数字化时代工业通信与识别技术和应用

在制造型企业数字化转型的进程中，企业的各业务系统之间数据通信的速度和质量是数字化转型的重要组成部分，数字化企业需要从分级分层、纵深防御、智慧互联、远程运维、网络管理等多个维度，综合业务的需求建设工业网络，这需要建设者具备专业的知识和能力。
本书由西门子（中国）有限公司数字化互联与电源部门的各位资深技术工程师撰写，从工业通信、工业识别与实时定位的技术、产品和典型应用多个维度，结合多年的项目实践经验，系统地为读者呈现工业网络、识别和定位技术的原理、常见功能组态、标准方案等，并力图阐述工业5G、边缘计算等创新技术，使读者能够系统而快速地学以致用，在数字化的浪潮中从容应对。
本书适合从事工业通信的工程师、从事工业控制且希望拓展通信技术的工程师、工业网络的设计和维护者，以及高等院校相关专业的师生阅读。相信本书能够成为读者手边颇有价值的参考书籍。

我国数字经济的快速发展，对经济社会和民生的影响程度越来越深，推动着生产、生活方式发生深刻的变革。尤其是在国家“十四五”规划中，特别将“加快数字化发展、建设数字中国”单列成篇，提出“以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革”，为新时期数字化转型指明了方向。以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力的数字经济，正在成为很多地区的重点战略方向，由此也带来很多企业的数字化转型需求。
企业的数字化转型建立在高度发达的自动化和信息化基础之上，西门子公司作为深耕自动化领域多年的行业领先者，具备全集成自动化（TIA)体系架构。在TIA系统中，体现了技术和业务流程的标准层级，现场层设备如分布式I/O、RFID、RTLS（实时定位系统）、智能仪表、电源等处在第一级，控制系统如PLC、CNC（计算机数控）等处在第二级，操作系统如SCADA（监控与数据采集系统）、DCS（集散控制系统）、NMS(网络管理系统）等处在第三级，制造管理系统如MES（制造执行系统）等处在第四级，而随着各种云服务和IoT（物联网）平台在工业中应用范围的扩大，典型的层级模型已经扩展到第五级，包括如Mindsphere、Edge APP、Digital Twin（数字孪生）等。在TIA工业网络架构中，各层级之间的数据通信应用最广的是各种工业以太网协议，如Profinet，支撑各层级间以及系统内部的数据通信。
数字化企业需要一套综合了互联互通、快速恢复、网络安全、灵活扩展等多个因素的网络架构，网络的设计需要考虑分级分层、链路冗余、纵深防御、智慧互联、远程运维、网络管理等多个维度。
各种业务系统、数字化应用APP、云服务、低代码APP等实时地与生产现场的控制器和智能设备进行通信，以获取数据、发送指令，这使得IT和OT之间的互通性、交互性更强，传统的IT和OT各自独立的网络架构显然无法适应这种发展，IT/OT融合的网络架构才能满足需求，但作者根据多年的从业经验发现，从IT角度出发建设工厂的OT生产网络并不能满足生产的需求，如实时性、安全性、高灵活性、可扩展性等，只有从OT的需求出发建设的网络才能满足生产需求，只有高度集成化的网络通信才能够支持企业数字化转型。同时，在工业网络的建设中，除了要考虑各业务系统间的互联外，还必须考虑信息安全，以便实现安全可控的系统应用。
西门子公司在工业通信和识别领域拥有几十年的发展历程，具备全系列工业通信产品，以及使现场设备实现智能化的工业识别和定位产品，在多个行业（如汽车、冶金、制药、物流、化工等）积累了非常多的应用案例，致力于为工业客户实现IT/OT融合、构建数字化转型提供支持和保障。面向未来，西门子公司在关键创新技术(如工业5G、TSN、云连接、网络管理和网络安全等)方面做出了多项创新，不断地推出更多的新产品和解决方案，满足工业客户在构建全连接工厂方面的需求。
总之，为了满足工业客户数字化转型的需要，建设稳定可靠、可扩展的工业网络架构是重中之重，而高质量的网络设备、丰富的行业经验和解决方案、专业的服务和培训是支撑架构的重要因素。作者发现，很多行业客户对于工业网络建设还停留在初级的认识阶段，重视不足，设计和使用人员也不具备丰富的网络通信的基础知识和项目经验，自行设计的网络架构往往无法满足业务需要，导致通信成为阻碍数据交互的瓶颈，甚至频繁出现断网等事故而影响生产，给企业数字化转型带来了挑战。
本书致力于从应用的角度出发，向读者阐释原理、分享西门子工业通信与识别产品的典型应用和配置方案，帮助读者学以致用，帮助企业培养专业人才。

刘姝琦
2023年5月

序
Preface
前言
第1章工业网络基础原理和技术 1
1 .1OSI参考模型和协议分层 1
1 .1 .1OSI七层参考模型 1
1 .1 .2TCP/IP族 2
1 .1 .3UDP与TCP 2
1 .2以太网基础知识 6
1 .2 .1以太网概述 6
1 .2 .2CSMA/CD 6
1 .2 .3以太网帧结构 7
1 .2 .4冲突域和广播域 7
1 .2 .5半双工、全双工、自协商 8
1 .2 .6MAC地址 9
1 .2 .7IP地址及子网掩码 9
1 .2 .8网段 10
1 .2 .9IP地址的分类 10
1 .3网络传输中的三张表 11
1 .3 .1MAC地址表详解 11
1 .3 .2ARP缓存表详解 12
1 .3 .3路由表详解 13
1 .4工业以太网基础 15
1 .4 .1工业以太网 15
1 .4 .2PROFINET 15
1 .4 .3EtherNet/IP 15
1 .5网络安全技术基础及基本功能 16
1 .5 .1VPN技术工作原理 16
1 .5 .2NAT技术工作原理 20
1 .5 .3Syslog功能简介 22
1 .5 .4RADIUS功能简介 23
1 .5 .5DHCP功能简介 24
1 .5 .6NTP功能简介 24
1 .6数字化工业网络架构设计 25
1 .6 .1工业交换与路由设计思路 26
1 .6 .2工业无线设计思路 27
1 .6 .3工业网络信息安全设计思路 27
1 .6 .4工业远程运维设计思路27
1 .6 .5工业网络管理系统28
第2章工业网络技术和应用 30
2 .1工业交换机SCALANCE X技术和应用 30
2 .1 .1工业交换机SCALANCE X产品
介绍 30
2 .1 .2工业交换机SCALANCE X的主要功能33
2 .1 .3交换机常用的管理功能 58
2 .1 .4交换机安全性功能 62
2 .1 .5工业交换机SCALANCE X的标准化方案 65
2 .2工业交换机RUGGEDCOM技术和应用 74
2 .2 .1西门子RUGGEDCOM系列产品和功能介绍 74
2 .2 .2RUGGEDCOM系列产品特性74
2 .2 .3丰富的二层设备功能 79
2 .2 .4三层设备功能 79
2 .2 .5网络安全方案 80
2 .3RUGGEDCOM在220kV智能变电站“三网合一”项目中的应用 81
第3章工业无线技术的应用 88
3 .1工业无线局域网 88
3 .1 .1无线局域网基础知识 88
3 .1 .2西门子工业无线局域网的产品介绍 104
3 .1 .3SCALANCE W 产品功能、特性 106
3 .2应用案例 133
3 .2 .1工业无线局域网在物流系统中的应用 133
3 .2 .2工业无线局域网在汽车制造中的应用 138
3 .2 .3工业无线局域网在冶金料场的应用 142
3 .2 .4工业无线局域网在钢铁企业无人化天车的应用 144
3 .3工业宽带无线网 147
3 .4工业宽带无线RUGGEDCOM WIN产品介绍 148
3 .4 .1工业宽带无线基站 148
3 .4 .2工业宽带无线终端 149
3 .4 .3PoE供电模块 150
3 .4 .4天线和附件 151
3 .4 .5产品安装图 152
3 .5应用案例 152
3 .5 .1工业宽带无线网通用方案 152
3 .5 .2AeroMACS机场移动航空通信系统方案 156
3 .6工业5G技术和应用 161
3 .6 .1工业5G基础知识 161
3 .6 .2工业5G路由器SCALANCE MUM856-1产品 165
3 .6 .3西门子工业5G标准化解决方案 167
3 .6 .4工业5G典型应用场景 171
第4章工业网络安全的技术和应用 178
4 .1工业网络安全背景概述 178
4 .2工业网络纵深防御理念 178
4 .2 .1工厂安全 180
4 .2 .2网络安全 181
4 .2 .3系统的完整性 184
4 .3产品介绍 185
4 .3 .1SCALANCE S系列产品概述185
4 .3 .2SCALANCE S系列功能特性 186
4 .3 .3产品功能和技术要点 187
4 .4标准化的应用方案 190
4 .4 .1防火墙Layer 3路由模式技术的应用 190
4 .4 .2防火墙Layer 2透明模式的应用 195
4 .4 .3防火墙IPSec VPN模式的应用 198
4 .4 .4标准化机器设备的NAT技术应用场景 201
第5章工业远程通信的技术和应用 206
5 .1SINEMA Remote Connect远程通信解决方案 206
5 .2SINEMA RC服务器支持的接入设备 207
5 .3SINEMA RC客户端软件 209
5 .4SINEMA RC系统的部署和基本配置 209
5 .5SINEMA RC服务器的基本设置 210
5 .6Telecontrol远程控制解决方案 212
5 .6 .1远动控制通信协议简介 212
5 .6 .2控制中心解决方案 213
5 .7远程通信应用案例 219
第6章工业网络管理平台的功能和应用 221
6 .1SINEC NMS 221
6 .1 .1SINEC NMS软件概述 221
6 .1 .2SINEC NMS的安装和部署 222
6 .1 .3SINEC NMS主要功能介绍 225
6 .1 .4应用案例 239
6 .2SINEC INS 240
6 .2 .1SINEC INS软件介绍 240
6 .2 .2Syslog功能和技术要求 241
6 .2 .3RADIUS功能和技术要点 245
6 .2 .4DHCP功能和技术要点 249
6 .2 .5NTP功能和技术要点 254
6 .3SINEC PNI基本功能介绍 257
第7章 工业识别的主要功能和应用 259
7 .1工业RFID射频识别的主要功能和应用 259
7 .1 .1RFID基础技术介绍 259
7 .1 .2西门子RFID产品介绍 263
7 .1 .3RFID功能和技术要点 268
7 .1 .4RFID的标准化解决方案 305
7 .2工业OID的主要功能和应用 312
7 .2 .1OID基本原理和系统组成介绍 312
7 .2 .2西门子OID产品介绍 316
7 .2 .3西门子OID产品功能和技术要点 318
7 .2 .4西门子OID汽车行业标准化解决方案 328
第8章工业实时定位的主要功能和应用 335
8 .1UWB定位技术简介 335
8 .1 .1UWB发展历程 335
8 .1 .2UWB定位技术简介 336
8 .2SIMATIC RTLS 340
8 .2 .1SIMATIC RTLS产品家族 340
8 .2 .2SIMATIC RTLS主要功能 343
8 .3SIMATIC RTLS行业应用 347
8