工业以太网交换机选型攻略

发布时间：2006-07-19 作者：彭昭，CONTROL ENGINEERING China 技术编辑

　　什么样的工业以太网交换机才最适合你的工厂目前的应用呢？这的确是件令人困扰的事情，因为需要考虑诸多因素，例如工作环境，是否需要冗余，网管和非网管型，未来的维护和扩展性等等。因此这里给出了如何选择工业以太网交换机的一些建议。
　　工业以太网交换机用于连接以太网设备。它首先接收由某台设备发出的数据帧，然后再将这些帧传送到与其它以太网设备相连的适当交换机端口上。随着它传送这些帧，它会学习并掌握以太网设备的位置，并用这些信息来决定该用哪些端口来传送帧。这有助于减少网络占用率。
　　根据ARC的一项调查——工业以太网设备市场调查中涉及了全球工业以太网交换机市场，预测其未来3年的复合年增长率为49.9%。2004年全年工业以太网设备为84万套（台），至2009年将达到670万套（台）。

图1：卡轨式千兆工业以太网交换机－ Power MICE（图片由赫斯曼公司提供）。

　　什么样的工业以太网交换机才最适合你的工厂目前的应用呢？这的确是件令人困扰的事情，因为需要考虑诸多因素，例如工作环境，是否需要冗余，网管和非网管型，未来的维护和扩展性等等。作为全球领先的工业以太网交换机供应商，赫斯曼公司的中国区首席代理胡俊博士首先为我们勾画了选择工业以太网交换机前的几点准备。
　　选购前的思考
　　选购前需要考虑的因素有：
　　■  工作环境方面的考量：包括温度范围、EMC电磁兼容性、防护等级、安装方式和电源等。工业以太网交换机设计用于那些不适合商用交换机的环境，例如具有极限温度、高振动以及强电磁噪声的环境。
　　■  选用网管型还是非网管型交换机：如果 网络比较简单，可以选用即插即用的非网管型交换机；如果为了将来维护方便，可能需要选用网管型，只有网管型交换机才能做到环型的拓扑连接。
　　■  还需要满足相关的工业标准：比如船用的交换机应符合船结构的标准；如果是危险场合的应用，则要符合相应的认证标准；轨道交通和公路等交通行业也有自己的标准。

图2：EDS-726（Moxa 公司）26 口千兆模
块化以太网交换机。

图3：西门子公司Scalance新一代工业网络
组件。

　　在三个基本点之外，西门子公司工业通讯网络产品经理李凯先生谈到：“目前设备的智能性越来越高，调试对于技术人员相对简单，但对工厂的操作人员和维护人员来说有时并不是一件容易的事情。在系统集成商交付系统之后，为了保证维护人员在不具备know-how的情况下依然能够完成设备的维护，设备的选购步骤起着至关重要的作用。选择网管型交换机时，最好选取具备某种参数保护功能的交换机，能够把其中的参数备份，如果发生了故障，当更换了新的设备之后，能把保存的数据快速导入到新的交换机中，简化了现场维护人员的工作。当然，一般用户还要对联网设备数量做出一个粗略的估算，交换机应具有足够的地址存储空间来存储网络上的每台设备。”
　　网管与非网管型
　　在选择一台工业以太网交换机时的一个关键问题是，选择网管型交换机还是非网管型交换机。虽然网管型交换机通常较贵，但它提供了一些额外的强大功能。网管型交换机包含了非网管型交换机的特性。
　　科动公司的技术经理George  J. Karones先生说：“网管型交换机一般都支持简单网管协议（SNMP），当然，大多数网管型交换机还不只具有这点（SNMP）特性。基本上讲，网管型交换机使你能对网络进行控制，而非网管型交换机则通常只允许以太网设备进行通信。网管型交换机还使你能对网络进行监视。通过SNMP，你能查看各种网络状态，包括收/发的字节数、收/发的帧数、错误数与端口状态等。所有这些都能逐个端口查看。”
　　网管型交换机还具有一些能提高你网络控制能力的高级特性。像服务质量(QoS)、虚拟局域网(VLAN)、端口镜像、IGMP Snooping、冗余与SNMP等特性，通常都只有网管型交换机才有。”Moxa公司大中华区业务经理蔡中兴先生提到，大多数网管型交换机具备的高级特性有：
　　■  QoS是交换机向特定数据帧运用高优先级的能力。
　　■  VLAN允许交换机将设备逻辑分组，且即使所有设备都共用一台物理交换机，也能隔离这些设备组之间的流量。
　　■  端口镜像允许用交换机的一个端口来监视由交换机的一个或多个端口所发送或接收的流量。这种特性方便对通讯数据进行实时监控，是以太网常用的故障查找方法。
　　■  IGMP Snooping可自动将组播帧只发给那些请求这些帧的设备，这能防止组播帧发往那些未请求这些帧的设备。
　　■  SNMP就是简单网管协议，它允许网管应用程序以标准方式和交换机通信，请求状态信息及设置配置等。有些供应商还提供可将SNMP数据转换成HMI系统中所使用的OPC数据的网管程序。
　　■  环网冗余是网管型工业以太网交换机的常见特性。很多工业交换机厂商都创建了他们自己的专用环网冗余协议，例如西门子的Fast Redundancy Ring和Moxa的Turbo Ring，恢复时间少于300ms；赫斯曼的HIPER-Ring（HIGH PERFOMANCE Ring），保守估计的最大恢复时间是500ms；东土电信的DT-Ring，恢复时间不受节点数量的影响。
　　在某些情况下，工业设备厂商或工业协议只需要网管型交换机上的特性。Karones说：“例如，一些Ethernet/IP供应商就建议使用支持IGMP Snooping的交换机，目前Rockwell Automation宣布有100万个Ethernet/IP设备已经出货。另外，有些交换机供应商可能还会建议你采用能支持QoS或VLAN的交换机。”胡俊也提到：“一般的以太网协议，例如Ethernet/IP、Profinet和Modbus TCP等都建议工业以太网交换机具备全双工方式，端口镜像和IGMP Snooping三大功能。”
　　谈到其它功能时，李凯说：“西门子的交换机还提供了一定的路由功能，更加方便的解决现场遇到的问题。通常来说在小型的企业网中，这些功能是由单独的路由器完成的。”“作为本土的生产厂商，东土能提供丰富的不同电压等级的电源结构，更适合中国国情。另外，客户化是东土交换机所具有的最大特点。”东土电信产品总监薛百华先生还提到了精确时钟协议（PTP），“某些工业网络和军事系统是对时间要求精度较高的精密系统，需要交换机具有同步时间源的功能。保证数据的传输不能有延迟或者在允许的延迟范围之内，交换机能够对时钟进行自校正。记录时钟便于对历史进行追忆，尤其是出现故障的时候，这种时钟类似于网络同步的概念。”
　　传输媒介方面，大多数工业以太网通信都通过双绞线进行，但有时也需要使用光缆。当信号传输距离超过双绞线所支持的100米时则需用光缆。多模光纤的通信距离能达2公里；单模光纤的通信距离可达到15公里。由于其通信不易受电或磁场的影响，因此光缆一般还用于高噪声环境中。
　　实时性考虑
　　你需要考虑的另一个问题是，你的系统可接受哪种类型的响应与抖动。如果我从一台设备向另一台设备发送一个帧，则最大响应时间及最大可接受的抖动是多少？在处理数据帧时，大多数以太网交换机都采用存储－转发方式，这意味着先接收整个帧，然后再将其转发。如果你将几台交换机级连，则每台交换机存储－转发这些帧的时间会增加。而且，还需要加上交换机的少许内部延时。
　　对于这个问题，胡俊说：“目前多种协议都有针对实时性问题的处理，像Ethernet/IP这样的协议增加了IEEE 1588（用于联网测量与控制系统的精密时钟同步协议），来帮助确保以太网连接设备的实时性，同步的精度可达200个纳秒，采购时可以选择支持IEEE 1588标准的交换机。”
　　菲尼克斯电气AX产品市场经理刘朝晖先生介绍道：“在运动控制领域要求很高，目前只有PROFINET在做深入的研究并且已经有成型的技术和产品了。高速运行的设备需要采用Profinet IRT，比如包装机、印刷机、塑料机等单机设备。”
　　“工业以太网交换机在连接运动设备时会产生延迟的问题，比如说印刷设备，以50米每秒的速度走动的时候可能就模糊了，这个时候以太网可能会显得有些力不从心。EPA为了保证实时性能，将某几台联网设备划分在一个微网段里，要求设备是智能的，比如连接的温度传感器是个智能传感器，信息进行了转换，直接通过以太网口送出，这就是东土的产品可以用到现场层的一个原因。像沈阳仪器仪表所、川仪、上仪等都已经支持了EPA这样的要求。其它的协议，例如Ethernet PowerLink则采用时分复用TDM的模式，保证了实时性。”薛百华说。
　　兼容性问题
　　工业以太网和以往的现场总线相比，是个透明的协议，在交换机的使用中是否还需要顾虑兼容性呢？
　　李凯解释道：“西门子PROFINET解决方案中的设备，比如计算机的兼容卡、交换机、还有底层的伺服设备，所具备的PROFINET接口具有很强的兼容性，兼容标准的TCP/IP协议栈，同时还可兼容RT，NRT和IRT协议，也就是说可以响应设备通过TCP/IP方式的访问，以及RT，IRT和NRT方式的访问。相反的，即使是标准的工业以太网交换机也可以转发RT，NRT和IRT的数据包，因为这些数据包可以在标准的TCP/IP工业以太网上传输，但是这种转发是不对数据包进行识别的，也就失去了帧的优先级特点。如果远程设备想要联入Profinet网络，需要使用特殊的芯片。我们已经开发出了PROFINET芯片，提供给生产高性能设备的制造商，这是一种新技术，今后会有越来越多的参与者。”
　　胡俊说：“我们支持现在几乎所有的工业以太网协议，比如PROFINET，Ethernet/IP，Modbus TCP和Industrial IT等。大家都知道，以太网涵盖了网络中的物理层和数据链路层，工业场合中，往往谈到的是TCP/IP以太网。在三峡电厂的应用里，我们还做到了对寻址方式采用非IP方式的支持。对于Profinet IRT，由于它的传输机理不同，使整个系统有很强的确定性，这就需要特殊的设备进行支持，我们将会推出新的IRT交换机，内部装有西门子提供的芯片。而且，提到兼容性的问题，还需要考察协议所必须的功能是否具备，比如Ethernet/IP协议，如果要求隐式报文传送的时候就要开启IGMP Snooping功能。”他还指出如果在控制层，信息层和现场层使用不同厂家的交换机，则需要考虑设备的互连通性和互操作性方面有没有问题。比如，薛百华就提到：“通常情况下不同厂家交换机的冗余光口是不能互通的。”另外，专用环网协议也要求环网中的所有交换机都必须出自同一厂家。
　　在哪个层面中使用？
　　通常将工厂中的应用划分为信息层，控制层和现场层，工业以太网交换机应该应用在哪个层面中才能发挥最大的效能呢？
　　“现在存在一种整合性的概念，工业以太网交换机不再仅仅从外型上与商用交换机不同，应用于那些不适合商用交换机的环境，它也开始在整个内含上，即软件支持上走向高端，所以它还可以支持商用等特殊功能的要求。对于安全性和软件信息处理方面，工业用网管型交换机也可以满足。所以用户在规划网络时，整体方案上需要做到优化。MOXA的交换机，在信息层可以接受一般商业的RSTP冗余，在控制层又可以接受MOXA特有专利的Turbo Ring，所以为了满足应用的发展，MOXA的交换机往上可以用于信息层，往下在控制层可以继续满足快速的环网冗余。”蔡中兴说道。

图4：工作于成功岭隧道监控中心的KIEN6000/KIEN2000
工业交换机（图片由东土电信提供）。

　　“在PROFINET解决方案中，这三个层次均能找到相应的产品。这是一个非常重要的改变，它把我们传统的控制层和信息层中非实时性的数据和现场层中的实时数据在一根网线上实现同时进行传输。对于一般的应用来说，信息层的交换机我们往往做成单独的一个网络，控制层和现场层的网络都采用工业以太网，相互之间使用冗余连接的方式相连，并且建议在信息层和控制层之间安装防火墙。”李凯介绍说。
　　笔者了解到，赫斯曼和东土电信对于信息层，控制层和现场层也都提供了相应的工业以太网交换机类型。
　　工业以太网供电
　　在2003年6月IEEE最终批准了802.3af标准。该标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送DC电源的方法。它能安全、可靠地将以太网供电(PoE，Power over Ethernet)技术引入到现有的网络中，最大能提供大约13W的功率，从而大大简化了布线，降低了网络基础设施的建设成本。
　　在PoE系统中，提供电源的设备被称为供电设备PSE(Power Sourcing Equipment)，而使用电源的设备称为受电设备PD(Powered Device)。PSE分为两种类型：一种为“Endpoint PSE”，另一种为“Mid-span PSE”。Endpoint PSE是指支持PoE的以太网交换机等网络设备，通过信号线对将标称48V的DC电源提供给PD。Mid-span PSE是用来将以太网供电功能添加到现有网络的一种设备，供电使用备用线对。
　　根据VDC的一项新的报告“PoE：全球市场发展机遇分析（PoE: Global Market Opportunity Analysis）”中估计，PoE PSE（供电设备，power sourcing equipment）在未来2年，即至2008年的复合年增长率将达到33%。并且预测，至2008年全球PoE供电设备（PD）市场将超过52亿美元，复合增长率达到38%。
　　大家普遍看好PoE的应用前景，多家公司的交换机也配备了PoE功能。有了这项技术，一般低压设备的供电不再需要电源线，而仅需插入工业以太网电缆，减少了线缆数量，节约成本且便于使用。但是Karones、蔡中兴和胡俊也指出了PoE实施中的难度，例如对于不同的企业的不同特色设备需要提供多种电源类型；如果现场已经配备了电源供电线缆，没必要改变现有的布线；而且PoE需要受电设备本身也支持这个协议，否则将不能使用，当然还需要考虑可靠性和安全性等因素。
　　为将来着想
　　你如何来确定一个系统是否经得起时间的检验呢？Karones举例说：“一个小系统用一台非网管型交换机连在一起。起初，这可能是一种可接受的情况。但随着以太网设备的增加，系统开始变得日趋复杂，且越来越需要使用一台网管型交换机。随着联网设备的增加，使用一台网管型交换机可能对你的系统起着越来越重要的作用，因为你能保留对网络完全控制和监视的能力。此外，随着联网设备的增加，你可能还会发现QoS对确定帧的优先级有用，因为此时你网络上的流量负载会增加；你可能还想用VLAN来帮助隔离设备。将来，以太网协议可能需要用802.1p/802.1q这样的QoS标准来帮助网络上传输的帧达到更高的优先级。VLAN可用来隔离那些随着网络规模的增加而对高级流量敏感的设备。拥有一台带有这些特性的交换机，有助于你的系统经得起时间的检验。”
　　李凯谈到：“工业以太网有的兼容性和可扩展性很好，我们迫于生产的需要系统往往不断更新，因此在选择一台设备时不能选用刚好能用的设备，要为将来考虑。这种情况下模块化的交换机是很好的选择。它具有模组性能，增加接口时只需要接入新的拓展模块，保证你的上次投资可以继续增值。这种模组化交换机的软件功能性是最强的，相应的最新软件可以到我们的网站下载，进行免费升级。”
　　现在就动手
　　虽然工业以太网已经成为主流应用，但正如你所看到的，在购买工业以太网交换机时有很多因素需要考虑。以上我们讨论了工业以太网交换机所具有的多项特性。由于目前还没有标准规定网管或非网管型交换机需要具备哪些特性，因此在选购中需要向交换机供应商做进一步的了解。为了方便大家交流使用工业以太网交换机中发生的各种问题，科动公司建立的IEU（工业以太网大学）提供了良好的平台。

文章编号：060702
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工业无线以太网设备
　　在工业以太网交换机之外，许多公司也相继推出了工业无线以太网设备。下面给出了一些示例：
　　赫斯曼公司在汉诺威展会中推出了适用于室外环境的WLAN系统。该系统由BAT 54和BAT 54M组成，均可在两个波段上被用作接入点或网桥，完全符合IEEE 802.11a（5.15-5.825GHz）和b/g（2.4-2.497GHz）标准。在54Mbit/s的数据速率下网络直径仍长达甚至超过20km。发射器的能量在15到20dBm之间。该设备支持众多的管理和安全功能，并且工作温度范围可达-33°C到55°C，符合IP65保护等级要求，具备过电压保护。因此，BAT 54系统非常适合室外应用。无论是a或b/g标准，WLAN系统都可以通过桥接模式建立无线的点对点连接。而且，将BAT 54M设置为主和BAT 54设置为从模式时，还可以建立一点对多点的无线连接。

图1：赫斯曼公司最新推
出的适用于室外环境的
WLAN 系统。

图2：菲尼克斯电气公司
最新发布的新型工业无线
以太网无线电通讯产品。

图3：MOXA公司的工业
级IEEE 802.11g/b 无线
AP/ 网桥/AP 客户端—
AWK-1100。

图4：Prosoft公司提供的
RadioLinx Industrial
Hotspot™。

　　在RAD系列无线产品获得Control Engineering China 2005年度产品奖之后，菲尼克斯电气公司又发布了新型的工业无线以太网无线电通讯产品，它提供了真正的安全无线通讯并达到了前所未有的数据保护水平。802.11 a/b/g工业无线电通讯装置是其第一款具有802.11i/WPA2 安全性以及AES-CCMP和802.1x性能的产品。简单且界面友好的嵌入式软件允许通过网络计算机对设备进行配置。因为软件是嵌入式的，所以无需进行安装。该无线电通讯装置支持三种不同的模式—AP，客户端和网桥，可以用于多种不同类型的应用。
　　SCALANCE W是西门子工业无线局域网产品系列。它基于无线局域网（WLAN）技术国际标准IEEE802.11，帮助用户实现移动设备与固定网络的通讯，也可以实现移动设备间的通讯，坚固、可靠、安全。它适用于各种工业环境，即使在极恶劣的情况下也能够保证网络的可靠性和安全性。SCALANCE W788-1/ WC88-2接入点模块，用于搭建无线局域网，SCALANCE W744-1客户端模块，用于将PLC等设备接入无线局域网。随后进行的现场演示，让与会者身临其境的体会了产品的性能。今年，还推出了SCALANCE SINEMA E 2006 工业无线以太网规划与配置工具软件。
　　MOXA公司的工业级IEEE 802.11g/b无线AP/网桥/AP客户端—AWK-1100能够兼容IEEE 802.11g/b标准，满足工业苛刻设计要求，而且具有高度的安全性能。AWK-1100是专门针对工业以太网交换机和其它具有以太网接口的工业设备同无线局域网互通而设计的，AWK-1100最具吸引力的特点包括具备WPA安全能力、0到60度的工作温度以及冗余电源输入等。AWK-1100支持IEEE 802.1X安全协议，仅有通过IEEE 802.1X及RADIUS（远程用户拨号认证系统权限）管理的授权者才可登入无线网域，进行资料存取。
　　Prosoft 公司提供的RadioLinx IndustrialHotspot™，能够提供速度达11Mbps，距离达20 英里以上的无线以太网连接；为移动设备以及用户的笔记本电脑、PDA等提供802.11b 工业级热点接入；并且能够充当广阔区域无线连接的中继器/网桥。