工業(yè)級和網絡級光纖交換機區(qū)別
閱讀：7278發(fā)布時間：2013-10-8
工業(yè)以太網交換機與商用交換機在數(shù)據交換功能上基本一致，但在設計上以及在元器件的選用上，產品的強度和適用性方面更能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
此外在模塊擴展方面也表現(xiàn)的比商用交換機更為靈活：有多種光口和電口可供選配。在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
工業(yè)級設計一般在設計上滿足：工業(yè)寬溫設計，4級電磁兼容設計，冗余交直流電源輸入。另外PCB板一般做“三防”處理。
為什么工業(yè)現(xiàn)場要選用合適的工業(yè)以太網交換機，而不能用便宜的商用交換機來代替？我們可以從以下幾個方面確定在工業(yè)現(xiàn)場選用工業(yè)以太網交換機的必要性。
1、確定性
由于以太網的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網絡上存在沖突，特別是在網絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業(yè)網絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據，使得網間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網絡中這種從一處到另一處的不確定性，必然會帶來系統(tǒng)控制性能的降低。
2、實時性
在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實時可定義為系統(tǒng)對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個可以準確預見的時間范圍內做出反映。然而，工業(yè)上對數(shù)據的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數(shù)據的更新是在數(shù)十ms內完成的。而同樣由于以太網存在的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突的時候，就得重發(fā)數(shù)據，zui多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機制是以付出時間為代價的。而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產的停止甚至是設備，人身安全事故。
3、可靠性
由于以太網在設計之初，并不是從工業(yè)網應用出發(fā)的。當它應用到工業(yè)現(xiàn)場，面對惡劣的工況，嚴重的線間干擾等，這些都必然會引起其可靠性降低。在生產環(huán)境中工業(yè)網絡必須具備較好的可靠性，可恢復性，以及可維護性。即保證一個網絡系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時，不會導致應用程序，操作系統(tǒng)，甚至網絡系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。
工業(yè)以太網交換機在設計的時候就考慮到了工業(yè)現(xiàn)場的復雜情況，從而能更加適應工業(yè)環(huán)境而發(fā)揮交換機的作用。
工業(yè)以太網交換機和普通交換機的區(qū)別主要體現(xiàn)在功能和性能上。
工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比普通環(huán)境都要惡劣，至少在震動，濕氣，溫度上都要比普通環(huán)境惡劣，普通交換機在設計上沒有抵御在工業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)的各種情況的能力，普通交換機不能長時間工作在這種惡劣環(huán)境下，經常容易出現(xiàn)故障，更使維護成本上升，一般不建議在工業(yè)環(huán)境中使用商業(yè)交換機，為了能使交換機在這種惡劣環(huán)境中使用，故生產出能適應這種環(huán)境的交換機，工業(yè)級別的交換機的可靠性有電源故障，端口中斷，可由繼電器輸出報警，冗余雙直流電源輸入，主動式電路保護，過壓、欠壓自動斷路保護，（可靠性根據型號的不同略有不同）
功能上的區(qū)別主要是指：工業(yè)以太網交換機在功能上與工業(yè)網絡通訊更接近，比如與各種現(xiàn)場總線的互通互聯(lián)、設備的冗余以及設備的實時等；而性能上的區(qū)別則主要體現(xiàn)在適應外界環(huán)境參數(shù)的不同。工業(yè)環(huán)境除了有很多如：煤礦、艦船等特別惡劣的環(huán)境外，還有在EMI（電磁兼容性）、溫度、濕度以及防塵等方面有特殊要求的環(huán)境。其中溫度對工業(yè)網絡設備的影響面是zui廣泛的。
本文主要論述溫度這一重要參數(shù)對工業(yè)網絡交換機的影響。而對于功能方面以及性能其他方面的參數(shù)這里不再贅述。
一、衡量設備可靠性的指標
可靠性是指產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。任何產品不論是機械、電子，還是機電一體化產品都有一定的可靠性，產品的可靠性與實驗、設計和產品的維護有著極大的關系。
衡量可靠性的指標很多，常見的有以下幾種：
1．可靠度R（t），即產品在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的概率，亦稱平均*時間MTBF（meantimebetweenfailure）；
2．平均維修時間MTTR是指產品從發(fā)現(xiàn)故障到恢復規(guī)定功能所需要的時間；
3．失效率λ（t），是指產品在規(guī)定的使用條件下使用到時刻t后，產品失效的概率。產品的可靠性變化一般都有一定的規(guī)律，其特征曲線形狀像浴盆，通常稱之為“浴盆曲線”。在實驗和設計初期，由于產品設計制造中的錯誤、軟件不完善以及元器件篩選不夠等原因而造成早期失效率高；通過修正設計、改進工藝、老化元器件、以及整機試驗等，使產品進入穩(wěn)定的偶然失效期；使用一般時間后，由于器件耗損、整機老化以及維護等原因，產品進入了耗損失效期。這就是可靠性特征曲線呈“浴盆曲線”型的原因。衡量一個電子產品、尤其是工業(yè)類產品zui常用的是MTBF，也就是平均*時間。
二、溫度和MTBF的關系
由于現(xiàn)代電子設備所用的電子元器件的密度越來越高，這將使元器件之間通過傳導、輻射和對流產生熱耦合。因此，熱應力已經成為影響電子元器件失效率的一個zui重要的因素。對于某些電路來說，可靠性幾乎*取決于熱環(huán)境。所以，為了達到預期的可靠性目的，必須將元器件的溫度降低到實際可以達到的zui低水平。有資料表明：環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命約降低1/2。這就是有名的“10℃法則”。
MTBF測試：目前國外廣泛采用Bellcore的RPP（ReliabilityPredictionProcedure）來測量設備的MTBF，這其中包括晶體管數(shù)量、功率衰減以及環(huán)境參數(shù)。我們分析其中用風扇散熱的24口網絡交換機的檢測報告，在環(huán)境溫度為30℃，40℃，50℃時，無風扇交換機和有風扇交換機的測試結果為：
30℃40℃50℃
無風扇散熱10年9.5年8年
有風扇散熱8年7.5年7年
另外，我們通過TSC實驗室的溫度測試中還發(fā)現(xiàn)了兩個結果：
1．如果不采用任何散熱措施，一臺24口的交換機（不含光口）正常工作4小時后，它的機內溫度要比周圍的環(huán)境溫度高約40℃；而采用風扇降溫的同樣的交換機的機內溫度只比周圍的環(huán)境溫度高約15℃。
2．機內溫度達到85℃時，實際上溫度已經開始影響到了機內主板很多芯片器件的壽命，也就是說，如果不采用很好的散熱措施，在外部環(huán)境溫度為45～50℃時，交換機的MTBF會大大下降。
由此可見，溫度對于工業(yè)網絡產品的影響是非常大的，如果像商用交換機一樣采用風扇降溫，能夠有效降低機內溫度而延長設備的MTBF，但風扇本身的壽命又非常有限（2.28年）（由SANYOFANDATASHEET給出的數(shù)據）。
工業(yè)類設備不同于商用設備，往往是一開機就常年運行，而且運行的環(huán)境也往往較惡劣，沙塵、昆蟲、潮濕都會直接影響風扇的運行。一個質量好的交換機，風扇使用壽命一般在20000小時，風扇到了年限以后，檢測并更換就變得非常重要。因為主動散熱性交換機在設計時散熱主要就是靠風扇散熱，一旦風扇失效而不及時更換，“10℃法則”將會起作用：機內環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命就降低1/2。交換機的機內積熱將會快速導致交換機性能的下降，直至交換機崩潰。因此，工業(yè)交換機的散熱系統(tǒng)設計，也就是熱設計就顯得尤為重要了。
三、熱設計
正是由于過高溫度對工業(yè)網絡設備的影響是致命的，所以在設計這類產品時，除了設備的元器件要選擇寬溫度范圍的工業(yè)級元器件外，更要充分重視設備的熱設計。
電子產品的熱設計主要包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術，這里筆者主要討論工業(yè)網絡設備中的散熱技術和加裝散熱器技術。
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*種是傳導散熱方法，可選用導熱系數(shù)大的材料來制造傳熱元件，或減小接觸熱阻并盡量縮短熱路徑。
第二種是對流散熱方式，對流散熱方式有自然對流散熱和強迫對流散熱兩種方法。自然對流散熱應注意以下幾點：
l設計印制板和元器件時必須留出多余空間；
l安排元器件時，應注意溫度場的合理分布；
l充分重視應用煙囪撥風原理；
l加大與對流介質的接觸面積。
強迫對流散熱方式可采用風機（如計算機上的風扇）或雙輸入口推拉方式（如帶換熱器的推拉方式）。
第三種是利用熱輻射特性方式，可以采用加大發(fā)熱體表面的粗糙度、加大輻射體周圍的環(huán)境溫差，或加大輻射體表面的面積等方法。
?。ǘ┘友b散熱器
工業(yè)電子類設備在熱設計中，zui常采用的方法是加裝散熱器，其目的是控制半導體的溫度，尤其是結溫Tj，使其低于半導體器件的zui大結溫Tjmax，從而提高半導體器件的可靠性。半導體器件和散熱器安裝在一起工作時包含：半導體器件內熱阻RTj、結溫Tj、殼溫Tc、散熱器溫度Tf、環(huán)境溫度Ta及半導體器件的使用功率Pc。
散熱器的熱阻RTf應為：RTf=（RTj-Ta）/Pc-RTj-RTc
散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據。Tj、RTj是半導體器件提供的參數(shù)，Pc是設計要求的參數(shù)，RTc可以從熱設計專業(yè)書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。
1．自然冷卻散熱器的選擇
首先計算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf，即：
RT=（Tjmax-Ta）/Pc
RTf=RT-RTj-RT。
算出RT和RTf之后，可根據RTf和Pc來選擇散熱器。選擇時，根據所選散熱RTf和Pc曲線，在橫坐標上查出已知Pc，再查出與Pc對應的散熱器的熱阻R'Tf。
按照R'Tf≤RTf的原則,選擇合理的散熱器即可。
2．強迫風冷散熱器的選擇
強迫風冷散熱器在選擇時應根據散熱器的熱阻RTf和風速來選擇合適的散熱器。
3．散熱風扇的設計
普通商用交換機的風扇，工作一直處于全速（FullSPD）狀態(tài)，除其造成電能浪費、增大整機噪音外，還會增加不必要的電源發(fā)熱，機箱內灰塵過多堆積等。更重要的是風扇在全速狀態(tài)時其壽命約為2萬小時，也就是2.28年（由SANYOFANDATASHEET給出的數(shù)據），2萬小時后風扇轉速會逐漸下降，給整機帶來不穩(wěn)定因素。但由于沒有監(jiān)控單元，這種隱患很難發(fā)現(xiàn)：例如當交換機丟包率逐漸上升時，并不容易查到是由于風扇老化轉速降低及灰塵堆積太厚導致機箱內關鍵部件溫度升高所致。
工業(yè)交換機應使用高速（HighSPD）風扇并帶有智能監(jiān)控電路，實時監(jiān)測和控制網絡交換機的運行狀況，例如監(jiān)控機箱風扇、主交換芯片溫度、機箱溫度，光收發(fā)器件溫度等,這也就是我們所說的“智能風扇”。
交換機工作過程中智能監(jiān)控電路會根據被測元件的溫度或風扇轉速信號自動調節(jié)風扇轉速，給網絡交換機散熱。風扇的轉速主要與交換機負載和環(huán)境溫度有關。在環(huán)境溫度一定時，當交換機數(shù)據負載減輕時，功耗減小，風扇轉速自動降低，當交換機數(shù)據負載加重時，功耗加大，風扇速轉速自動上升。在數(shù)據負載一定的情況下，當交換機處在低溫環(huán)境時，風扇轉速自動降低，處在高溫環(huán)境時風扇轉速自動升高。在高溫高負載情況下，風扇可處在應急高速（HighSPD）狀態(tài)，比全速（FullSPD）狀態(tài)更能保證網絡安全運行。
4．智能風扇控制器運行特性
采用智能風扇控制技術后可延長風扇壽命，減少機內灰塵堆積、降低風扇噪聲，節(jié)約電量使用，保證系統(tǒng)有效工作。另外控制器不僅能對風扇失效停轉、溫度超過警戒線提供報警，而且對于由于老化或風道阻力異常增大、轉速低于正常值或監(jiān)測點溫度異常升高等前期隱患均能給出相應的中英文語音提示，方便網絡管理人員將事故消滅在萌芽階段。
綜上所述，由于工業(yè)以太網交換機所處的環(huán)境的特殊性以及使用時的特殊性（不能停機），在對付高低溫，主要是高溫環(huán)境時采用的對策與普通交換機有很多不同的。
?。?）對于較低功率情況，一般P≤10W時，盡量不采用風扇散熱，而采用自然散熱，如果通過自然對流，或者增大外殼面積、外殼褶皺，或者采用導熱較好的型材,如鋁等。
（2）對于功率較大情況，P≥15W時,尤其是有多個光口，甚至是多個單模光口的情況下，不能靠自然散熱解決問題時，應該采用主動散熱方式解決熱問題。而主動散熱方式目前主要是指加裝風扇，但由于工業(yè)網絡設備不能停機且要長期運行的特殊性，風扇的使用應有如下考慮。
①風扇不同于普通電子設備的風扇，它應是智能的，智能風扇在使用壽命以及功能上與普通風扇有質的區(qū)別。
?、谥悄茱L扇應設計為可以熱插撥的，也就是在系統(tǒng)不停機情況下，如果智能風扇系統(tǒng)報警（工作壽命到期等）情況下，可以在線更換風扇。采取了以上熱設計和散熱措施，就可以大大提高網絡設備的MTBF，延長其壽命，從而避開法則，使工業(yè)網絡設備的元器件長期工作在一個“穩(wěn)定，舒適”的溫度環(huán)境中,這樣“10℃法則”就不起作用,這樣也就保證了自動化過程中通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。
以上資料來源于互聯(lián)網！
