工业网络通讯PPT课件
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现场总线助力工业ppt课件
第四次 工业革命
解放“师” 机器替代部分 可创造性劳动
复杂程度
1784 年，出现了第一 台机械织布机
1969 年，美国 Modicon 公司
传送带方式于 1870 年开始在辛
推出 084 PLC
辛那提屠宰场使用
1800
1900
2000 今天
从工业 1.0 到工业 4.0 工业发展史的解放人的工作程度
推出 084 PLC
辛那提屠宰场使用
1800
1900
2000 今天
从工业 1.0 到工业 4.0
时间轴 8
2.2 工业发展史
第一次 工业革命
机械化
第二次 工业革命
机械化电气化
第三次 工业革命
电气化自动化
第四次 工业革命
复杂程度
自动化智能化
1784 年，出现了第一 台机械织布机
1800
从工业 1.0 到工业 4.0
14
2.3.2 工业4.0架构—四大主题
智能工厂：
有四大关键点：
一是要连接所有网络以拿到数据。
二是要有智能机器。
三是大数据，将所有设备、所有人连接后，所有数据都大批量传 送到 智能终端上。
四是分析，得到数据后从中抓取出应用趋势来，提高设备状态的 检测和预测水平。
15
三.现场总线助力工业4.0之智能工厂
5
二、工业4.0概述
2.1 什么是工业4.0？ 2.2 工业发展史 2.3 工业4.0架构
6
2.1 什么是工业4.0
工业4.0是德国政府推行的“新一轮智能 工厂计划”，是以智能制造为主题的第 四次工业革命。
7
2.2 工业发展史
第一次 工业革命
工业通信网络PPT课件
（4）服务器和客户端：服务器提供智能设备的相关数据，客户端则作为 数据使用方从服务器请求服务。即服务器总是等待客户端发出数据访问。
（5）编程通信和数据通信
编程通信：使用编程软件，通过各种网络，最终多S7-200的CPU进行各 种编程操作。
数据通信：S7-200PLC之间或与其他通信对象之间，进行数据通信的，
.
13
8.3 S7-200PLC通信网络概述
8.3.1西门子公司网络结构
.
14
8.3.2S7-200PLC支持的通信协议 1.通信协议及几个基本概念
1）通讯协议
协议类型
端口位置 接口类型 传输介质 通信速率bit/s
PPI
MPI PROFIBUSDP
S7协议 AS-i USS
EM241
CPU口 0/1
（5）带编程口的连接器提供方便的诊断和编程工具连
接接口。
.
21
8.3 S7-200PLC通信网络概述
8.3.3S7-200PLC通信接口及网络部件
3. 通信距离和中继器
1）网端通信最大长度
波特率 9.6k~187.5k
非隔离的PLC通信接口 中继器或EM277模块
50m
1000m
500k
不支持
400m
.
20
8.3 S7-200PLC通信网络概述
8.3.3S7-200PLC通信接口及网络部件
2. 网络连接器
•网络连接器的类型：
•网络连接器的优点：
（1）连接器中集成有终端电阻，可以方便地接入或去 除；
（2）可以快速方便地连接数据线和屏蔽线；
（3）提供独立的输入和输出电缆接口；
（4）当接入终端电阻时，输出电缆端自动隔离；
《工业互联网安全技术基础》课件—— 43-工控数据传输协议安全分析
OPC 基于 Windows 操作系统，很容易受到针对 windows 漏洞的攻击影响
一、工控数据传输协议安全分析
3.DNP3协议安全性分析
DNP3 的主要关注点集中在数据帧完好性方面， 而它并没有使用受权或加密机制。 由于 DNP3 功能代码与数据类型都已经明确定义，因此篡改 DNP3 会话变得相当 容易 不过，在 DNP3 协议中引入安全机制的同时带来复杂度的增加， 也为协议增加了出 现漏洞的可能。ICS-CERT 已报告了几个 DNP3 漏洞 一些常针对 DNP3 进展攻击的实例包括使用 MITM 攻击来窃取地址然后用于操纵 系统
实例：DNP3拒绝服务漏 洞(CVE-2016-2523)
一、工控数据传输协议安全分析
4. Ethernet/IP协议安全性分析
Ethernet/IP 是实时以太网协议，容易受以太网漏洞影响。由于 UDP 之上的 Ethernet/IP 是无法连接的，因此没有内在的网络层机制来保证可靠性、顺序性或 进展数据完好性检查。同时 CIP 明确的
4. Ethernet/IP协议安全性分析
Ethernet/IP 是实时以太网协议，容易受以太网漏洞影响。由于 UDP 之上的 Ethernet/IP 是无法连接的，因此没有内在的网络层机制来保证可靠性、顺序性或 进展数据完好性检查。同时 CIP 明确的对象模型也带来如下的特有安全问题
安全实例：2012年2月14日，Basecamp计划的安全研究者提出了一个针对 洛克威尔的ControlLogixPLC，EtherNet/IP通讯缺陷的Metasploit攻击。此安全 性漏洞若没处理，可以允许远端攻击者破坏设备或使设备在未预期的情形下重 新开机，而这些设备往往也是工业系统上的关键设备或元件。
一、工控数据传输协议安全分析
3.DNP3协议安全性分析
DNP3 的主要关注点集中在数据帧完好性方面， 而它并没有使用受权或加密机制。 由于 DNP3 功能代码与数据类型都已经明确定义，因此篡改 DNP3 会话变得相当 容易 不过，在 DNP3 协议中引入安全机制的同时带来复杂度的增加， 也为协议增加了出 现漏洞的可能。ICS-CERT 已报告了几个 DNP3 漏洞 一些常针对 DNP3 进展攻击的实例包括使用 MITM 攻击来窃取地址然后用于操纵 系统
实例：DNP3拒绝服务漏 洞(CVE-2016-2523)
一、工控数据传输协议安全分析
4. Ethernet/IP协议安全性分析
Ethernet/IP 是实时以太网协议，容易受以太网漏洞影响。由于 UDP 之上的 Ethernet/IP 是无法连接的，因此没有内在的网络层机制来保证可靠性、顺序性或 进展数据完好性检查。同时 CIP 明确的
4. Ethernet/IP协议安全性分析
Ethernet/IP 是实时以太网协议，容易受以太网漏洞影响。由于 UDP 之上的 Ethernet/IP 是无法连接的，因此没有内在的网络层机制来保证可靠性、顺序性或 进展数据完好性检查。同时 CIP 明确的对象模型也带来如下的特有安全问题
安全实例：2012年2月14日，Basecamp计划的安全研究者提出了一个针对 洛克威尔的ControlLogixPLC，EtherNet/IP通讯缺陷的Metasploit攻击。此安全 性漏洞若没处理，可以允许远端攻击者破坏设备或使设备在未预期的情形下重 新开机，而这些设备往往也是工业系统上的关键设备或元件。
工业网络通信及组态技术--S7-1200与S7-300之间的以太网通信
图4-29 添加连接
图4-30 建立 S7 连接
“S7_Connection_1”为建立的连接，选中连接，在属性的“General”条目中定义连接对方 S7-1200PN 口的IP地 址，如下图4-31所示；
图4-31 定义连接对方的 IP 地址
定义通讯双方的 TSAP 号，如图4-32所示；连接 ID 号，如图4-33所示。 注意：S7-1200预留给S7连接两个TSAP地址：03.01和03.00
图4-22 建立 S7 连接
图4-23 定义连接对方的 IP 地址
定义通讯双方的 TSAP 号，如图4-24所示；连接 ID 号，如图4-25所示；注意：S7-300 预留给 S7 连接 TSAP 地址：03.02；如果通信伙伴是 S7-400 ，则要根据 CPU 槽位来决定 TSAP 地址,例如: CPU400 在 3 号槽，则 TSAP 地址为 03.03。
任务描述
（2）当S7-300作为客户端，S7-1200作为服务器，需在客户端单边 组态连接和编程，而作为服务器端的S7-1200只需准备好通信的数据 以及V4.0版本以上CPU需要激活连接机制。所完成的通信任务： ① S7-300 CPU 读取 S7-1200 CPU中 DB1 的数据到 S7-300 的 DB3 中。 ② S7-300 CPU 将本地 DB4 中的数据写到 S7-1200 CPU中 DB2 中。
图4-24 定义通讯双方的 TSAP 号 配置完网络连接，如图4-26所示，编译保存并下载。
图4-25 连接 ID 号 图4-26 通讯连接状态
（3）软件编程
在OB1中，从“Instruction” >“Communication” >“S7 Communication”下，调用 Get、Put 通信指令，创建接收和 发送数据块 DB3 和 DB4，定义成 101个字节的数组，程序调用如下图4-27所示。
工业系统中常用通讯协议 PPT课件
逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 应用层标准：MODBUS Application Protocol MODBUS应用协议
MODBUS on TCP与OSI层次对应关系
MODBUS典型网络结构
冲突检测 IEEE754——浮点数表示标准
网络结构模型 MODBUS协议 串行接口 SI RS485可靠性
网络结 构模型
Network Model
7、应用层(Application Layer)
应用层确定进程之间通信的性质， 以满足用户的需要。不仅要提供应用进程 所需要的信息交换和远程操作，而且还要 作为应用进程的用户代理，为完成一些为 进行信息交换所必需的功能。应用层为操 作系统或网络应用程序提供访问网络服务 的接口。典型的协议:Telnet FTP HTTP SNMP
自控系统中常用通讯
MODBUS协议
2009年1月15日
名词
EIA—— Electronic Industries Association 美国电子工业协会 TIA——Telecommunications Industry Association 电信工业协会 OSI——Open System Interconnection 开放系统互联 MODBUS——MODICOM 公司定义的通讯协议 ADU——Application Data Unit 应用数据单元 PDU——Protocol Data Unit 协议数据单元 HDLC——High Data Link Control 高级数据链路控制 IP——Internet Protocol 互联网协议 TCP——Transport Control Protocol 传输控制协议 CSMA/CD——Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 载波监听多路访问/
MODBUS on TCP与OSI层次对应关系
MODBUS典型网络结构
冲突检测 IEEE754——浮点数表示标准
网络结构模型 MODBUS协议 串行接口 SI RS485可靠性
网络结 构模型
Network Model
7、应用层(Application Layer)
应用层确定进程之间通信的性质， 以满足用户的需要。不仅要提供应用进程 所需要的信息交换和远程操作，而且还要 作为应用进程的用户代理，为完成一些为 进行信息交换所必需的功能。应用层为操 作系统或网络应用程序提供访问网络服务 的接口。典型的协议:Telnet FTP HTTP SNMP
自控系统中常用通讯
MODBUS协议
2009年1月15日
名词
EIA—— Electronic Industries Association 美国电子工业协会 TIA——Telecommunications Industry Association 电信工业协会 OSI——Open System Interconnection 开放系统互联 MODBUS——MODICOM 公司定义的通讯协议 ADU——Application Data Unit 应用数据单元 PDU——Protocol Data Unit 协议数据单元 HDLC——High Data Link Control 高级数据链路控制 IP——Internet Protocol 互联网协议 TCP——Transport Control Protocol 传输控制协议 CSMA/CD——Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 载波监听多路访问/
《工业互联网安全技术基础》课件—— 21-工控网络结构
二、工业以太网设计
3.工业以太网交换机/集线器
ADAM-6510: 4-port 10Mbps Ethernet Hub ADAM-6520: 5-port 10/100Mbps Ethernet Switch ADAM-6521: 5-port 10/100Mbps Ethernet Switch with Fiber port EDG-6528: 8-Port Industrial 10/100 Mbps Ethernet Switch EDG-6528M: 6-Port Industrial 10/100 Mbps Ethernet Switch w/ Multi-mode Fiber EDG-6528S: 6-Port Industrial 10/100 Mbps Ethernet Switch w/ Single-mode Fiber
图1 实例1
一、常见工控网络结构
1.工业控制系统实例
图2 实例2
一、常见工控网络结构
1.工业控制系统实例
以现场总线和工 业以太网为代表 的工业控制网络 已成为企业综合 自动化体系的核 心技术和核心部 件。
图3 企业综合自动化系统网络架构图
一、常见工控网络结构
1.工业控制系统实例
上部
管理信息网
主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的网络体系，包括企业内部的 局域网和互联网，整个网络可采用统一的协议标准。
二、工业以太网设计
6. 8-port Ethernet Switch
EDG-6528: 8端口10/100M工业以太网交换机 • EDG-6528M: 带光纤8端口10/100M工业以太网交换机 （多模光纤接口） • EDG-6528S: 带光纤8端口10/100M工业以太网交换机 （单模光纤接口） • 提供网络风暴保护 • 支持MDI/MDI 自动交叉 • 支持全双工/半双工数据流控制
工业系统的网络化控制通信与通信概述
FDDI、快速以太网和ATM。超五类传输速率可 155Mb/s
PPT文档演模板
工业系统的网络化控制通信与通信概 述
同轴电缆
n 50Ώ的基带同轴电缆，75 Ώ的宽带同轴电缆
n 基带同轴电缆，一条基带同轴电缆只支持一个信道， 传输带宽1－20MHZ，能够以10Mb/s的速率把基带数 字信号传输1－1.2km。
PPT文档演模板
工业系统的网络化控制通信与通信概 述
几种常用的检错码
n 奇偶校验码； n 水平奇偶校验码； n 二维奇偶校验码 n 群计数码 n 恒比码
PPT文档演模板
工业系统的网络化控制通信与通信概 述
ITS中的通信技术
n 智能交通系统ITS-intelligent transport system n 最早在美国出现，60年代末 n 随后日本和欧盟跟随。 n 目前三大基地，美国、日本和欧盟 n 日本提出智能交通系统的名称
网络互连设备
PPT文档演模板
工业系统的网络化控制通信与通信概 述
差错检测与控制
n 纠错码方案,让每个传输的报文分组带上足够的冗 余信息,以便在接收端发现并自动纠正传输错误。 复杂、造价高、费时间，不易采用。
n 检错码方案,让报文分组仅包含足以使接收端发现 的冗余信息,但不能确定哪一位出错,而且自己本身 不能纠正传输差错。简单、易实现、编解码快， 广泛使用 n 奇偶校验码 n 循环冗余编码CRC
超高频 3-30G SHF
极高频 30G-300G EHF
紫外线， 红外线， 可见光
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10-5-
传输介质 有线，长波 有线，长波 同轴电缆，中波 同轴电缆，短波 同轴电缆，米波 波导，分米波 波导，厘米波
用途 音频，电话，导航，时标 导航，信标，电力通信 调幅广播，移动通信 手机通信，军用定点 电视，导航，车辆通信 电视，遥测，雷达 蓝牙技术，移动通信
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工业系统的网络化控制通信与通信概 述
同轴电缆
n 50Ώ的基带同轴电缆，75 Ώ的宽带同轴电缆
n 基带同轴电缆，一条基带同轴电缆只支持一个信道， 传输带宽1－20MHZ，能够以10Mb/s的速率把基带数 字信号传输1－1.2km。
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工业系统的网络化控制通信与通信概 述
几种常用的检错码
n 奇偶校验码； n 水平奇偶校验码； n 二维奇偶校验码 n 群计数码 n 恒比码
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工业系统的网络化控制通信与通信概 述
ITS中的通信技术
n 智能交通系统ITS-intelligent transport system n 最早在美国出现，60年代末 n 随后日本和欧盟跟随。 n 目前三大基地，美国、日本和欧盟 n 日本提出智能交通系统的名称
网络互连设备
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工业系统的网络化控制通信与通信概 述
差错检测与控制
n 纠错码方案,让每个传输的报文分组带上足够的冗 余信息,以便在接收端发现并自动纠正传输错误。 复杂、造价高、费时间，不易采用。
n 检错码方案,让报文分组仅包含足以使接收端发现 的冗余信息,但不能确定哪一位出错,而且自己本身 不能纠正传输差错。简单、易实现、编解码快， 广泛使用 n 奇偶校验码 n 循环冗余编码CRC
超高频 3-30G SHF
极高频 30G-300G EHF
紫外线， 红外线， 可见光
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10-5-
传输介质 有线，长波 有线，长波 同轴电缆，中波 同轴电缆，短波 同轴电缆，米波 波导，分米波 波导，厘米波
用途 音频，电话，导航，时标 导航，信标，电力通信 调幅广播，移动通信 手机通信，军用定点 电视，导航，车辆通信 电视，遥测，雷达 蓝牙技术，移动通信
相关主题
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最简单的单主系统配置
最简单的单一DP主站系统：PLC+PROFIBUS I/O
PLC主站
具有DP通讯 能力的仪表
I/O站 I/O站
DP网络系统结构-带监控主站系统
PC+组态软件 操作员站HMI 其他通信协议监控站的连接
DP网络系统结构-带监控主站系统
PC+组态软件
工程师站 配置组态软件
PLC主站
光缆结构
双工塑性光缆
标准塑性光缆
标准PCF光缆
光纤 光纤包层 光缆护套 抗应力纤维
PROFIBUS-DP网络的通讯方式
令牌环网和主从轮询
DP网络中存在很多通讯节点，这些 节点分为主节点和从节点。当网络 中的主从节点间进行数据的交换存 取时采用了两种通讯方式，即主站 间的令牌环网和主从站间的轮询通 讯。
光纤传输技术
光纤传输技术特性
网络拓扑结构 传输介质 网段长度（PtP）
节点数量 传输速率
线形（使用集成光纤接口的模块和OBT） 线形，星形，环形（使用OLM）
光缆（玻璃纤维，塑性光纤，PCF）
玻璃光纤最大15000米，与光缆和OLM类型有关 塑性光纤80米（OLM） 塑性光纤50米（OBT）
整个网络最多可连接127个网络节点 使用OLM的光纤环网可最多连接126个网络节点
9.6kbps，19.2kbps，45.45kbps（PA），187.5kbps， 500kbps，1.5Mbps，3Mbps，6Mbps，12Mbps
网络节点的接入方式
节点连入网络需要一定的连接方式，工业现场主要采用下面的几种
总线连接器接入 总线终端连接器接入 中继器接入（广义节点）
DP网络中的连接器按照传输速率可以分为 两类：
适用于1.5Mbps以下传输速率的网络连接器
适用于1.5Mbps～12Mbps传输速率的网络连接器
应用连接器时要注意结合网络速率选择！
DP网络和DP光纤网的接口
节点类型
接入网络类型
接口模块
RS-485接口的 DP光纤网 OBT
DP节点
例图
OLM
集成FO接口的 DP光纤网 直接接入
DP节点
例图
光纤网段的连接 和冗余环网
DP网络连接器
带螺丝端子的标准连接器
快速连接插头
制作快速连接电缆
1. 测量
2. 剥线
3. 分离
PROFIBUS-DP网络的传输介质
DP电缆 光缆
光缆
光缆的传输是点对点模式，如果需要网络处于全双工工作模式，每个节点都 需要两条光缆进行信号传输
PROFIBUS光纤网主要采用三种光缆，塑性光缆，PCF光缆，玻璃纤维光缆
DP光纤网
OLM
例图
没有FO接口的DP节点接入光纤网
1000米，传输速率 187.5kbps 400 米，传输速率 500kbps 200 米，传输速率 1.5Mbps 100 米，传输速率 3/6/12Mbps 最多9个 每个网段最多可连接32个网络节点 整个网络最多可连接127个网络节点（使用中继） 9.6kbps，19.2kbps，45.45kbps（PA），187.5kbps， 500kbps，1.5Mbps，3Mbps，6Mbps，12Mbps
PROFIBUS链路层：支持基于令牌的多主系统 PROFIBUS应用层：定义信息规范FMS
酸轧系统中仅用到了第一种
DБайду номын сангаас网络系统结构-多主系统
PROFIBUS链路层：支持基于令牌的多主系统
PLC主站1
PLC主站2
PLC主站3
逻
辑
令
牌
环
具有DP通讯 能力的仪表
I/O从站
I/O从站
DP网络系统结构-分层多主系统
DP网络系统结构-单主系统
一个DP网络的最小系统至少要由1 个DP（一类）主站和若干个DP从 站组成。
主站：对总线上的数据具有主动接收能力的控制器 从站：响应主站的数据请求，不能主动接收数据 一类主站：控制管理总线通讯，完成周期性数据访问 二类主站：完成非周期性数据读写，如系统配置、故障诊断等工作
I/O站
具有DP通讯 能力的仪表
I/O站
DP网络系统结构-带监控主站系统
操作员站HMI
PLC主站
操作员站/HMI I/O站
具有DP通讯 能力的仪表
I/O站
DP网络系统结构-带监控主站系统
其他通信协议监控站的连接
工业以太网
PLC主站
工程师站/操作员站
I/O站
具有DP通讯 能力的仪表
I/O站
DP网络系统结构-多主系统
PROFIBUS 网络光缆（塑性光缆和PCF光缆）
节点间光缆长度 OLM-OLM IOInterface，OBT 光纤直径 光纤材料
塑性光缆（双工） 塑性光缆（标准） PCF标准光缆
50米 50米 980微米 聚甲基丙烯酸酯
80米 50米 980微米 聚甲基丙烯酸酯
400米 300米 200微米 石英
基于以太网的分层的多主系统
HUB 工业以太网
PLC主站1
PLC主站2
具有DP通讯 能力的仪表
I/O从站
I/O从站
PROFIBUS-DP网络的接入设备
S7系列PLC ET200系列远程I/O 编程设备（PG/PC） 操作员站（OP） 大型传动设备（MD ML2） 具有通讯单元的配电设备（CB） 其他具有通讯接口的设备
工业网络通讯
现场级：PLC（TDC） 变频器 仪表 PG OP等 过程级：HMI PC（ES OS） 管理级：PC Client
现场级的网络通讯
可编程逻辑控制器的运用 现场通讯网络的建立
SIEMENS的PROFIBUS现场总线技术
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA
DP网络的系统结构
w 单主系统 w 带监控站的系统 w 多主系统和分层的多主系统
光纤芯数 每千米重量
2 7.8千克
2 65千克
2 22千克
节点间光缆长度 不带BFOC连接器 带BFOC连接器 光纤类型 光纤束直径 光纤芯束数 每千米重量
PROFIBUS 网络光缆（玻璃纤维光缆）
标准光缆
户内光缆
4000米 1000米 多模光纤62.5/125微米 3.5毫米
2 74千克
100米 多模光纤62.5/125微米 2.9毫米 2 30千克
通讯方式
Master
Master
Master
Master
Slave S
S S
S
S
S
PROFIBUS-DP网络电缆长度
网络传输速率 网络电缆类型
RS-485传输技术
RS-485传输技术特性
网络拓扑结构 传输介质 网段长度（可能）
可连接中继数量 节点数量 传输速率
线形 树形 （使用中继）
屏蔽双绞线