在谈工业以太网交换机选购之前，我们先来了解一下什么是工业以太网交换机。

工业以太网交换机主要是应用于工业控制自动化，道路交通控制自动化，楼宇自动控制系统等环境中的实时以太网数据传输。工业以太网交换机采用存储转换交换方式，而非CSMA/CD机制，同时提高以太网通信速度，并且内置智能报警设计监控网络运行状况，使得在恶劣危险的工业环境中保证以太网可靠稳定的运行。

工业以太网交换机特点

工业以太网交换机与普通以太网交换机相比，有如下特点：

1、高性能以太网交换机技术，保证以太网通信速度

2、IEEE802.3/802.3d/802.3u/802.3x ，存储转换交换方式

3、具有抑制广播风暴功能

4、端口链路告警信息、电源故障信息继电器输出

5、冗余24伏直流电源输入，-40度～75度工作温度保证在恶劣的工业环境中正常工作

6、波纹式高强度外壳，防护等级达到IP30，工业级标准设计

7、10Base-T/100Base-TX自适应的以太网接口，MDI/MDI-X，全双工/半双工自适应

工业以太网交换机选购

看到工业以太网交换机如此强大的功能，很多工厂都“蠢蠢欲动”，但是鉴于对工业以太网交换机的不了解，以及需要考虑其管理性、安全性、扩展性等问题，往往就此作罢。不要紧，下文将具体来分析工业以太网交换机的选购：

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。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|稳压器等。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。

在三个基本点之外,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。
　　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，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。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。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。
　　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。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。
　　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。
　　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。

　　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？
　　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。
　　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。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。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。
“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。但是必须指出了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。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。
　　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。

除此之外，目前工业以太网交换机的智能性越来越高，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。在工业以太网交换机系统集成商交付系统之后，为了保证维护人员在不具备相关知识的情况下依然能够完成工业以太网交换机的维护，设备的选购步骤起着至关重要的作用。选择网管型工业以太网交换机时，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，工业以太网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。

1、工业以太网交换机和普通交换机的区别

      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。

2、选型时需要注意：

　　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。
　　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。
　　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。”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。

 

 

三、选型的重要技术指标

      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
　　
　　 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，但在工业现场的应用中，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
　　
　　 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
　　
　　 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

稳定是最主要的，其次对电源宽度限制要求较宽，无故障运行时间越长越好。

    以太网交换机，应用领域也非常广泛，包括三种网络接口：RJ－45、BNC和AUI，所用的传输介质分别为：双绞线、细同轴电缆和粗同轴电缆。不要以为一讲以太网就都是RJ－45接口的，只不过双绞线类型的RJ－45接口在网络设备中非常普遍而已。当然现在的交换机通常不可能全是BNC或AUI接口的，因为目前采用同轴电缆作为传输介质的网络现在已经很少见了，而一般是在RJ－45接口的基础上为了兼顾同轴电缆介质的网络连接，配上BNC或AUI接口。

         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|稳压器等。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。”

20MP获得者：cqu_rockwell                  林森

10MP获得者：hh_clei                             陈石头

20积分获得者：jiaoanpeng                   jiaoanpeng  
                            惊涛骇浪                        jingtao
                             rzb123                           玻璃的心

正好需要这个，谢谢呀，科普了