4）网络测试（5）网络分析及排除4.分组：4人一组.依照学号顺序5.仪器设备要求：安装有博途15以上版本PC机4台；工业网络实训设备一套；工业网络线缆若干。项目四：西门子交换机路由配置（建议8学时）1、类别：实验2、内容；（1）掌握子网配置及VLAN间路本地路由配置的能力；（2）掌握OSPF动态路由配置的能力；（3）掌握VRRP虚拟路由配置的能力；3、步骤：（1）绘制网络拓扑（2）根据拓扑进行连线（3）进行交换机配置（4）网络测试（5）网络分析及排除4.分组：4人一组.依照学号顺序5.仪器设备要求：安装有博途15以上版本PC机4台；工业网络实训设备一套；工业网络线缆若干。项目五：西门子交换机NAT配置（建议4学时）1、类别：实验2、内容；（1）熟练掌握NAT静态地址转换配置的能力；（2）熟练掌握NAT动态地址转换配置的能力；（2）熟练掌握NAPT端口映射配置的能力；3、步骤：（1）绘制网络拓扑（2）根据拓扑进行连线（3）进行交换机配置（4）网络测试（5）网络分析及排除4.分组：4人一组.依照学号顺序5.仪器设备要求：安装有博途15以上版本PC机4台；工业网络实训设备一套；工业网络线缆若干。五、考核及成绩评定方式1.考核方式：考试2.成绩评定办法（1）成绩评定构成：考勤×5%﹢自主学习×5%﹢实验成绩×30%﹢期末成绩×60%＝总成绩（2）成绩评定细则：考勤成绩：①学生应该按时上课，不迟到不早退，有事请假（公假学院出具证明）。②每学期任课教师按照院历上规定的统计考勤时间开始记录学生出勤情况。③学生缺课课（因病、因事、旷课）三分之一以上（含三分之一）不允许参加期末考试，总评成绩为零分。④学生迟到、早退达10分钟以上（含15分钟），按旷课计算，迟到、早退在15分钟以内，三次计旷课一节。实验成绩：5个实验项目，每个实验项目提交一份实验报告，实验报告中包含报告成绩和操作成绩；评分依据：[(实验报告1+实验报告2+实验报告3+实验报告4+实验报告5)/5]×30%；评分标准：每份实验报告以1-100分评判自主学习：评分依据：自主学习报告1份×5%，报告以1-100分评判。期末考试成绩：根据卷面成绩给出六、与其他课程的联系1.先修课程及联系先修课程主要有：《电气控制技术》、《计算机网络与协议基础》、《可编程控制器应用》。2.后续课程及联系后续课程主要有：《工控网络安全配置》、《工业网络协议分析》、《工控系统漏洞分析与防范》。七、教材及参考资料1.推荐教材：李颖.冯俊梅.廖旭金《工业网络技术与实践》西安电子科技大学出版社.2024；2.参考资料：[1]范其明.《工业网络与现场总线》.西安电子科技大学出版社.2020；[2]张帆.《工业控制网络技术》.机械工业出版社.2018；[3]王德吉.《西门子工业网络通信技术详解》.机械工业出版社.2012。[4]律德财.《工业网络技术与应用》.大连理工大学出版社.2022。执笔人：日期：系（教研室）审核：日期：2023.7教学单位审核：日期：

附件1：《工业控制系统与工业网络》课程自主学习安排一、学习