智能制造工程设计与应用类赛项：信息化网络化方向（全国总决赛赛题）#

2025年8月

一、 工厂网络描述#

某工厂网络拓扑结构如图 1 所示。工厂包含两个工艺单元：工艺单元 1 和 工艺单元 2。 每个工艺单元各有 2 台 S7-1200 PLC，用于控制工艺单元内部生产加工操作，同时工艺单元 1 和工艺单元 2 之间也需要进行生产数据通信。

• 工艺单元 1：作为 PROFINET IO 控制器的 S7-1200 (A) 通过工业无线通讯系统和交换机，与作为 PROFINET IO 设备的 S7-1200 (B) 进行实时通信。
• 工艺单元 2：两个 S7-1200 生产工艺相同，为了便于管理，S7-1200 (C) 与 S7-1200 (D) 使用相同的 IP 地址。为了避免 IP 地址冲突，需要将工艺单元 2 中两个 S7-1200 的 IP 地址进行转换。工艺单元 2 通过有线或无线方式接入主干环网。
• 跨单元通信：工艺单元 1 中的 S7-1200 (B) 和工艺单元 2 的 S7-1200 (C) 需要进行生产数据通信。
• 控制中心：工程师站和 HMI 触摸屏 KTP700 (A) 通过交换机 XM408 (A) 接入生产主干环网。
• 信息安全：为了工业信息安全考虑，办公区域的网络与控制中心之间使用安全模块（S615）进行隔离。

网络拓扑结构文字描述 (以原图为准)#

【办公区】
远程维护PC (IP: 10.10.0.10/24)
      │
  [Port P8]
 [SCALANCE S615 (A)] (安全隔离模块)
  [Port P4]
      │
  [Port P1]
【控制中心】
KTP700 (A) (IP: 192.168.30.10/24) ──── [Port P2]      [Port P9] ──── 工程师站 (IP: 192.168.40.10/24)
                                          │          │
                                      [SCALANCE XM408 (A)] (主干环网交换机 / 冗余管理器RM)
                                       /               \
                                 [Port P4]           [Port P8]
                                   /                   \
                                  /                     \
                            [Port P1]                  [Port P5]
                        [SCALANCE XB208 (A)] ────── [SCALANCE XB208 (C)]
                           │ [Port P5]                 │ [Port P1]
                           │                           │
                           │                           │
                       [Port P1]                   [Port P1]
                  [SCALANCE XB208 (B)]        [SCALANCE XM408 (B)] 
                   /              \            /        │        \
             [Port P4]        [Port P8]  [Port P2]  [Port P6]  [Port P8]
               /                  \          /          │          \
         [SCALANCE W774 (A)]   S7-1200 (B) [S615 (B)] S7-1200 (D) [SCALANCE W734 (B)]
               : (无线)         (10.11/24) [Port P1]  (20.10/24)      : (无线)
         [SCALANCE W734 (A)]                 │                        :
               │                           [Port P4]                  :
          S7-1200 (A)                        │                        :
          (10.10/24)                   S7-1200 (C)                    :
                                        (20.10/24)                    :
                                                                      :
         W774 (B) 无线AP (连接至控制中心 XM408(A) 的 P7 旁路) ···········

注：在拓扑图和任务要求中，S7-1200 (B) 在图中的标注为 192.168.10.15/24，但在任务要求和评分项中实际要求配置为 192.168.10.11。实操中应以任务要求的 IP 为准。

二、 任务要求#

2.1 工厂网络规划#

进行合理的网络规划并进行 IP 地址和子网掩码的设置。

2.2 工艺单元 1 网络结构和功能的实施#

1. 对 S7-1200 (A) PLC 进行配置

• IP 地址设置：192.168.10.10/24
• 默认变量表配置：

• 通信与编程：进行 PROFINET IO 设置及 S7-1200 (A) 编程，将“准备装配”值实时传输给 S7-1200 (B)。

2. 配置无线网络

• 配置 IO 设备 S7-1200 (A) 与 XB208 (B) 交换机之间通讯的无线网络：使用 SCALANCE W774 (A) 和 W734 (A)。

3. 对 S7-1200 (B) PLC 进行配置

• IP 地址设置：192.168.10.11/24
• 默认变量表配置：

• 通信与编程：配置 PROFINET IO 接收 S7-1200 (A) 的数据，同时编写 S7 通信程序，将“装配完成”状态传输给 S7-1200 (C)。

2.3 工艺单元 2 网络结构和功能的实施#

1. 对 S7-1200 (C) 进行配置

• IP 地址设置：192.168.20.10/24
• 默认变量表配置：

• 通信与编程：接收 S7-1200 (D) 的“监测”值以及 S7-1200 (B) 的“装配完成”值；同时将“准备入库”传输给 S7-1200 (D) 的“入库”变量。

2. 对 S7-1200 (D) 进行配置

• IP 地址设置：192.168.20.10/24（注意：不可填写网关地址）
• 默认变量表配置：

• 通信与编程：接收 S7-1200 (C) 的“准备入库”变量值，并将自身的“监测”变量值传输给 S7-1200 (C)。

3. 配置工艺单元 2 中的信息安全模块 SCALANCE S615 (B)

• VLAN 20：将 P4 端口划分在 VLAN 20，网关地址为 192.168.20.1。
• VLAN 80：将 P5 端口划分在 VLAN 80，网关地址为 192.168.80.3。
• NAT & 防火墙：配置 NAPT 和防火墙功能。当控制中心的工程师站访问网关地址 192.168.80.3:端口号 时，能通过端口映射（DNAT）访问到 S7-1200 (C) 的 Web 界面，并能监控其变量状态。
• 路由/安全配置：确保 S7-1200 (C) 和 S7-1200 (D) 能够穿透安全模块进行 S7 通信。

2.4 构建生产主干网络#

• 配置交换机 XM408 (A)、XB208 (A) 和 XB208 (C)，使三个交换机形成 环形冗余网络（MRP）。
• 指定 XM408 (A) 交换机作为 冗余管理器 (RM)。

2.5 控制中心网络结构和功能的实施#

1. 配置 SCALANCE XM408 (A) 交换机

• P5 端口分配给 VLAN 40，网关：192.168.40.1，子网掩码：255.255.255.0。
• P2 端口分配给 VLAN 30，网关：192.168.30.1，子网掩码：255.255.255.0。

2. 配置工程师站

• IP 地址：192.168.40.10/24，网关：192.168.40.1。
• 监控功能：在 TIA Portal 软件中，能够在线监视工艺单元 1 中 S7-1200 (A) 和 S7-1200 (B) 的变量数值。

3. 配置 KTP700 (A) 触摸屏

• IP 地址：192.168.30.10/24 (属于 VLAN 30)。
• 拓扑组态：触摸屏组态画面需实时显示 XM408 (A)、XB208 (A)、XB208 (B)、XB208 (C)、XM408 (B) 组成的网络拓扑。
• 当某段通信线缆断开时，画面中对应线缆呈红色显示。
• 当通信接通时，画面中对应线缆呈绿色显示。

4. 配置 SCALANCE XM408 (B) 交换机

• P1 端口分配给 VLAN 50，网关：192.168.50.2，子网掩码：255.255.255.0。
• P4 端口分配给 VLAN 60，网关：192.168.60.2，子网掩码：255.255.255.0。
• P2 端口分配给 VLAN 80，网关：192.168.80.3，子网掩码：255.255.255.0。

5. 配置无线主干网络

• 配置 XM408 (A) 与 XM408 (B) 之间通信的无线网络：使用 SCALANCE W774 (B)（AP） 和 W734 (B)（Client）。

6. 配置安全模块 S615 (A) (办公区与控制中心隔离)

• VLAN 90：将 P5 端口分配给 VLAN 90，网关：10.10.0.1，子网掩码：255.255.255.0（连接办公区）。
• 防火墙策略：

1. 只允许 IP 地址为 10.10.0.10 的远程维护主机访问控制中心工程师站和工艺单元 1 的 S7-1200 (A)。
2. 严格禁止该远程维护主机访问工艺单元 1 中的 S7-1200 (B)。
3. 在远程维护主机的浏览器中输入 http://192.168.80.3:端口号，可以登录到工艺单元 2 中 S7-1200 (C) 的 Web 界面，且拨动 S7-1200 (C) 的 DI0 开关时，Web 界面上“准备入库”变量的状态能实时发生变化。

7. 配置远程维护主机

• IP 地址：10.10.0.10，子网掩码：255.255.255.0，网关由参赛队根据规划自行设置。

2.6 数据抓包#

• 为了分析不同协议下的数据传输速率，需抓取工艺单元 1 中的 PROFINET IO 通信数据及工艺单元 2 中的 S7 协议 通信数据。抓包使用的交换机和端口由参赛选手自定义。

三、 功能测试-网络拓扑实施评分表#

选手搭建的网络拓扑必须严格按照“图 1 网络拓扑结构图”连接。若不一致，在扣除对应分数后选手必须予以修改。若不修改，裁判可终止评分。

四、 功能测试数据抓包评分表#

选手应提前配置好交换机的镜像端口（Port Mirroring）或其他抓包手段。评分时仅允许更换抓包 PC 的连接端口和修改其 IP 配置。

五、 附录#

附录 1 —— 竞赛设备机架硬件分布图（图 2）#

决赛设备由两套并排摆放的机架组成，模块下方的标签代表其所属的网络区域：

• 左侧机架（包含控制中心及工艺单元 1）：

• 顶轨：无线模块 W774 (A)、安全模块 S615 (A)、主干网核心交换机 XM408 (A)。

• 中轨：触摸屏 KTP700 (A)、交换机 XB208 (A)、交换机 XB208 (B)。

• 底轨：无线客户端 W734 (A)、PLC S7-1200 (A)、PLC S7-1200 (B)。

• 最下方：S7-1200 (A) 操作面板、S7-1200 (B) 操作面板。

• 右侧机架（包含工艺单元 2 及主干网络右翼）：

• 顶轨：无线模块 W774 (B)、安全模块 S615 (B)、交换机 XM408 (B)。

• 中轨：交换机 XB208 (C)、交换机 XB208 (D)。

• 底轨：无线客户端 W734 (B)、PLC S7-1200 (C)、PLC S7-1200 (D)。

• 最下方：S7-1200 (C) 操作面板、S7-1200 (D) 操作面板。

附录 2 —— 使用 SCALANCE W774 / W734 进行无线抓包步骤说明#

1. 使能远程抓包：登录 SCALANCE W774 或 W734 的 Web 管理页面，进入 Interfaces -> Remote Capture。勾选使能有线接口 P1 或无线接口 WLAN 1。将 WLAN Capture Mode 设置为 Own Traffic。
2. 物理连接：将运行 Wireshark 的抓包电脑连接到能够 ping 通该 W774 或 W734 的交换机端口上。
3. Wireshark 接口配置：

• 在 Wireshark 菜单中依次点击：捕获 (Capture) -> 选项 (Options) -> 管理接口 (Manage Interfaces) -> 远程接口 (Remote Interfaces) -> 添加 (Add)。
• 在“主机 (Host)”栏输入无线模块的 IP 地址，在“端口 (Port)”栏输入 2002 (默认，不可修改)，点击确定添加。

4. 开始抓包：双击新添加的远程接口，即可开始实时捕获流经无线模块物理端口的全部报文。