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发表人：西门子 |
发表时间：2013/2/28 8:15:00 |
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| 本栏论题： |
工业以太网交换机选型指导 [4115] |
随着自动化技术的不断发展，工业以太网在自动化系统中扮演着越来越重要的角色。ARC的统计报告中指出，工业以太网设备在2009年将超过600万台。工业以太网交换机作为构建系统网络的硬件设备，决定了工厂自动化网络对连接设备所提供的服务性能水平。
在目前市场上，工业以太网交换机的品牌繁多，类型复杂。如何选择最适合用户现场需求环境的工业以太网产品成为构建高效、可靠的自动化网络的关键。在这里，我们基于可靠性、实时性、安全性、兼容性几点给出一些建议。
一、可靠性可靠性可靠性可靠性
在工业现场环境中，可靠性毫无疑问是最重要的一点。工业自动化网络可以通过提高网络设备的硬件条件以及网络结构两点来提供更加可靠的通讯链接。从硬件角度来讲，我们需要考虑的因素有： 设备硬件对工作环境的耐受力：诸如工作温度范围、EMC电磁兼容性、安装以及供电方式等。
工业以太网设备区别于商用以太网设备，一般都采用更加适合现场机柜安装的紧凑设计与导轨安装方式。为了避免因旋转件故障造成的设备损坏，还应当选择无风扇设计的硬件设备。在产品的参数描述中，应当具有关于工作温度范围、电磁兼容性的详细描述。并附有相关准入标准的证明。
相关行业组织所能提供的认证及标准。
在不同行业的现场应用环境中，应当注意选择的设备应具有相应行业组织给出的认证。例如在船舶行业的应用中，就应当选择具有各国船级社或海事协会给出认证的产品；在煤矿行业应用中，选用的交换机就应当拥有危险场合应用的认证，并需通过我国矿用产品安全标准。即使一般工业环境下应用的产品，也应当符合UL508工业设备安全认证标准，而不是与商用网络一致的UL60950信息设备安全认证标准。
选择可靠稳定的硬件后，我们同时应注意从以下两点考虑进行筛选：
交换机所能提供的各种冗余方式：包含环网、其他工业冗余协议以及与商用网络兼容的RSTP协议等。
在现场层，工业以太网交换机更多用于端口扩展的连接，用户并不需要使用冗余功能，一般选用硬件可靠的非网管型交换机即可。
在控制层，为了提供更加可靠的网络，我们通常需要选择能够提供诸如HSR冗余环网的设备。在网络和网络间交换机需要支持Standby方式进行冗余连接。或者在与ERP网络连接时，工业以太网交换机也需要兼容RSTP等冗余协议。使用网管型或增强网管型交换机可以有效的提供此类冗余协议，并提供直观快速的管理手段。
快速的故障诊断与恢复：包含不同网络管理方式，以及快速配置恢复手段等。
一般意义的网管型交换机都支持SNMP简单网络管理协议，但在工业现场应用中，为了更加快速有效的进行诊断。工业以太网交换机还应当具有与应用环境相适应的工业协议诊断手段。比如用于构建PROFINET的工业以太网交换机，在支持一般意义网络管理的手段基础之上，还可以作为PROFINETIO被STEP7软件进行组态和诊断。使用户可以更加快速地在管理PLC等设备的平台上，对交换机的端口状态、冗余状态等情况进行观察。
为了尽量缩短故障停机时间，不但应当拥有对交换机各种连接状态、设备性能完整的监视手段。用户还应当可以使用各种恢复手段，对交换机的配置进行保存或重载。这一功能可以通过如C-PLUG存储卡或网络管理中的远程配置保存来实现。
二、实时性实时性实时性实时性
早先在自动化领域中，以太网得不到认可便是因为其实时特性较差。随着交换式以太网的出现，全双工通讯使以太网的实时性能大大提高。在提供了可靠连接的基础上，工业以太网设备良好的实时性同样重要。
在不同的应用环境中，系统可以忍受的响应时间与抖动大不相同。自动化网络中的数据帧在从一台设备转发至另一台设备的每次过程中都会产生一定延时。因此，选择工业以太网交换机首先需要考虑的是交换机对于数据帧转发过程中的端口时延。
在标准的工厂自动化控制系统中，系统可以容忍的响应时间不超过10毫秒，为了控制数据帧从系统顶端到底部的累积时延，选择交换机时，应当注意交换机端口时延这一数值的不应当超过10微秒。
如果是应用于运动控制领域，系统对实时特性的要求大大提高，响应时延要求小于1毫秒，抖动误差不得超过1微秒。这时可选择的交换机范围缩小，最好选用具有ProfinetIRT功能的等时同步实时交换机。在无法使用IRT功能的情况下，至少应当选用具有IEEE1588精确同步功能的设备，通过同步时钟来实现软实时。
三、兼容性及安全性兼容性及安全性兼容性及安全性兼容性及安全性
工业以太网与现场总线相比，其最大好处就在于开放透明。工业以太网交换机兼容常规的以太网通讯，并可以适应各种特殊的工业以太网标准。
首先。工业以太网交换机以及其他工业以太网的组件都应当是可以使用标准的TCP/IP协议进行通讯的。无论任何情况下，工业以太网设备与商用以太网设备间不应存在任何不兼容问题。
其次，对应不同的工业现场总线解决方案，工业以太网设备应当具有相应的能力与其兼容。例如在使用PROFINET标准的工业以太网中，交换机应当可以作为PROFINETIO被诊断，并支持NRT、RT、IRT等不同种实时通讯要求，转发各类的数据包。为了支持这一功能，交换机内部需要使用专门的PROFINET芯片，选型时需要加以区别。再比如Ethernet/IP协议中，要求隐式报文传送的工程中使用IGMPSnooping功能，在这一标准中使用的工业以太网交换机则必须具有此功能。
现阶段各厂家工业交换机组件环网的协议并不相同，为了进行扩展与兼容性考虑，用户还应当选用具有MRP介质冗余环协议的设备，为未来的网络扩建工作打好基础。这一协议对环网协议进行了标准化，允许不同品牌的设备连接在一起组成环网。
由于以太网的开放性，在组建自动化网络的过程中，我们不得不考虑到网络安全这一因素。在选用设备的时候，用户应当选择具有VLAN功能的交换机，便于网络的功能划分。通过VLAN划分，我们可以基于功能对网络内的设备进行分组隔离，避免人为的恶意破坏或者误操作。同时用户可以使用交换机中的802.1x功能对需要接入网络的设备进行授权许可，以此来区别合法用户与非法用户。
或者，在网络的关键部位，用户可以选择使用专业的工业以太网安全模块来实现各种安全策略。这一模块包含了认证以及信息过滤等各种功能，甚至还通过安全模块和SOFTNET客户机配合可以实现VPN等各种复杂的安全功能。
四、其他
根据实际应用的需求，选择工业以太网交换机时还需要注意其他一些常用的功能。例如区别不同业务数据优先级的QoS优先级队列，或者为了便于网络故障诊断的端口镜像功能等。但需要一定注意的是，并不是具有越多功能的交换机就一定适用于每种应用环境。例如像路由功能等，往往会破坏数据传输的优先级标签和实时性。在控制层甚至现场层使用大量的三层交换机会大大提高成本，同时也破坏了工业以太网的应用特性。用户应当按照需求选择适当的功能购买合适的设备，避免不必要的浪费。
我们使用西门子工业以太网交换机举例说明。
在现场层面中，工业交换机只需要提供端口连接，完全没有必要使用复杂功能的网络设备。在西门子工业以太网交换机中，选择SCALANCEX005/X100即可。
在控制层，一般需要选用支持环网功能的网管型交换机组建冗余环网，提供有效的诊断方式。这时，需要应用到SCALANCEX200交换机。
对于各个控制单元的连接，可以使用增强网管型交换机提供冗余连接并进行VLAN划分，这一功能应当通过SCALANCX300交换机来实现。当需要与信息层网络连接时，才应当使用SCALANCEX400三层交换机这样功能复杂的设备。
同时在选择交换机的过程中，用户也应当根据传输距离、传输带宽等一些基本要求，选择适当的双绞线或光纤接口。在连接视频终端、无线基站等一些设备时，为了布线方便可以选用具有PoE以太网供电功能的交换机。这些要求比较直观，只需要在选型时注意一下相应指标即可，在此就不详细讨论了。另外，如果遇到移动设备或一些不便于铺设电缆的特殊场合，用户还应当考虑使用无线工业以太网设备。区别于有线网络，这其中需要考虑到其他的一些复杂因素，需要单独讨论。
基于上述几点的建议，我们讨论了工业以太网交换机的应用特性，以及在不同场合下的应用的设备类型。由于各种品牌的工业以太网交换机在设备命名规则上差异较大，因此在选购前最好向供应商进行咨询，以选择适合的产品。西门子工业以太网交换机相关信息可以通过技术热线进行咨询，也可以通过阅读西门子工业以太网交换机选型手册或《西门子网络交换机应用指南》来进行详细了解。 |
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