什么樣的工業(yè)以太網(wǎng)交換機才最適合你的工廠目前的應(yīng)用呢？這的確是件令人困擾的事情，因為需要考慮諸多因素，例如工作環(huán)境，是否需要冗余，網(wǎng)管和非網(wǎng)管型，未來的維護和擴展性等等。因此這里給出了如何選擇工業(yè)以太網(wǎng)交換機的一些建議。
工業(yè)以太網(wǎng)交換機用于連接以太網(wǎng)設(shè)備。它首先接收由某臺設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，然后再將這些幀傳送到與其它以太網(wǎng)設(shè)備相連的適當(dāng)交換機端口上。隨著它傳送這些幀，它會學(xué)習(xí)并掌握以太網(wǎng)設(shè)備的位置，并用這些信息來決定該用哪些端口來傳送幀。這有助于減少網(wǎng)絡(luò)占用率。
根據(jù)ARC的一項調(diào)查——工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備市場調(diào)查中涉及了全球工業(yè)以太網(wǎng)交換機市場，預(yù)測其未來3年的復(fù)合年增長率為49.9%。2004年全年工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備為84萬套（臺），至2009年將達到670萬套（臺）。
什么樣的工業(yè)以太網(wǎng)交換機才最適合你的工廠目前的應(yīng)用呢？這的確是件令人困擾的事情，因為需要考慮諸多因素，例如工作環(huán)境，是否需要冗余，網(wǎng)管和非網(wǎng)管型，未來的維護和擴展性等等。作為全球領(lǐng)先的工業(yè)以太網(wǎng)交換機供應(yīng)商，赫斯曼公司的中國區(qū)首席代理胡俊博士首先為我們勾畫了選擇工業(yè)以太網(wǎng)交換機前的幾點準(zhǔn)備。
選購前的思考
選購前需要考慮的因素有：
■ 工作環(huán)境方面的考量：包括溫度范圍、EMC電磁兼容性、防護等級、安裝方式和電源等。工業(yè)以太網(wǎng)交換機設(shè)計用于那些不適合商用交換機的環(huán)境，例如具有極限溫度、高振動以及強電磁噪聲的環(huán)境。
■ 選用網(wǎng)管型還是非網(wǎng)管型交換機：如果 網(wǎng)絡(luò)比較簡單，可以選用即插即用的非網(wǎng)管型交換機；如果為了將來維護方便，可能需要選用網(wǎng)管型，只有網(wǎng)管型交換機才能做到環(huán)型的拓?fù)溥B接。
■ 還需要滿足相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：比如船用的交換機應(yīng)符合船結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)；如果是危險場合的應(yīng)用，則要符合相應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)；軌道交通和公路等交通行業(yè)也有自己的標(biāo)準(zhǔn)。
在三個基本點之外，西門子公司工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理李凱先生談到：“目前設(shè)備的智能性越來越高，調(diào)試對于技術(shù)人員相對簡單，但對工廠的操作人員和維護人員來說有時并不是一件容易的事情。在系統(tǒng)集成商交付系統(tǒng)之后，為了保證維護人員在不具備know-how的情況下依然能夠完成設(shè)備的維護，設(shè)備的選購步驟起著至關(guān)重要的作用。選擇網(wǎng)管型交換機時，最好選取具備某種參數(shù)保護功能的交換機，能夠把其中的參數(shù)備份，如果發(fā)生了故障，當(dāng)更換了新的設(shè)備之后，能把保存的數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入到新的交換機中，簡化了現(xiàn)場維護人員的工作。當(dāng)然，一般用戶還要對聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量做出一個粗略的估算，交換機應(yīng)具有足夠的地址存儲空間來存儲網(wǎng)絡(luò)上的每臺設(shè)備?！?BR> 網(wǎng)管與非網(wǎng)管型
在選擇一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機時的一個關(guān)鍵問題是，選擇網(wǎng)管型交換機還是非網(wǎng)管型交換機。雖然網(wǎng)管型交換機通常較貴，但它提供了一些額外的強大功能。網(wǎng)管型交換機包含了非網(wǎng)管型交換機的特性。
科動公司的技術(shù)經(jīng)理George J. Karones先生說：“網(wǎng)管型交換機一般都支持簡單網(wǎng)管協(xié)議（SNMP），當(dāng)然，大多數(shù)網(wǎng)管型交換機還不只具有這點（SNMP）特性。基本上講，網(wǎng)管型交換機使你能對網(wǎng)絡(luò)進行控制，而非網(wǎng)管型交換機則通常只允許以太網(wǎng)設(shè)備進行通信。網(wǎng)管型交換機還使你能對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)視。通過SNMP，你能查看各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，包括收/發(fā)的字節(jié)數(shù)、收/發(fā)的幀數(shù)、錯誤數(shù)與端口狀態(tài)等。所有這些都能逐個端口查看?！?BR> 網(wǎng)管型交換機還具有一些能提高你網(wǎng)絡(luò)控制能力的高級特性。像服務(wù)質(zhì)量(QoS)、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、端口鏡像、IGMP Snooping、冗余與SNMP等特性，通常都只有網(wǎng)管型交換機才有。”Moxa公司大中華區(qū)業(yè)務(wù)經(jīng)理蔡中興先生提到，大多數(shù)網(wǎng)管型交換機具備的高級特性有：
■ QoS是交換機向特定數(shù)據(jù)幀運用高優(yōu)先級的能力。
■ VLAN允許交換機將設(shè)備邏輯分組，且即使所有設(shè)備都共用一臺物理交換機，也能隔離這些設(shè)備組之間的流量。
■ 端口鏡像允許用交換機的一個端口來監(jiān)視由交換機的一個或多個端口所發(fā)送或接收的流量。這種特性方便對通訊數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，是以太網(wǎng)常用的故障查找方法。
■ IGMP Snooping可自動將組播幀只發(fā)給那些請求這些幀的設(shè)備，這能防止組播幀發(fā)往那些未請求這些幀的設(shè)備。
■ SNMP就是簡單網(wǎng)管協(xié)議，它允許網(wǎng)管應(yīng)用程序以標(biāo)準(zhǔn)方式和交換機通信，請求狀態(tài)信息及設(shè)置配置等。有些供應(yīng)商還提供可將SNMP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HMI系統(tǒng)中所使用的OPC數(shù)據(jù)的網(wǎng)管程序。
■ 環(huán)網(wǎng)冗余是網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機的常見特性。很多工業(yè)交換機廠商都創(chuàng)建了他們自己的專用環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議，例如西門子的Fast Redundancy Ring和Moxa的Turbo Ring，恢復(fù)時間少于300ms；赫斯曼的HIPER-Ring（HIGH PERFOMANCE Ring），保守估計的最大恢復(fù)時間是500ms；東土電信的DT-Ring，恢復(fù)時間不受節(jié)點數(shù)量的影響。
在某些情況下，工業(yè)設(shè)備廠商或工業(yè)協(xié)議只需要網(wǎng)管型交換機上的特性。Karones說：“例如，一些Ethernet/IP供應(yīng)商就建議使用支持IGMP Snooping的交換機，目前Rockwell Automation宣布有100萬個Ethernet/IP設(shè)備已經(jīng)出貨。另外，有些交換機供應(yīng)商可能還會建議你采用能支持QoS或VLAN的交換機?！焙∫蔡岬剑骸耙话愕囊蕴W(wǎng)協(xié)議，例如Ethernet/IP、Profinet和Modbus TCP等都建議工業(yè)以太網(wǎng)交換機具備全雙工方式，端口鏡像和IGMP Snooping三大功能?！?BR> 談到其它功能時，李凱說：“西門子的交換機還提供了一定的路由功能，更加方便的解決現(xiàn)場遇到的問題。通常來說在小型的企業(yè)網(wǎng)中，這些功能是由單獨的路由器完成的?！薄白鳛楸就恋纳a(chǎn)廠商，東土能提供豐富的不同電壓等級的電源結(jié)構(gòu)，更適合中國國情。另外，客戶化是東土交換機所具有的最大特點?！睎|土電信產(chǎn)品總監(jiān)薛百華先生還提到了精確時鐘協(xié)議（PTP），“某些工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和軍事系統(tǒng)是對時間要求精度較高的精密系統(tǒng)，需要交換機具有同步時間源的功能。保證數(shù)據(jù)的傳輸不能有延遲或者在允許的延遲范圍之內(nèi)，交換機能夠?qū)r鐘進行自校正。記錄時鐘便于對歷史進行追憶，尤其是出現(xiàn)故障的時候，這種時鐘類似于網(wǎng)絡(luò)同步的概念?！?BR> 傳輸媒介方面，大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)通信都通過雙絞線進行，但有時也需要使用光纜。當(dāng)信號傳輸距離超過雙絞線所支持的100米時則需用光纜。多模光纖的通信距離能達2公里；單模光纖的通信距離可達到15公里。由于其通信不易受電或磁場的影響，因此光纜一般還用于高噪聲環(huán)境中。
實時性考慮
你需要考慮的另一個問題是，你的系統(tǒng)可接受哪種類型的響應(yīng)與抖動。如果我從一臺設(shè)備向另一臺設(shè)備發(fā)送一個幀，則最大響應(yīng)時間及最大可接受的抖動是多少？在處理數(shù)據(jù)幀時，大多數(shù)以太網(wǎng)交換機都采用存儲－轉(zhuǎn)發(fā)方式，這意味著先接收整個幀，然后再將其轉(zhuǎn)發(fā)。如果你將幾臺交換機級連，則每臺交換機存儲－轉(zhuǎn)發(fā)這些幀的時間會增加。而且，還需要加上交換機的少許內(nèi)部延時。
對于這個問題，胡俊說：“目前多種協(xié)議都有針對實時性問題的處理，像Ethernet/IP這樣的協(xié)議增加了IEEE 1588（用于聯(lián)網(wǎng)測量與控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議），來幫助確保以太網(wǎng)連接設(shè)備的實時性，同步的精度可達200個納秒，采購時可以選擇支持IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的交換機?！?BR> 菲尼克斯電氣AX產(chǎn)品市場經(jīng)理劉朝暉先生介紹道：“在運動控制領(lǐng)域要求很高，目前只有PROFINET在做深入的研究并且已經(jīng)有成型的技術(shù)和產(chǎn)品了。高速運行的設(shè)備需要采用Profinet IRT，比如包裝機、印刷機、塑料機等單機設(shè)備?！?BR> “工業(yè)以太網(wǎng)交換機在連接運動設(shè)備時會產(chǎn)生延遲的問題，比如說印刷設(shè)備，以50米每秒的速度走動的時候可能就模糊了，這個時候以太網(wǎng)可能會顯得有些力不從心。EPA為了保證實時性能，將某幾臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備劃分在一個微網(wǎng)段里，要求設(shè)備是智能的，比如連接的溫度傳感器是個智能傳感器，信息進行了轉(zhuǎn)換，直接通過以太網(wǎng)口送出，這就是東土的產(chǎn)品可以用到現(xiàn)場層的一個原因。像沈陽儀器儀表所、川儀、上儀等都已經(jīng)支持了EPA這樣的要求。其它的協(xié)議，例如Ethernet PowerLink則采用時分復(fù)用TDM的模式，保證了實時性?！毖Π偃A說。
兼容性問題
工業(yè)以太網(wǎng)和以往的現(xiàn)場總線相比，是個透明的協(xié)議，在交換機的使用中是否還需要顧慮兼容性呢？
李凱解釋道：“西門子PROFINET解決方案中的設(shè)備，比如計算機的兼容卡、交換機、還有底層的伺服設(shè)備，所具備的PROFINET接口具有很強的兼容性，兼容標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧，同時還可兼容RT，NRT和IRT協(xié)議，也就是說可以響應(yīng)設(shè)備通過TCP/IP方式的訪問，以及RT，IRT和NRT方式的訪問。相反的，即使是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機也可以轉(zhuǎn)發(fā)RT，NRT和IRT的數(shù)據(jù)包，因為這些數(shù)據(jù)包可以在標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)上傳輸，但是這種轉(zhuǎn)發(fā)是不對數(shù)據(jù)包進行識別的，也就失去了幀的優(yōu)先級特點。如果遠(yuǎn)程設(shè)備想要聯(lián)入Profinet網(wǎng)絡(luò)，需要使用特殊的芯片。我們已經(jīng)開發(fā)出了PROFINET芯片，提供給生產(chǎn)高性能設(shè)備的制造商，這是一種新技術(shù)，今后會有越來越多的參與者?！?BR> 胡俊說：“我們支持現(xiàn)在幾乎所有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，比如PROFINET，Ethernet/IP，Modbus TCP和Industrial IT等。大家都知道，以太網(wǎng)涵蓋了網(wǎng)絡(luò)中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，工業(yè)場合中，往往談到的是TCP/IP以太網(wǎng)。在三峽電廠的應(yīng)用里，我們還做到了對尋址方式采用非IP方式的支持。對于Profinet IRT，由于它的傳輸機理不同，使整個系統(tǒng)有很強的確定性，這就需要特殊的設(shè)備進行支持，我們將會推出新的IRT交換機，內(nèi)部裝有西門子提供的芯片。而且，提到兼容性的問題，還需要考察協(xié)議所必須的功能是否具備，比如Ethernet/IP協(xié)議，如果要求隱式報文傳送的時候就要開啟IGMP Snooping功能。”他還指出如果在控制層，信息層和現(xiàn)場層使用不同廠家的交換機，則需要考慮設(shè)備的互連通性和互操作性方面有沒有問題。比如，薛百華就提到：“通常情況下不同廠家交換機的冗余光口是不能互通的。”另外，專用環(huán)網(wǎng)協(xié)議也要求環(huán)網(wǎng)中的所有交換機都必須出自同一廠家。
在哪個層面中使用？
通常將工廠中的應(yīng)用劃分為信息層，控制層和現(xiàn)場層，工業(yè)以太網(wǎng)交換機應(yīng)該應(yīng)用在哪個層面中才能發(fā)揮最大的效能呢？
“現(xiàn)在存在一種整合性的概念，工業(yè)以太網(wǎng)交換機不再僅僅從外型上與商用交換機不同，應(yīng)用于那些不適合商用交換機的環(huán)境，它也開始在整個內(nèi)含上，即軟件支持上走向高端，所以它還可以支持商用等特殊功能的要求。對于安全性和軟件信息處理方面，工業(yè)用網(wǎng)管型交換機也可以滿足。所以用戶在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時，整體方案上需要做到優(yōu)化。MOXA的交換機，在信息層可以接受一般商業(yè)的RSTP冗余，在控制層又可以接受MOXA特有專利的Turbo Ring，所以為了滿足應(yīng)用的發(fā)展，MOXA的交換機往上可以用于信息層，往下在控制層可以繼續(xù)滿足快速的環(huán)網(wǎng)冗余?！辈讨信d說道。
“在PROFINET解決方案中，這三個層次均能找到相應(yīng)的產(chǎn)品。這是一個非常重要的改變，它把我們傳統(tǒng)的控制層和信息層中非實時性的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場層中的實時數(shù)據(jù)在一根網(wǎng)線上實現(xiàn)同時進行傳輸。對于一般的應(yīng)用來說，信息層的交換機我們往往做成單獨的一個網(wǎng)絡(luò)，控制層和現(xiàn)場層的網(wǎng)絡(luò)都采用工業(yè)以太網(wǎng)，相互之間使用冗余連接的方式相連，并且建議在信息層和控制層之間安裝防火墻?！崩顒P介紹說。
筆者了解到，赫斯曼和東土電信對于信息層，控制層和現(xiàn)場層也都提供了相應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機類型。
工業(yè)以太網(wǎng)供電
在2003年6月IEEE最終批準(zhǔn)了802.3af標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種允許通過以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時輸送DC電源的方法。它能安全、可靠地將以太網(wǎng)供電(PoE，Power over Ethernet)技術(shù)引入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中，最大能提供大約13W的功率，從而大大簡化了布線，降低了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本。
在PoE系統(tǒng)中，提供電源的設(shè)備被稱為供電設(shè)備PSE(Power Sourcing Equipment)，而使用電源的設(shè)備稱為受電設(shè)備PD(Powered Device)。PSE分為兩種類型：一種為“Endpoint PSE”，另一種為“Mid-span PSE”。Endpoint PSE是指支持PoE的以太網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過信號線對將標(biāo)稱48V的DC電源提供給PD。Mid-span PSE是用來將以太網(wǎng)供電功能添加到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，供電使用備用線對。
根據(jù)VDC的一項新的報告“PoE：全球市場發(fā)展機遇分析（PoE: Global Market Opportunity Analysis）”中估計，PoE PSE（供電設(shè)備，power sourcing equipment）在未來2年，即至2008年的復(fù)合年增長率將達到33%。并且預(yù)測，至2008年全球PoE供電設(shè)備（PD）市場將超過52億美元，復(fù)合增長率達到38%。
大家普遍看好PoE的應(yīng)用前景，多家公司的交換機也配備了PoE功能。有了這項技術(shù)，一般低壓設(shè)備的供電不再需要電源線，而僅需插入工業(yè)以太網(wǎng)電纜，減少了線纜數(shù)量，節(jié)約成本且便于使用。但是Karones、蔡中興和胡俊也指出了PoE實施中的難度，例如對于不同的企業(yè)的不同特色設(shè)備需要提供多種電源類型；如果現(xiàn)場已經(jīng)配備了電源供電線纜，沒必要改變現(xiàn)有的布線；而且PoE需要受電設(shè)備本身也支持這個協(xié)議，否則將不能使用，當(dāng)然還需要考慮可靠性和安全性等因素。
為將來著想
你如何來確定一個系統(tǒng)是否經(jīng)得起時間的檢驗?zāi)?？Karones舉例說：“一個小系統(tǒng)用一臺非網(wǎng)管型交換機連在一起。起初，這可能是一種可接受的情況。但隨著以太網(wǎng)設(shè)備的增加，系統(tǒng)開始變得日趨復(fù)雜，且越來越需要使用一臺網(wǎng)管型交換機。隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增加，使用一臺網(wǎng)管型交換機可能對你的系統(tǒng)起著越來越重要的作用，因為你能保留對網(wǎng)絡(luò)完全控制和監(jiān)視的能力。此外，隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增加，你可能還會發(fā)現(xiàn)QoS對確定幀的優(yōu)先級有用，因為此時你網(wǎng)絡(luò)上的流量負(fù)載會增加；你可能還想用VLAN來幫助隔離設(shè)備。將來，以太網(wǎng)協(xié)議可能需要用802.1p/802.1q這樣的QoS標(biāo)準(zhǔn)來幫助網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膸_到更高的優(yōu)先級。VLAN可用來隔離那些隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而對高級流量敏感的設(shè)備。擁有一臺帶有這些特性的交換機，有助于你的系統(tǒng)經(jīng)得起時間的檢驗。”
李凱談到：“工業(yè)以太網(wǎng)有的兼容性和可擴展性很好，我們迫于生產(chǎn)的需要系統(tǒng)往往不斷更新，因此在選擇一臺設(shè)備時不能選用剛好能用的設(shè)備，要為將來考慮。這種情況下模塊化的交換機是很好的選擇。它具有模組性能，增加接口時只需要接入新的拓展模塊，保證你的上次投資可以繼續(xù)增值。這種模組化交換機的軟件功能性是最強的，相應(yīng)的最新軟件可以到我們的網(wǎng)站下載，進行免費升級。”
現(xiàn)在就動手
雖然工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為主流應(yīng)用，但正如你所看到的，在購買工業(yè)以太網(wǎng)交換機時有很多因素需要考慮。以上我們討論了工業(yè)以太網(wǎng)交換機所具有的多項特性。由于目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定網(wǎng)管或非網(wǎng)管型交換機需要具備哪些特性，因此在選購中需要向交換機供應(yīng)商做進一步的了解。為了方便大家交流使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機中發(fā)生的各種問題，科動公司建立的IEU（工業(yè)以太網(wǎng)大學(xué)）提供了良好的平臺。
