工业级交换机和企业级交换机

工业级交换机和企业级交换机

西门子工业以太网交换机与商用交换机在数据交换功能上基本一致，但在设计上以及在元器件的选用上，产品的强度和适用性方面更能满足工业现场的需要。

此外在模块扩展方面也表现的比商用交换机更为灵活：有多种光口和电口可供选配。在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

工业级设计一般在设计上满足：工业宽温设计，4级电磁兼容设计，冗余交直流电源输入。另外PCB板一般做“三防”处理。

为什么工业现场要选用合适的工业以太网交换机，而不能用便宜的商用交换机来代替？我们可以从以下几个方面确定在工业现场选用工业以太网交换机的必要性。

1、确定性

由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。

2 、实时性

在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十ms内完成的。而同样由于以太网存在的

CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。

3、可靠性

由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

工业以太网交换机在设计的时候就考虑到了工业现场的复杂情况，从而能更加适应工业环境而发挥交换机的作用。

工业以太网交换机和普通交换机的区别主要体现在功能和性能上。

工业现场的环境比普通环境都要恶劣，至少在震动，湿气，温度上都要比普通环境恶劣，普通交换机在设计上没有抵御在工业环境中出现的各种情况的能力，普通交换机不能长时间工作在这种恶劣环境下，经常容易出现故障，更使维护成本上升，一般不建议在工业环境中使用商业交换机，为了能使交换机在这种恶劣环境中使用，故生产出能适应这种环境的交换机，工业级别的交换机的可靠性有电源故障，端口中断，可由继电器输出报警，冗余双直流电源输入，主动式电路保护，过压、欠压自动断路保护，（可靠性根据型号的不同略有不同）

功能上的区别主要是指：工业以太网交换机在功能上与工业网络通讯更接近，比如与各种现场总线的互通互联、设备的冗余以及设备的实时等；而性能上的区别则主要体现在适应外界环境参数的不同。工业环境除了有很多如：煤矿、舰船等特别恶劣的环境外，还有在EMI（电磁兼容性）、温度、湿度以及防尘等方面有特殊要求的环境。其中温度对工业网络设备的影响面是最广泛的。

本文主要论述温度这一重要参数对工业网络交换机的影响。而对于功能方面以及性能其他方面的参数这里不再赘述。

一、衡量设备可靠性的指标

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。任何产品不论是机械、电子，还是机电一体化产品都有一定的可靠性，产品的可靠性与实验、设计和产品的维护有着极大的关系。

衡量可靠性的指标很多，常见的有以下几种：

1．可靠度R（t），即产品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率，亦称平均无故障时间MTBF(mean time between failure)；2．平均维修时间MTTR是指产品从发现故障到恢复规定功能所需要的时间；

3．失效率λ（t），是指产品在规定的使用条件下使用到时刻t后，产品失效的概率。产品的可靠性变化一般都有一定的规律，其特征曲线形状

像浴盆，通常称之为“浴盆曲线”。在实验和设计初期，由于产品设计制造中的错误、软件不完善以及元器件筛选不够等原因而造成早期失效率高；通过修正设计、改进工艺、老化元器件、以及整机试验等，使产品进入稳定的偶然失效期；使用一般时间后，由于器件耗损、整机老化以及维护等原因，产品进入了耗损失效期。这就是可靠性特征曲线呈“浴盆曲线”型的原因。衡量一个电子产品、尤其是工业类产品最常用的是MTBF，也就是平均无故障时间。

二、温度和MTBF的关系

由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高，这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。因此，热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个最重要的因素。对于某些电路来说，可靠性几乎完全取决于热环境。所以，为了达到预期的可靠性目的，必须将元器件的温度降低到实际可以达到的最低水平。有资料表明：环境温度每提高10℃，元器件寿命约降低1/2。这就是有名的“10℃法则”。

MTBF测试：目前国外广泛采用Bellcore的RPP（Reliability Prediction Procedure）来测量设备的MTBF，这其中包括晶体管数量、功率衰减以及环境参数。我们分析其中用风扇散热的24口网络交换机的检测报告，在环境温度为30℃，40℃，50℃时，无风扇交换机和有风扇交换机的测试结果为：

30℃ 40℃ 50℃

无风扇散热 10年 9.5年 8年

有风扇散热 8年 7.5年 7年

另外，我们通过TSC实验室的温度测试中还发现了两个结果：

1．如果不采用任何散热措施，一台24口的交换机（不含光口）正常工作4小时后，它的机内温度要比周围的环境温度高约40℃；而采用风扇降温的同样的交换机的机内温度只比周围的环境温度高约15℃。2．机内温度达到85℃时，实际上温度已经开始影响到了机内主板很多芯片器件的寿命，也就是说，如果不采用很好的散热措施，在外部环境温度为45～50℃时，交换机的MTBF会大大下降。

由此可见，温度对于工业网络产品的影响是非常大的，如果像商用交换机一样采用风扇降温，能够有效降低机内温度而延长设备的MTBF，但风扇本身的寿命又非常有限（2.28年）（由SANYO FAN DATA SHEET 给出的数据）。

工业类设备不同于商用设备，往往是一开机就常年运行，而且运行的环境也往往较恶劣，沙尘、昆虫、潮湿都会直接影响风扇的运行。一个质量好的交换机，风扇使用寿命一般在20000小时，风扇到了年限以后，检测并更换就变得非常重要。因为主动散热性交换机在设计时散热主要就是靠风扇散热，一旦风扇失效而不及时更换，“10℃法则”将会起作用：机内环境温度每提高10℃，元器件寿命就降低1/2。交换机的机内