2016年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛ITEM6工业网络赛项(试)样题

2016年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛

ITEM6工业网络赛项(试)

赛题

工业通信网络连接现场设备、控制器、人机界面（HMI ）、监控系统及企业管理系统，是工业生产系统中信息的传输通道，是生产系统稳定安全运行的重要基础。工业网络赛项题目以西门子实际项目为背景，要求根据所提供的工厂描述和技术需求，完成工程设计方案及现场实施、调试任务，培养工业通信网络的需求分析能力、设计能力、实施能力和调试能力。

一、工厂描述

某工厂通信网络主要由控制中心和生产线两个层次构成。该工厂共6条生产线，每条为直线形，长约300米左右，各条生产线之间首尾相接。各条生产线与控制中心之间通过有线方式进行通信。该工厂具有一套AGV (Automated Guided Vehicle)传输系统，其中包括5台AGV 小车，从生产线1至生产线6沿环形轨道运行。AGV 小车均以无线方式与各条生产线进行通信。控制中心的视频服务器需要对每辆AGV 小车上普通IP 摄像头的视频进行监控，同时控制中心PLC （作为PROFINET I/O 控制器）需要与AGV 小车内PROFINET I/O 设备之间进行实时数据交换。控制中心另设综合监控系统，能够同时访问视频及控制数据。

工厂布置示意图如图1所示。 PN IO 视频服务器控制中心

综合

200米

300米300米300米300米300米300米20米

（AGV

图1 工厂布置示意图

工厂网络可划分为，汇聚层网络（包含控制中心、生产线主交换机）、接入层网络（用以连接无线接入点AP设备）、无线覆盖接入网络与移动AGV小车内终端网络，网络层次结构如图2所示，

图2 工厂网络层次结构简图

AGV小车基本结构可参考图3所示示意图，内含普通IP摄像头（基本带宽占用为3Mbit/s）及PROFINET I/O 设备、交换机和无线客户端，通过无线客户端接入生产线无线网络。

图3 AGV小车基本结构示意图

二、上机设备配置

●西门子交换机：SCALANCE XM408-8C；

●西门子无线模块（无线接入点AP及客户端）：SCALANCE W761、SCALANCE W721；

●西门子PLC S7-1200，作为PROFINET I/O 控制器；

●西门子PLC S7-1200，作为PROFINET I/O 设备；

●IP摄像头；

●视频服务器和综合监控系统可采用普通计算机。

三、初赛要求

以一个实际的工业网络工程项目为背景，大赛组委会作为甲方发布工业网络工程项目的工厂描述（如上第一部分叙述）和技术需求，各参赛队伍以乙方身份，根据甲方需求，完成工程方案设计。初赛主要考察参赛选手的工业通信网络需求分析能力和设计能力。初赛仅进行方案评审，没有现场操作环节。

（一）工业网络工程项目的技术需求：

●控制中心包括网络交换机、PLC、视频服务器和综合监控系统；

●有线网络中交换机可区分为汇聚层交换机和接入层交换机；

●控制中心靠近首个生产线起点处，距离200米；

●有线网络中，须至少在控制中心及每个生产线起点处设置汇聚层工业交换机，除控制中心内汇聚

层交换机采用3层交换机外，其他汇聚层交换机全部采用二层交换机；

●每个无线AP或无线客户端均具备一个RJ45接口，无线AP直接接入接入层交换机；

●生产线内每隔100米布置一个工业无线AP，采用全向天线；

●无线传输采用符合IEEE802.11n协议的工业无线局域网技术，在AGV小车运行轨迹全线完成无线网

络覆盖，以达到在全线范围内，实时无缝的视频和数据传递，保证AGV小车高速移动（不高于30公里/小时）情况下的无缝切换。

●AGV小车内安装工业无线客户端，可选择2.4/5GHz；

●小车内PROFINET I/O 设备与控制中心PROFINET I/O 控制器通过PROFINET I/O实时通信，数据实时

刷新时间为256毫秒；

●需考虑从最底层（AGV小车内）将视频信号与控制数据子网隔离；

●考虑整体系统的IP规划（包括所有终端IP地址和网络设备代理IP地址）；

●汇聚层全部采用1000Mbit/s多模光纤通信，接入层与汇聚层之间选择100Mbit/s多模光纤通信；

●在现有设备的基础之上，充分考虑网络的冗余度。汇聚层交换机间的冗余协议采用HRP或MRP，

接入层交换机的冗余协议自行选择。

（二）参赛选手在理解甲方需求的基础上，完成工程方案设计，工程方案设计主要内容包括：

（1）系统分析（厂区布局分析、通信需求分析等）；

（2）网络结构设计（设计网络结构图并说明设计理由）；

（3）系统设备选型（交换机、无线接入点、无线客户端、控制器等的选型，说明所选设备与网络功能实现的对应关系）；

（4）工程实施方案（网络结构实施方案、网络功能实现步骤、通信验证方法等）。

注意：

（1）无需考虑S7-1200的相关编程，大赛组委会技术人员提供调试好可正常通信的PROFINET I/O 控制器及PROFINET I/O设备。

（2）无需考虑生产线的具体生产流程；

（3）无需设计和制造AGV小车，无需实现AGV小车自动行驶功能，只需考虑在满足技术要求的前提下将移动AGV小车内的视频信号与控制数据传输到控制中心。

四、决赛要求

决赛由设计环节、上机比赛与方案答辩三部分组成（具体内容参见《2016年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛ITEM6工业网络赛项(试)竞赛规则》）。

1. 设计环节

设计环节是一个小型网络的设计题，要求每位参赛队员根据题目要求进行通信需求分析和网络设计，以验证每位参赛队员均具有工业网络分析和设计能力。

2. 上机比赛

参赛队伍需依照初赛设计方案，根据决赛现场实际情况，实现满足甲方要求的所有功能。

上机比赛主要包括以下几部分内容：

（1）制作工业以太网线，完成硬件连接；

（2）对交换机、无线模块等进行配置；

（3）系统调试，完成设计方案中各项功能；

在完成网络实施和调试后，即可向裁判示意申请进行评分。评分过程的操作由边裁执行。边裁根据《评分表》逐一验证调试后的网络功能，每通过一个任务的验证（如通过了环形冗余功能的验证），便得到对应的分数。

3. 方案答辩

上机比赛环节完成后，根据各队设计环节与上机比赛环节的加权总成绩，从高到低选取一部分优秀的队伍进入答辩环节。评审专家依据方案设计与答辩现场陈述情况对参赛队进行评判，最终确定答辩环节得分。