《工业网络技术与应用（微课版）》教学教案.docx 77页

PAGE

PAGE2

第1次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第1章绪论

教学目标和要求

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

6、了解工业互联网发展

教学重点

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

掌握PROFINET工业以太网协议结构

教学难点

掌握PROFINET工业以太网协议结构

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

西门子四芯“快速连接”工业以太网线缆1根，以太网接口1对，工业网络做线工具1套，网络测线仪。

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

课程介绍

1.推荐教材：

律德财.《工业网络技术与应用》.大连理工大学出版社.2022。

李颖.《工业控制系统与工业网络实验指导书》.天津中德应用技术大学智能制造学院,2023,6

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。

3.考核及成绩评定方式

课程成绩评定细则

考核环节

考核形式

考核细则

过程考核

40%

课堂表现5%

为调动学生参与课程学习的积极性，详细记录学生出勤、课堂讨论、提问、互动等情况，并根据学生对各章节知识点的理解与掌握情况评定成绩。

评分标准：按照0-100分评分。缺勤学时达到总学时三分之一，将取消考试资格

平时作业

5%

为帮助学生了解自己对各章知识的掌握情况，每章均安排课后作业（或测验），并根据学生完成情况评定成绩。

评分标准：每份作业（或测验）按照0-100分评分，计算平均成绩作为该课程的平时作业成绩。作业（或测验）未提交次数达到总次数三分之一，将取消考试资格。要求独立完成作业（或测验），雷同作业（或测验作弊）按0分处理

实践项目

30%

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

结课考核

60%

结课考试

考核学生对各章知识的掌握情况以及应用所学知识对信息安全工作机制进行综合分析的能力

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

理论知识讲解

第1章工业网络概述

1.1现场总线与工业以太网

1.传统串行通信和并行总线（1980s）：

2.工业总线的出现（1990s）：

3.以太网的引入（1990s-2000s）：

4.工业以太网的发展（2000s-至今）：

5.统一标准的推动（近年）：

1.2现场总线

1.PROFIBUS总线

2.CAN总线

3.DeviceNet

4.ControlNet

5.CC-Link

1.3工业以太网

1.IDA

2.Ethernet/IP

3.PROFINET

4.HSE

1.4以太网基础

1.OSI开放系统互连模型

2.局域网

3.以太网

1.4.1物理层

1.基于同轴电缆的以太网

2.基于双绞线的以太网

3.基于光纤的以太网

1.4.2数据链路层

1.以太网数据帧

2.CSMA/CD

1.5TCP/IP协议

1.网络控制协议

2.TCP协议

3.UDP协议

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

实训讲解

以太网电缆是从一个网络设备连接到另外一个网络设备传递信息的介质，是以太网网络的基本构件。本小节以西门子四芯“快速连接”工业以太网线缆为例，制作网线接口。

1.实训目的：

（1）掌握以太网基本原理；

（2）掌握西门子四芯“快速连接”工业以太网线缆制作方法；

（3）掌握工业以太网线测试方法；

2.实训准备

（1）复习本章内容；

（2）熟悉西门子四芯“快速连接”工业以太网线缆；

（3）熟悉网络测线仪的使用；

3.实训设备

本章实训所需要的设备一共有：西门子四芯“快速连接”工业以太网线缆1根，以太网接口1对，工业网络做线工具1套，网络测线仪。

具体实验步骤如下：

步骤1截取一根100mm长的工业以太网线。

步骤2线的两端剥去25mm长外皮，金属屏蔽网保留5mm长

步骤3打开金属接头，按照头内线颜色标识把对应线插入到底。

步骤4合拢金属接头，用螺丝刀插入金属圆环的孔内，顺时针时针旋转90度完成固定。

步骤5将制作完成的ProfiNet线接到线测试仪上进行测试，1、2、3、6灯亮为正常。

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第2次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第2章工业网络设备基础

2.1工业网络设备

2.1.1可编程逻辑控制器

2.1.2工业交换机

2.1.3工业路由器

2.1.4工业防火墙

教学目标和要求

1、了解各种工业网络设备及终端设备

2、理解可编程控制器、HMI人机界面、工业交换机、工业路由器、工业防火墙基本功能

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

理解可编程控制器、HMI人机界面、工业交换机、工业路由器、工业防火墙基本功能

教学难点

掌握可编程控制器、HMI人机界面地址配置方法

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

西门子四芯“快速连接”工业以太网线缆1根，以太网接口1对，工业网络做线工具1套，网络测线仪。

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

第2章工业网络设备基础

2.1工业网络设备

2.1.1可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，也是当今工业以太网中最常用的设备。

1.SIMATICS7-1200PLC简介

2.SIMATICHMI面板简介

2.1.2工业交换机

1.第2层工业交换机

2.第3层工业交换机

3.并行冗余交换机

2.1.3工业路由器

1.工业路由器概述

工业路由器是一种用于连接两个或两个以上网络的耐用器件，可将信号仅传送到所需端口。网关可对标准以太网与工业以太网协议、无线与有线接口、以太网与现场总线通信协议进行转换。这种工厂自动化设备结构坚固，适用于无风扇冷却的恶劣工业环境，是专门用于工业领域的数据传输设备。

2.西门子SCALANCEM系列工业路由器

1）有线连接到远程网络

2）无线连接到远程网络

2.1.4工业防火墙

1.工业防火墙概述

2.西门子SCALANCES系列工业防火墙简介

3.西门子SCALANCES-615工业防火墙

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实训讲解

西门子SIMATICS7-1200PLC与HMI的基本操作

本小节将介绍在博途环境下完成S7-1200PLC和HMI设备组态、完成S7-1200PLC和HMI的IP地址配置及复位操作的方法和实施步骤。按照如图2-20所示的实验拓扑完成设备连接。

1.PLC硬件组态及IP地址配置

步骤1配置上位机IP地址为00，如图2-21所示。

步骤2启动博途软件，选择创建新项目，如图2-22所示输入项目名称、选择文件存储路径，然后单击创建。

步骤3进入组态设备，点击添加新设备，如图2-23所示选择控制器--SIMATICS7-1200--CPU1215CDC/DC/DC--版本V4.4，点击确定。

步骤4进入设备视图，双击PLC的网络接口，在属性界面中为PLC配置IP地址和子网掩码，结果如图2-24所示。必要时可选择“使用路由器”并设置网关地址。。

步骤5在项目树中选择PLC_1，然后点击下载到设备，将当前配置下载到相应的PLC中，如图2-25所示。

步骤6在下载界面设置PG/PC接口的类型PN/IE、选择电脑的网卡为Ethernet、接口/子网为默认参数，点击开始搜索。

步骤7系统会自动搜索到网络中所有的PLC，选择一台设备，点击闪烁LED，可以确认选择的是哪一台PLC，选中正确的PLC后，点击下载按钮，如图2-26所示。

步骤8系统会自动执行下载前检查，若有还需要设置的选项，就需要按界面提示进行设置后点击装载按钮，这样才能真正执行下载操作，如图2-27所示。

步骤9系统显示下载到设备已顺利完成，说明下载成功。在“动作”列要确保选择为“启动模块”，这样点击完成按钮，系统就会重新启动PLC从而使配置生效，如图2-28所示。

2.HMI硬件组态及IP地址配置

步骤1在项目树中双击添加新设备，如图2-29所示，选择HMI--SIMATICBasicPanel--7’’Display--KTP700Basic--版本，点击确定。

步骤2进入HMI设备向导界面，如图2-30所示。点击完成可直接退出该界面。

步骤3在项目树中双击“设备和网络”进入网络视图，如图2-31所示，用鼠标直接在PLC和HMI的网络接口间拖动来建立连接。

步骤4双击HMI的网络接口显示属性界面，如图2-32所示，选择常规--以太网地址，为HMI配置IP地址和子网掩码，必要时可选择“使用路由器”并设置网关地址。

步骤5在项目树中选择HMI_1，然后点击下载到设备，将当前配置下载到相应的HMI中，如图2-33所示。

步骤6在下载界面设置PG/PC接口的类型PN/IE、选择电脑的网卡为Ethernet、接口/子网为默认参数，点击开始搜索。

步骤7系统会自动搜索到网络中的HMI设备，选择该设备，点击闪烁LED，可以确认选择的是哪一台设备，选中正确的HMI后，点击下载按钮，如图2-34所示。

步骤8系统会自动执行下载前检查，若有还需要设置的选项，就需要按界面提示进行设置，如图2-35所示必须勾选动作列中的“全部覆盖”和“调整”复选框，之后才能点击装载按钮，这样才能真正执行下载操作。

步骤9装载成功后，HMI会显示出默认的根界面信息，如图2-36所示。

3.PLC和HMI的复位操作

步骤1在左侧项目树中单击展开“在线访问”，找到计算机的有线网卡，双击下面的更新可访问设备，如图2-37所示。

步骤2在可访问设备列表中找到PLC，双击下面的在线和诊断，如图2-38所示，将会在右侧窗口中显示出诊断和功能菜单。

步骤3在“在线访问”-“功能”-“固件更新”路径下，选中“复位为出厂设置”，点击“重置”按钮，可将PLC恢复为出厂状态。界面中会显示当前PLC的IP地址和设备名称，执行复位操作时可以选择保留或删除IP地址，如图2-39所示。

步骤4在可访问设备列表中找到HMI，双击下面的在线和诊断，将会在右侧窗口中显示出诊断和功能菜单。在“在线访问”-“功能”路径下，选中“复位为出厂设置”，点击“重置”按钮，可将HMI恢复为出厂状态。如图2-40所示。

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第3次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第2章工业网络设备基础

2.2网络地址基础

2.2.1MAC地址

2.2.2IP地址

2.2.3子网掩码

2.2.4子网划分

教学目标和要求

1、理解网络地址原理及配置方法

2、掌握MAC地址基本格式

3、掌握工业网络IP地址基本概念

4、掌握子网掩码基本概念及子网划分方法

5、掌握西门子交换机和防火墙IP地址配置方法

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

子网掩码基本概念及子网划分方法

西门子交换机和防火墙IP地址配置方法

教学难点

子网掩码基本概念及子网划分方法

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

西门子四芯“快速连接”工业以太网线缆1根，以太网接口1对，工业网络做线工具1套，网络测线仪。

作业练习

完成实验报告1

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

2.2网络地址基础

2.2.1MAC地址

1.MAC地址的组成

2.工业网络设备MAC地址

3.交换机MAC地址表

1）交换机建立和维护MAC地址表

2）交换机根据MAC地址表转发数据帧

2.2.2IP地址

1.IP地址的表示方法

2.IP地址的结构与分类

2.2.3子网掩码

1.子网掩码的表示方法

2.利用子网掩码计算网络地址

3.无分类编址CIDR

2.2.4子网划分

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实验讲解

西门子SCALANCE工业交换机和工业防火墙的基本操作

本小节将介绍使用PRONETA软件完成对二层工业交换机SCALANCEXB-208、三层工业交换机SCALANCEXM-408及工业防火墙SCALANCES-615等设备进行IP地址配置及复位操作的方法和实施步骤。按照如图2-41所示的实验拓扑完成设备连接。

1.第2层工业交换机SCALANCEXB-208的基本配置

步骤1双击图标启动PRONETA软件，进入其初始工作界面，如图2-42所示。

步骤2选择设置--网络适配器，可在界面中单击选中所使用的网卡--以太网，如图2-43所示。

步骤3点击网络分析，系统会自动搜索并显示出在线拓扑和组态设备信息，如图2-44所示。

步骤4对XB-208执行复位操作，在图形视图下右击SCALANCEXB-200交换机图标，选择“复位网络参数”，将对交换机执行复位操作并恢复到出厂配置，如图2-45所示。复位完成后会自动重启交换机。

步骤5为XB-208配置IP地址，在图形视图下右击SCALANCEXB-200交换机图标，选择“设置网络参数”，在IP组态下手工输入IP地址和子网掩码，必要时可设置网关地址。结果如图2-46所示。

步骤6通过浏览器访问XB-208交换机配置界面，在图形视图下右击SCALANCEXB-200交换机图标，选择“打开Web浏览器”，进入系统登录界面。输入用户名和密码（初始都是admin）。如图2-47所示。

步骤7按界面提示设置新密码为ZD@123456，点击SetValues按钮使设置生效，如图2-48所示。

步骤8登录成功后进入第2层交换机SCALANCEXB-208管理及配置界面，如图2-49所示。

2.第3层工业交换机SCALANCEXM-408的基本配置

步骤1为XM-408执行复位操作，右击SCALANCEX-400交换机图标，选择“复位网络参数”，对该交换机执行复位操作并恢复到出厂配置，复位完成后会自动重启交换机。

步骤2为XM-408配置IP地址，右击SCALANCEX-400交换机图标，选择“设置网络参数”，为交换机设置IP地址为，子网掩码为。

步骤3通过浏览器访问XM-408交换机配置界面，右击SCALANCEX-400交换机图标，选择“打开Web浏览器”，进入系统登录界面。输入用户名和密码（初始都是admin），首次登录时同样需要设置新密码。

步骤4登录成功后进入第3层交换机SCALANCEXM-408管理及配置界面，如图2-50所示。

3.工业防火墙SCALANCES-615的基本配置

步骤1为S-615执行复位操作：S-615工业防火墙的复位需要直接操作物理设备来实现。找到设备前面板上的RESET按钮，长按10秒钟后松开，将对S-615执行复位操作并恢复到出厂配置。复位完成后会自动重启防火墙。

步骤2为S-615配置IP地址，右击SCALANCES-600防火墙图标，选择“设置网络参数”，为防火墙设置IP地址为，子网掩码为。

交换机和防火墙完成IP配置后的在线设备表如图2-51所示，通过该界面可方便用户查看每个设备的IP地址、子网掩码等信息。

步骤3通过浏览器访问S-615防火墙配置界面，右击SCALANCES-600交换机图标，选择“打开Web浏览器”，进入系统登录界面。输入用户名和密码（初始都是admin）,，首次登录时同样需要设置新密码。

步骤4登录成功后进入S-615防火墙的管理及配置界面，如图2-52所示。

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第4次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第3章VLAN虚拟局域网技术

VLAN的基本概念

单交换机VLAN配置

教学目标和要求

1、理解VLAN虚拟局域网原理

2、掌握VLAN协议格式

3、熟练掌握单交换机VLAN配置

培养学生工业网络整体设计的能力、实施能力、调试的能力及故障诊断分析的能力

培养学生独立思考、遇见问题不退缩的素质

教学重点

VLAN协议格式

单交换机VLAN配置

教学难点

熟练掌握单交换机VLAN配置

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、一台SCALANCE-XB-208工业交换机、一台SCALANCE-XM-408工业交换机及网线若干。

作业练习

完成报告实验2-1

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

第3章VLAN虚拟局域网技术

3.1VLAN的基本概念

1.VLAN产生的原因

2.VLAN工作原理

3.VLAN类型

1）静态VLAN

2）动态VLAN

4.VLAN协议格式

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实验讲解

单交换机VLAN配置

如网络拓扑图3-10所示，通过IP地址为00的上位机可以访问IP地址为9的PLC，不可访问另外一台上位机2及另外一台PLC2；通过IP地址为00的上位机可以访问IP地址为99的PLC，不可访问另外一台上位机1及另外一台PLC1；PLC与PLC之间不可相互访问。

具体实训步骤如下：

步骤1将交换机和PLC恢复出厂设置。

步骤2将两台上位机的IP地址分别设为00和00，使用博图软件将两台PLC的IP地址分别设为9和99，交换机的IP地址设为0。

步骤3用工业以太网线缆将IP地址为00的上位机连接至交换机的P1网口上，将IP地址为00的上位机连接至交换机的P5网口上，将IP地址为9的PLC连接至交换机的P4网口上，将IP地址为99的PLC连接至交换机的P8网口上。

步骤4使用00上位机，连接到P5端口。打开一个WEB浏览器，输入交换机地址0，点击回车键，进入交换机的配置界面，如图3-11所示。

步骤5在图3-12登陆界面中Name和Password后面的输入框中，分别输入默认的用户名admin和默认的密码admin，点击Login。

步骤6如图3-13在弹出更改密码提示的对话框中点击OK。

步骤7修改密码，如图3-14所示重新设置密码后点击SetValues。密码设置规则为长度大于8位，至少包含大写字母、数字和特殊符号三种字符。本书统一使用密码为Zd@123456。

步骤8在Layer2RingRedundancy路径下，取消RingRedundancy选项，点击SetValues，如图3-15所示。

步骤9在Layer2VLAN路径下，选择General标签如图3-16所示，在BaseBridgeMode参数中选择802.1QVLANBridge。

步骤10如图3-17在弹出的对话框中选择OK。

步骤11如图3-18在VLANID后输入1，点击SetValues。

步骤12在VLANID后输入10，点击Create，如图3-19。

步骤13如图3-20在VLANID后输入20，点击Create。

步骤14按照图3-21所示，设置交换机各端口属性，设置完成后点击Set

Values。

步骤15在PortBasedVLAN视图下如图3-22，将P0.1和P0.4的PortVID设为VLAN10，P0.5和P0.8的PortVID设为VLAN20，设置完成后点击SetValues。

步骤16通过“ping”测试，可以验证实验任务是否完成。

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第5次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第3章VLAN虚拟局域网技术

私有VLAN

西门子SCALANCE-XM-200交换机VLAN界面

教学目标和要求

熟练掌握跨交换机VLAN配置

同一网段VLAN技术应用

3、熟练掌握西门子私有VLAN技术

培养学生工业网络整体设计的能力、实施能力、调试的能力及故障诊断分析的能力

培养学生培养团队协作、团队精神

教学重点

跨交换机VLAN配置

同一网段VLAN技术应用

私有VLAN技术

教学难点

同一网段VLAN技术应用

私有VLAN技术

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、一台SCALANCE-XB-208工业交换机、一台SCALANCE-XM-408工业交换机及网线若干。

作业练习

完成实验报告2全部内容

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

3.2私有VLAN

1.私有VLAN的类型

私有VLAN分为主私有VLAN（PrimaryPVLAN）和次私有VLAN（SecondaryPVLAN）

（1）主私有VLAN是指被划分的VLAN。

（2）次私有VLAN只存在于主私有VLAN内。每个次私有VLAN都有一个特定的VLAN号，并且与主私有VLAN相连。

次私有VLAN包括两种类型：隔离次私有VLAN和团体次私有VLAN。

（1）隔离次私有VLAN（IsolatedSecondaryPVLAN）：隔离次私有VLAN内的各设备之间不能通过第2层进行通信。

（2）团体次私有VLAN（CommunitySecondaryPVLAN）：团体次私有VLAN内的各设备之间可直接通过第2层进行通信。隶属不同团体私有VLAN的设备之间不能通过第2层进行通信。

2.私有VLAN端口类型

（1）带标签混合端口

（2）不带标签主机端口

（3）不带标记的混合端口

3.3西门子SCALANCE-XM-200交换机VLAN界面

3.3.1General常规标签

3.3.2PortBasedVLAN标签

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实验讲解

1、跨交换机VLAN配置

如图3-23所示，VLAN10中，通过IP地址为00的上位机可以访问IP地址为的PLC_1，VLAN20中，通过IP地址为00的上位机可以访问IP地址为的PLC_2，VLAN10与VLAN20主机不能相互通信。

2、同一网段VLAN技术应用

如图3-28所示，通过IP地址为00的上位机可以访问IP地址为的PLC和IP地址为的PLC，PLC与PLC之间不可相互访问。

3、西门子私有VLAN技术

通过上位机可以访问PL1、PLC2、PLC3和PLC4，PLC1不可访问其它PLC，PLC2不可访问其它PLC，PLC3不可访问PLC1和PLC2，PLC4不可访问PLC1和PLC2，PLC3和PLC4可以互相访问。拓扑结构如图3-31所示。

具体实训步骤详见实验指导书

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第6次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第4章网络冗余技术 2

4.1STP生成树与RSTP快速生成树

4.1.1生成树协议中的基本概念

4.1.2生成树协议的工作过程

4.1.3生成树协议的端口状态

4.1.4快速生成树协议

教学目标和要求

理解STP生成树与RSTP快速生成树基本原理

掌握生成树协议的工作过程

了解生成树协议的端口状态

了解快速生成树协议

熟练掌握生成树配置方法

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

生成树协议的工作过程

掌握生成树配置方法

教学难点

生成树协议的工作过程

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、四台SCALANCE-XB-208工业交换机、两台SCALANCE-XM-408工业交换机，两台SCALANCEX204RNA交换机及网线若干。。

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

第4章网络冗余技术

4.1STP生成树与RSTP快速生成树

4.1.1生成树协议中的基本概念

1.桥接协议数据单元

2.路径成本

3.网桥ID

4.端口ID

4.1.2生成树协议的工作过程

1.选举一个根网桥

2.选举根端口

3.选举指定端口

4.阻塞非根、非指定端口

4.1.3生成树协议的端口状态

在STP中,正常的端口具有四种状态:阻塞（Blocking）、监听（Listening）、学习（Learning）和转发（Forwarding），端口的状态就在这四种状态里面变化。

4.1.4快速生成树协议

在理想条件下，RSTP应当是网络中使用的默认生成树协议。由于STP与RSTP之间的兼容性,由STP到RSTP转换是无缝的。

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实验讲解

快速生成树配置

配置3台交换机RSTP快速生成树协议，将3台交换机连接成图4-15拓扑结构，其中SCALANCE-XM-408交换机为根交换机，优先级为4096；两台SCALANCE-XM-208交换机优先级均为32768，观察哪个端口被阻塞。拔掉根交换机1和交换机2之间的网线，观察网络恢复情况。

具体实训步

步骤1将3台交换机和PLC恢复出厂设置。

步骤2将上位机的IP地址设为00，使用博途软件将PLC的IP地址配置为00，根交换机的IP地址设为0，交换机1的地址为，交换机2的地址为。

步骤3按照图4-16进行设备连接

步骤5检验网络配置是否正确。在上位机上用PNI软件进行扫描，查看是否可以扫描到全部设备，如图4-17所示核对设备配置是否正确。

步骤6配置408根交换机，在上位机中打开浏览器输入0，进入管理界面，输入用户名admin和初始密码admin，进入账户密码界面，将密码修改为TJzd@123。

步骤7进入408交换机管理界面选择Layer2-SpanningTree-General，如图4-18，在SpanningTree前面打勾，ProtocolCompatibility下拉列表中选择RSTP，单击SetValues按钮。

步骤8选择CISTGeneral标签，在BridgePriority中填写优先级为4096，单击SetValues按钮，如图4-19。

步骤9配置208交换机1和208交换机2，参考步骤6重新设置交换机密码，如果启用RSTP，应该先取消环状冗余，在Layer2-RingRedundancy中选择Ring标签，取消RingRedundancy前面的对勾，如图4-19所示，单击SetValues按钮。

步骤10参考步骤7-8用同样的方法配置交换机1和交换机2的生成树协议，不同的是在BridgePriority中填写优先级为32768，如图4-20所示。

步骤11用网线连接交换机1和交换机2，在拓扑图上记录连接端口，如图4-21所示

步骤12打开交换机1的STPort标签，观察P0.1和P0.4处于转发状态，P0.7处于丢弃状态如图4-22。这是因为生成树协议下，交换机1的P0.7的端口被阻塞，防止广播风暴产生。上位机访问PLC的数据流如图所示。

步骤13将交换机1上的P1端口网线拔掉，模拟根交换机和交换机1之间线路损坏的情况，观察到交换机1的STPort标签中，观察P0.4和P0.7处于转发状态，P0.1处于丢弃状态如图4-24。这是因为生成树协议下，原先链路损坏时，冗余链路能够快速恢复。上位机访问PLC数据流如图4-25所示

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第7次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第4章网络冗余技术 2

4.2环网冗余

4.2.1.介质冗余协议（MediaRedundancyProtocol）

4.2.2.HRP高速冗余协议

教学目标和要求

第4章网络冗余技术

理解HRP和MRP环网冗余协议基本原理

熟练掌握HRP单环网络配置

熟练掌握MRP单环网络配置

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

HRP和MRP环网冗余协议基本原理

熟练掌握HRP单环网络配置

熟练掌握MRP单环网络配置

教学难点

掌握HRP和MRP单环网络配置

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、四台SCALANCE-XB-208工业交换机、两台SCALANCE-XM-408工业交换机，两台SCALANCEX204RNA交换机及网线若干。。

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

4.2环网冗余

4.2.1.介质冗余协议（MediaRedundancyProtocol）

1.MRP概述

MRP一种基于环形拓扑结构的快速恢复协议，图4-5所示为两个MRP环互联的拓扑结构。

2.MRP协议的端口状态

MRM和MRC应该有两个环形端口，环形端口应禁用STP、RSTP或MSTP。环形端口通常为以下端口状态：

不可用（DISABLED）：全部数据帧被丢弃。

阻塞（BLOCKED）；除了MRP用于管理的数据帧和高层应用不转发的数据帧，其余数据帧都被丢弃。

转发（FORWARDING）：所有数据帧均转发。

3.媒体冗余管理器MRM的控制方式

4.媒体冗余客户端MRC的控制方式

5.冗余域

4.2.2.HRP高速冗余协议

1.HRP高速冗余协议

和MRP协议类似HRP也是一种基于环形拓扑结构的快速恢复协议。图4-8是一个单环HRP网络，在一个HRP环网中只能由一个冗余管理器RM，冗余客户端可以多个；环网阻塞端口和环网接收端口是最开始随机分配的。

2.Standby备用冗余协议

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实践讲解

1、HRP单环网配置

搭建图4-26中网络，配置HRP协议，正常工作状态下，上位机可以通过路径“上位机-XM408-XB208_1-S7-1200”监控S7-1200的状态，当拔掉XM408的P1.2端口上的网线，破坏上面的通信路径后，网络通信可以快速的进行重构，从而通过“上位机-XM408-XB208_2-XB208_1-S7-1200”这一路径继续监控S7-1200的状态。

2、MRP单环网配置

配置3台交换机MRP协议，将3台交换机连接成图4-35拓扑结构，当人为拔掉XM408的P1.2端口上的网线，破坏通信路径后，观察网络通信如何快速的进行重构。

具体实验步骤详见实验指导书

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第8次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第4章网络冗余技术 2

备用环网间冗余协议

4.3RSTP+协议

教学目标和要求

理解备用环网间冗余协议基本原理；

理解RSTP+协议基本原理

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

备用环网间冗余协议基本原理

熟练掌握双环网间备用配置

教学难点

熟练掌握双环网间备用配置

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、四台SCALANCE-XB-208工业交换机、两台SCALANCE-XM-408工业交换机，两台SCALANCEX204RNA交换机及网线若干。。

作业练习

完成实验报告3-4

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

2.Standby备用冗余协议

Standby协议是HRP的扩展，支持在环网之间或开放网段（线性总线）之间采用冗余连接。在冗余链路中，环网通过以太网连接相连在一起。实现的方法是在一个环网中配置一个主、从设备对，主、从设备能彼此监视对方，并且能在发生故障时将数据通信从常用的主以太网连接重定向到替代（从）以太网连接，图4-10中展示了两个环网之间的备用冗余。

图4-10两个HSP环网之间的备用冗余

正常状态下，环网中交换机第一次启动时，当备用主交换机发送一个信号到环网中，并且该信号被备用从交换机接收到时，说明备用主交换机已经准备就绪。当备用从交换机发送一个信号到环网中，该信号被备用主交换机接收到时，说明备用从交换机已经准备就绪。这样备用主交换机和备用从交换机都成功完成了启动，环网便可以开始采用备用冗余协议（standby）进行通讯，也就是说在环网开始通讯之前会进行一个关键帧的检测，检测备用主交换机和备用从交换机是不是已经准备就绪，是否可以开始进行通讯了。

备用协议工作时，在数据传输的过程中，备用主交换机会不断的向备用从交换机发送一个被动“状态”的信号，如果备用从交换能够接收到这个信号，说明此时的环是正常的，那么此时的路径是由备用主交换机的主端口进行转发。

当主链路出现故障时，备用主交换机发送的被动状态信号，无法被备用从交换机收到，备用从交换机长时间未收到主交换机发送的被动信号，那么此时从交换机备用端口变为转发状态，进行链路的切换。

4.3RSTP+协议

RSTP+主要用于将MRP环网冗余与RSTP网络的集成。对于只使用RSTP的网络，如果想和更高效且更快速的MRP环网集成，就要使用RSTP+协议。MRP环网冗余模式不受RSTP+的影响，因为这两种模式相互独立地工作。除外，还可以使用RSTP+基于一个MRP环网连接两个RSTP网络。如果不使用RSTP+，则无法实现该连接，因为生成树在环网端口上已禁用。

原则上，RSTP网络与MRP环网之间连接点处的所有设备都必须支持RSTP+方法。MRP环网中的所有其它设备都必须转发BPDU（桥接协议数据单元）。

RSTP网络和MRP环网集成

2.多个MRP环网集成

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实践讲解

双环网间备用冗余网络结构如图4-45所示。分别配置环网A和环网B的环形冗余；配置环间冗余，将环网A中的一台SCALANCEXM408配置为StandbyMaster，另一台XM408配置为StandbySlave；通过博途软件配置S7-1200，包括需要监控的变量；依据如图所示网络结构图连接网络结构；完成通讯测试：将StandbyMaster对应端口断开，检查StandbySlave冗余通信线路是否自动激活，并将S7-1200中的数据通过第一个环网，传输到第二个环网，最终传输到上位机

具体实验步骤详见实验指导书

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第9次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第4章网络冗余技术 2

4.4PRP/HSR并行冗余协议和高可靠性无缝冗余协议

教学目标和要求

掌握PRP和HSR平行冗余协议基本原理

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

PRP和HSR平行冗余协议基本原理

熟练掌握平行冗余配置

教学难点

熟练掌握平行冗余配置

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、四台SCALANCE-XB-208工业交换机、两台SCALANCE-XM-408工业交换机，两台SCALANCEX204RNA交换机及网线若干。。

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

4.4PRP/HSR并行冗余协议和高可靠性无缝冗余协议

HSR/PRP全称分别为高可靠性无缝冗余（High-availabilitySeamlessRedundancy）与并行冗余协议（ParallelRedundancyProtocol）。最初，该标准主要目的是为了满足IEC61850-5中所提到的变电站自动化应用中各通信组件或服务故障所要求的恢复时间问题，但协议设计时的通用性，使得这两项协议能不仅仅适用于变电站的应用场景下，而是成为一项工业网络中的通用解决方案。HSR/PRP协议位于IEC62439其中的第3部分，即IEC62439-3，2008年第一版的协议中只有PRP协议，HSR协议是在2010年的第二版中才添加进去的。在应用场景上，HSR协议可以实现单环网，PRP协议可以实现双环网和双星网。下面我们介绍PRP协议的工作原理。

1.PRP协议基本概念

PRP协议在数据转发时，提供了两条不同的链路进行链路冗余备份，如图4-13所示。其中：

SAN（SinglyAttachedNode）表示单端口设备，不实现PRP功能。

DANP（DoublyAttachedNodeimplementingPRP）表示PRP的双端口设备，可直接发送PRP流量。

REDBOX（RedundancyBox）表示将SAN传入的流量转换成PRP流量发送出去的冗余盒。

PRP冗余机制主要依靠两个逻辑或物理独立的子网（网络A和网络B）分别传送相同的PRP数据帧来实现。

图4-13PRP协议网络拓扑图

2.PRP协议工作原理

发送方将原始数据帧A复制一份，并在两份数据帧中添加了特定字段RCT，形成PRP数据帧，即数据帧B和数据帧C，分别从自身的两个端口发送给网络A和网络B，最终都会到达同一个P接收方。接收方从两个端口分别接收到这两份带有PRP信息的数据帧后，会经过一系列的数据帧处理算法，依据“先来后到”的原则，将后到达的PRP数据帧丢弃，仅保留一份先到达的PRP信息数据帧，再将特定字段RCT去掉后，还原成原始的数据帧A，传递给上层。

3.PRP数据帧

PRP协议在设备的内部实现只是在标准以太网设备的介质访问控制MAC子层中增添了一个链路层冗余实体子层LRE（LinkRedundancyEntity），这个子层内部实现了PRP数据帧的产生和丢弃算法。协议在原始数据帧的基础上，增加了一个RCT（RedundancyControlTrailer，冗余控制体）字段，并针对这个字段进行一系列的处理，基于802.3标准以太网的PRP帧格式如图4-14所示.

8字节

6字节

6字节

2字节

46-1500字节

2字节

12位

4位

2字节

4字节

报头

目标地址

源地址

L/T

数据

帧序列号

载荷大小

子网ID

PRP

数据帧后缀

FCS

RCT字段

图4-14PRP帧格式

RCT字段由6个字节组成：

帧序列号（SequenceNumber）:16位，LRE对同一原始信息帧复制而来的PRP帧赋予相同的序列号，并会随PRP帧的发送而递增序列号的值。

载荷大小（LSDUsize）：12位，标识数据字段和RCT字段的总字节大小。

子网ID（LanId）：4位，仅有两个值可选，0xa、0xb，代表A、B两个子网

PRP数据帧后缀（PRPSuffix）：16位，固定为0x88fb

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实践讲解

4.5.5高可靠性无缝冗余配置

配置SCALANCEX204RNA将其中一台S71200配置成PROFINETIOController，另一台S71200配置成IODevice实现零秒切换通讯测试。网络拓扑如图4-52所示

具体实验步骤详见实验指导书

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

四、学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第10次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第5章路由技术

5.1路由基础

5.2静态路由

教学目标和要求

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；

4、熟练掌握子网配置及VLAN间路本地路由配置

教学重点

1、掌握路由、网关、路由表等基本概念；

2、静态路由基本概念；

教学难点

1、正确理解网关概念

2、正确理解静态路由概念

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

（1）1台电脑：已安装博途和PRONETA软件

（2）1台SIMATICS7-1200PLC

（3）1台SIMATICKTP700HMI面板

（4）2台SCALANCEXB-208第2层工业交换机

（5）2台SCALANCEXM-408第3层工业交换机

（6）网线若干

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

点评上周作业情况

询问个别同学作业情况

第5章路由技术

5.1路由基础

5.1.1路由功能概述

1.路由器的主要功能

确定发送数据包的最佳路径

将数据包转发到目的地。

2.网关与下一跳地址

教师讲解

利用举例讲解网关与下一跳概念

5.1.2路由表

1.路由表的信息构成

（1）直连路由。

（2）远程路由。

2.度量

5.1.3第三层交换技术

教师讲解

5.2静态路由

5.2.1静态路由概述

静态路由优势：

（1）静态路由不通过网络通告，从而能够提高安全性。

（2）静态路由比动态路由协议使用更少的带宽，且不需要使用CPU周期计算和交换路由信息。

（3）静态路由用来发送数据的路径已知。

静态路由缺点：

（1）初始配置和维护耗费时间。

（2）配置容易出错，尤其对于大型网络。

（3）需要管理员维护变化的路由信息。

（4）不能随着网络的增长而扩展；维护会越来越麻烦。

（5）需要完全了解整个网络的情况才能进行操作。

5.2.2默认路由

教师讲解

5.5本章实训

5.5.1VLAN间路由配置

部署设备并连接构建网络拓扑，然后需要在两台SCALANCEXB-208二层交换机上完成VLAN基础配置，将PLC加入到VLAN10中、将HMI加入到VLAN20中，通过在三层交换机SCALANCEXM-408上配置路由功能，最终实现PLC和HMI两个不同VLAN设备间的通信。

教师讲解实验原理，关键配置

实验步骤，详见实验指导书

学生动手完成实验4-1

教师记录实验成绩

5.5.2静态路由配置

利用工业以太网线缆，按照如图5-23所示的网络逻辑拓扑图将2台SCALANCEXM-408第3层交换机、1台S7-1200PLC和上位机连接起来。第一个SCALANCEXM-408的P4端口与S7-1200PLC的以太网端口相连、P5端口与第二个SCALANCEXM-408的P1端口相连，第二个SCALANCEXM-408的P8端口与上位机相连。为每一台设备配置所属网络的IP地址，通过在2台SCALANCEXM-408上配置静态路由实现PLC和上位机之间的通信。

教师讲解实验原理，关键配置，学生动手完成实验4-2

教师记录实验成绩

实验步骤，详见实验指导书

学生动手完成实验4-2

教师记录实验成绩

实验室整理

第11次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第5章路由技术

5.3动态路由

5.4VRRP虚拟路由冗余

教学目标和要求

1、掌握动态路由原理；

2、理解OSPF路由协议的工作过程；

3、理解VRRP协议的工作过程；

教学重点

1、掌握路由、网关、路由表等基本概念；

2、掌握动态路由基本概念

3、理解VRRP协议基本概念

教学难点

1、掌握在SCALANCEXM-408上实施OSPF协议的配置方法

2、掌握在SCALANCEXM-408上实施VRRP协议的配置方法。

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

（1）1台电脑：已安装博途和PRONETA软件

（2）1台SIMATICS7-1200PLC

（3）1台SIMATICKTP700HMI面板

（4）2台SCALANCEXB-208第2层工业交换机

（5）2台SCALANCEXM-408第3层工业交换机

（6）网线若干

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

点评上周作业情况

询问个别同学作业情况

5.3动态路由

5.3.1动态路由概述

1.动态路由的特点

与静态路由相比，动态路由具有如下特点：

（1）无需管理员手工维护，减轻了管理员的工作负担；

（2）会占用一定网络带宽、CPU及内存资源；

（3）在路由器上运行路由协议，使路由器可以自动根据网络拓朴结构的变化调整路由条目；

（4）适合网络规模大、拓扑复杂的网络。

2.动态路由协议概述

动态路由协议的用途包括：

（1）发现远程网络，选择通往目标网络的最佳路径；

（2）维护最新路由信息，当前路径无法使用时找出新的最佳路径

动态路由协议按照其应用范围通常分为两大类

（1）内部网关协议（InteriorGatewayProtocol，IGP）

（2）外部网关协议（ExternalGatewayProtocol，EGP）

自治系统

教师讲解

5.3.2RIP动态路由协议

1.RIP协议的度量

2.RIP路由更新过程

当路由器在完成配置后的协议初始化阶段，各自的路由表中只有直连链路的相关路由信息。

经过一段时间，到达路由更新周期后，三台路由器之间开始执行第一次完整的路由表更新

再经过一个路由更新周期，各路由器发起第二次路由更新，同样的，将各自完整的路由表广播发送给邻居路由器

利用图分析协议的度量及RIP路由更新过程

5.3.3OSPF动态路由协议

1.OSPF协议术语

（1）路由器ID（RouterID）

（2）邻居表

（3）链路状态数据库（LSDB）

（4）LSA和LSU

（5）DR和BDR

（6）区域

2.OSPF协议工作过程

（1）建立邻接关系

（2）数据库同步

（3）路由选择

（4）路由维护

3.多区域OSPF

多区域OSPF的主要优点是：

（1）路由表减小。一个区域内部的路由表条目减少，同时可以汇总区域之间的网络地址。

（2）链路状态更新开销减少。LSU更新信息只需在区域内部传递。

（3）SPF重计算次数减少。只有本区域内发生拓扑变化时才会启动SPF重计算最佳路由。

教师讲解概念，利用图讲解多区域OSPF

5.4VRRP虚拟路由冗余

5.4.1VRRP概述

VRRP虚拟路由冗余协议（VirtualRouterRedundancyProtocol，简称VRRP）

5.4.2VRRP中路由器的角色

1.VRRP路由器和虚拟路由器

2.主路由器和备份路由器

5.4.3VRRP工作原理

如果主路由器R1出现故障

教师利用图片讲解工作原理

5.5.3OSPF动态路由配置

本实验拓扑如图5-34所示，网络拓扑区域划分为：Network1在Area1中；Network2在Area0中；Network3在Area2中。Network1中的上位机与交换机SCALANCEXM408（A）的P1端口连接；Network2分别与SCALANCEXM408(A)和SCALANCEXM408(B)的P8端口连接（此实验通过交换机SCALANCEXB208构成Network2）；Network3中的S7-1200(B)与交换机SCALANCEXM408(B)的P1端口连接。

在本实验中SCALANCEXB208第2层交换机只用于设备互连，不需要附加任何配置。通过在2台SCALANCEXM-408上配置多区域OSPF动态路由实现三个网络中的PLC和上位机之间的通信。

教师讲解实验原理，关键配置

实验步骤，详见实验指导书

学生动手完成实验4-3

教师记录实验成绩

本实验拓扑如图5-51所示，使用两台SCALANCEXM408第3层交换机构建冗余拓扑，通过配置VRRP协议形成虚拟路由器，让两台三层交换机分别承担起主、备路由器的角色，保证两端PC间的可靠数据通信。二层交换机XB208-A和XB208-B仅用于网络连接，不需要做任何附加配置。

教师讲解实验原理，关键配置，学生动手完成实验4-2

教师记录实验成绩

实验步骤，详见实验指导书

学生动手完成实验4-4

教师记录实验成绩

实验室整理

第12次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第6章NAT网络地址转换

6.1NAT原理

6.1.1专用私有地址

6.1.2网络地址转换

6.2利用西门子三层交换机实现NAT

6.2.1静态地址转换（NATStatic）

教学目标和要求

掌握静态地址转换基本原理

熟练掌握NAT静态地址转换配置

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

网络地址转换

NAT静态地址转换配置

教学难点

NAT静态地址转换配置

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、四台SCALANCE-XB-208工业交换机、两台SCALANCE-XM-408工业交换机，两台SCALANCEX204RNA交换机及网线若干。。

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

第6章NAT网络地址转换

NAT（NetworkAddressTranslation，网络地址转换）是一种广域网（WAN）的技术，用于将私有地址转换为共有IP地址，被广泛应用于各种类型Internet接入方式和各种类型的网络中。NAT不仅能够有效地隐藏并保护网络内部的计算机，避免外部网络攻击，还能够在IP地址分配不理想、不足的时候，有效、合理化地分配IP地址，从而能够进行互联网访问。

6.1NAT原理

6.1.1专用私有地址

类

地址范围

A

-55

B

-55

C

-55

假设公司A和公司B都在使用网络/8。在公司A中，一个内部用户A想访问公司B的一台服务器C，此时就会出现问题：两个网络都在使用网络/8，并都使用了相同的地址，这两个网络不能彼此通信，如图6-1所示。

有两种方法可以解决这个问题：

（1）将两个网络中的一个（或两个）重新分配地址；

（2）使用地址转换。

6.1.2网络地址转换

网络地址转换（即NAT）是IETF（InternetEngineeringTaskForce，Internet工程

任务组）提出的RFC1631标准，可以将数据包中的地址信息从一个地址转换为另一个地址。

1.需要使用NAT的情况

以下情况可能需要使用NAT：

（1）申请的公有IP地址数量不足以分配给所有的设备；

（2）正在更换服务提供商，新服务提供商不再支持旧的公有地址空间；

（3）需要连接两个使用相同地址空间网络；

（4）正在使用给别人分配的公有IP地址；

（5）想要实现负载平衡，用一个虚拟IP地址来代表多个设备；

（6）想要对进出网络的流量进行更好的控制，隐藏内部网络结构，保护内部网络。

2.NAT的优缺点

1）NAT的优点

2）NAT的缺点

6.2利用西门子三层交换机实现NAT

三种地址：内部本地地址、内部全局地址和外部地址

内部本地地址：分配给内部网络中某个设备的实际IP地址，外部网络无法访问该地址。

内部全局地址：可供外部网络访问内部设备的IP地址

外部地址：分配给外部网络中某个设备的实际IP地址。

6.2.1静态地址转换（NATStatic）

我们通过一个例子来展示静态地址转换的工作原理，在内部网络中有3台PLC控制器，连接到SCALANCEXM408交换机上，并通过交换机访问外部网络。因此，在交换机上配置了2个虚拟专用网VLAN10和VLAN20，VLAN10是内部私有网络，VLAN20连接外部公共网络。为了隐藏内部网络结构，在VLAN20端口配置静态地址转换，NAT静态映射表格如图6-3所示。

当工作站访问PLC1时，工作站发出的数据包目的IP地址应为PLC1的内部全局地址，数据包经过交换机后，目的IP地址被转换成内部本地地址。当响应数据包返回时，源地址为PLC1的内部本地地址，经过交换机后，源地址为PLC1的内部全局地址，如图6-4所示。

静态地址转换的优点是映射关系固定，适用于需要对外提供服务的设备，如Web服务器、邮件服务器等。可以实现一对一的映射，确保外部网络可以直接访问特定设备。缺点也是显而易见的，对于全局IP地址资源不足时，静态NAT会浪费IP地址资源，因为每个设备需要一个独立的映射IP地址。

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实践讲解

NAT静态地址转换配置

在图6-9网络中网段和网段属于内网，网段属于外网。内网中PLC1和PC2在访问外网设备时需要提供地址保护，地址转换如表6-2所示，使得PC3不知道PLC1和PC2的内部实际地址。

表6-2静态地址转换表

转换接口

内部本地地址

内部全局地址

VLAN10

VLAN10

具体实验步骤详见实验指导书

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

四、学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第13次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第6章NAT网络地址转换

6.2.2动态地址转换（Pool）

6.2.3网络地址端口转换（NAPT）

教学目标和要求

掌握静态地址转换基本原理

熟练掌握NAT静态地址转换配置

培养学生具备需求分析的能力

培养学生耐心、细致和认真的工作精神

教学重点

网络地址转换

NAT静态地址转换配置

教学难点

NAT静态地址转换配置

教学方法

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

使用媒体资源

eq\o\ac(□,√)纸质材料eq\o\ac(□,√)多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

多媒体计算机、投影机

两台安装有博途软件的电脑、两台S7-1200PLC、四台SCALANCE-XB-208工业交换机、两台SCALANCE-XM-408工业交换机，两台SCALANCEX204RNA交换机及网线若干。。

作业练习

课

后

记

（空白不够可添加附页）

教学内容（板书）

教学步骤、方法及

学生活动

教学管理：点名记录考勤，上交手机

一、实验室安全

〖实训室日常安全措施〗

1、不要随意更换鼠标和键盘，机器使用有问题请及时向老师反映。

2、严禁在实训室吃各种食物，请将水杯拧紧放好，注意不要将水泼洒在键盘上。

3、未经允许不得随意使用实训室电源给手机充电或使用其他电子设备。

4、发现有安全隐患的电子设备应及时报告老师，不要擅自动手。

5、下课后请整理好桌面杂物、将机器正常关闭后再离开。

6、每天课后安排2名学生整理实训室，打扫卫生、关闭电源、关好门窗。

引导学生了解整个课程的教学设计；了解这个课程的组成要素和实施要求

二、理论讲解

6.2.2动态地址转换（Pool）

动态地址转换是一种网络地址转换技术，它允许多个内部网络设备共享一组全局IP地址，从而在内部网络和外部网络之间建立映射关系。在动态地址转换中，内部网络的本地IP地址按需映射到一组可用的全局IP地址中的一个。这种映射是动态的，根据通信会话的需求动态创建和删除。动态NAT适用于大量设备共享一组全局IP地址的情况。

下面通过一个例子来看一下动态地址转换是如何工作的。如图6-5所示，内部3台PLC有使用外部服务器的需求，但是全局地址只有1个，需要将内部网络/24使用动态地址转换将本地IP地址转换为全局IP地址00来连接Internet。

6.2.3网络地址端口转换（NAPT）

端口转发可以让用户通过Internet访问内部网络上使用私有IP地址的专门设备，而且可以使用不同的端口号。

理论部分以教师讲授为主要形式

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明

三、实践讲解

NAT静态地址转换配置

在图6-9网络中网段和网段属于内网，网段属于外网。内网中PLC1和PC2在访问外网设备时需要提供地址保护，地址转换如表6-2所示，使得PC3不知道PLC1和PC2的内部实际地址。

表6-2静态地址转换表

转换接口

内部本地地址

内部全局地址

VLAN10

VLAN10

具体实验步骤详见实验指导书

教师边讲解边进行实物展示

学生可以提问，由教师进行进一步的解释和说明。

四、学生实践

根据实验指导书完成实训

学生进行分组实验。

五、实验室整理

点名

实验室卫生

第14次课程教学方案

备课时间

备课教师

教学时间

年月日

教学地点

周次

课时数

4

教学内容（章、节）

模块/单元

第7章工业无线通信技术（1）

7.1工业无线通信技术概述

7.2工业无线网络设备

实训任务1西门子SCALANCEW工业无线设备的基本配置

教学目标和要求

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

教学重点

工业无线网络设备、工业无线AP和无线客户端的基本配置

教学难点

工业无线AP和无线客户端的配置

教学方法

讲授法、直观演示法、实验法、小组讨论法等

使用媒体资源

√纸质材料√多媒体课件□网络资源□其他资源：

使用教具、设备、

设施等

PRONETA网络分析软件西门子工业无线设备

作业练习

完成电子版实训报告

课

后

记

教学内容（板书）

教学步骤、方法

及学生活动

1、无线局域网

WLAN为WirelessLAN的简称，即无线局域网。无线局域网是利用无线通信技术实现快速接入的以太网技术。主要在中短距离覆盖范围内承载高速数据业务，支持固定和移动接入。Wi-Fi是WLAN技术中一项关键技术，由“Wi-Fi联盟”所发布，其核心技术采用了电子电气工程师协会（IEEE）制定的802.11系列标准。

WLAN指的是基于IEEE802.11标准并兼容有线以太网的无线局域网络。因此，无线局域网通常被称为无线以太网。在PROFINETRT、EtherNet/IP或Modbus/TCP等基于以太网的自动化网络中，通过WLAN可无线集成自动化设备。

2、工业无线局域网技术简介

工业无线局域网（IndustrialWirelessLocalAreaNetwork，简称IWLAN），是一种基于无线电技术，用于工业现场和设备之间传输数据的网络。它可以提供无线通信传输，代替传统的有线网络，节省了设备布线和设备移动的时间。

相比较于传统的有线网络，IWLAN具有以下优点。

1）高灵活、易使用

使用无线技术后，现场设备摆脱了电缆的束缚，从而增加了现场仪表与被控设备的可移动性、网络结构的灵活性以及工程应用的多样性，用户可以根据工业应用需求的变化快速、灵活、方便、低成本地重构工业系统。

2）高可靠、易维护

在有线系统中，绝大部分系统故障是由电缆或电缆的连接器件损坏而引发的，其维护复杂度大、维护费用高。使用无线技术将彻底杜绝此类故障的发生。工业无线设备可以采用电池供电，利用定时休眠等方法，可持续工作数年以上，维护成本极低。

3）数据传输稳定

IWLAN通常使用射频技术和认证协议确保稳定且安全的数据传输。这使得工业场景中的大型数据传输变得轻松且更加可靠。

4）成本降低

因为无线设备的安装和维护成本低于有线设备，因此IWLAN的