網(wǎng)管型和非網(wǎng)管工業(yè)交換機(jī)在各個(gè)方面存在差異，包括控制器和成本。與非網(wǎng)管型工業(yè)交換機(jī)相比，網(wǎng)管型工業(yè)交換機(jī)具有更多的功能，但是它對人員有一定的要求，需要具備專業(yè)的知識才能駕馭得了。管理型交換機(jī)可以更好地管理經(jīng)過它的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)幀流量。非網(wǎng)管型工業(yè)交換機(jī)，另一方面，主要基本功能就是提供連接設(shè)備進(jìn)行互相通信。

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)需要強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來提供所需的可靠性能和網(wǎng)絡(luò)安全性。設(shè)計(jì)人員需要考慮非管理型交換機(jī)是否能夠滿足需求，或者是否需要升級到管理型交換機(jī)。

在當(dāng)今世界，以太網(wǎng)速度驚人且相對可靠，無論是有線還是 Wi-Fi 形式，所有年齡和技術(shù)能力的人都熟悉，很容易想到：工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)可以連接到任何可用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。畢竟，人們經(jīng)常將他們的便攜式設(shè)備、娛樂電子設(shè)備甚至家庭自動(dòng)化組件連接到本地網(wǎng)絡(luò)，然后連接到云端，并且大多數(shù)都可以正常工作。

之所以使用“最”二字，也是工業(yè)解決方案必須指定工業(yè)產(chǎn)品的原因。雖然任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)置故障通常比普通消費(fèi)者更煩人，但工業(yè)系統(tǒng)卻不同，它們不斷處理時(shí)間敏感數(shù)據(jù)，在某些情況下甚至通過以太網(wǎng)處理輸入/輸出 (I/O) 信號。這些信號通常在一定程度上是可選的，只是提供監(jiān)控信息，但需要響應(yīng)式的 I/O 和信號聯(lián)鎖，以避免設(shè)備損壞、產(chǎn)品浪費(fèi)和數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)也保護(hù)人員安全。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)由強(qiáng)大的冗余電源供電，并與高級媒體和附件連接性兼容，可在所有價(jià)位上購買，并且可以隨時(shí)購買。但用戶必須主動(dòng)做出基本選擇，是選擇非網(wǎng)管型交換機(jī)(這對于某些應(yīng)用程序可能就足夠了)，還是選擇網(wǎng)管型交換機(jī)，它具有顯著的運(yùn)營優(yōu)勢，但獲取和配置成本更高。本文重點(diǎn)介紹如何讓設(shè)計(jì)人員確定是否可以使用非網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)，以及何時(shí)需要網(wǎng)管型交換機(jī)。

工業(yè)級交換機(jī)

雖然有一些數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換機(jī)可以滿足嚴(yán)格的性能要求，但安裝在現(xiàn)場環(huán)境中的任何交換機(jī)都需要承受更高的極端溫度、振動(dòng)和電氣噪聲抗擾度。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是小批量的專業(yè)產(chǎn)品，比同類商業(yè)產(chǎn)品貴得多。

隨著以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化各個(gè)層面的廣泛應(yīng)用，從現(xiàn)場信號到控制器和監(jiān)控層都實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，工業(yè)交換機(jī)的價(jià)格也變得更具競爭力。改進(jìn)的電子設(shè)備降低了功耗和熱量的產(chǎn)生，消除了對容易出現(xiàn)故障的風(fēng)扇的需求。設(shè)計(jì)人員在選擇網(wǎng)絡(luò)硬件方面有更大的自由度，因此他們可以根據(jù)需要輕松建立從現(xiàn)場到控制臺再到服務(wù)器機(jī)房的連接。這樣，除了節(jié)省幾美元之外，幾乎沒有任何理由不使用工業(yè)級交換機(jī)。

但是，何時(shí)選擇基本的即插即用非網(wǎng)管型交換機(jī)或何時(shí)遷移到網(wǎng)管型交換機(jī)并不總是很明顯。負(fù)責(zé)選擇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)組件的運(yùn)營技術(shù) (OT) 人員并不總是非常熟悉信息技術(shù) (IT) 概念和管理型交換機(jī)的相應(yīng)優(yōu)勢。

什么時(shí)候應(yīng)該選擇網(wǎng)管型交換機(jī)？對于典型的原始設(shè)備制造商 (OEM) 工業(yè)設(shè)備：由具有 I/O 的可編程邏輯控制器 (PLC)、人機(jī)界面 (HMI) 和各種其他智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，小型非網(wǎng)管型工業(yè)交換機(jī)通常是最佳選擇，它們可以花費(fèi)不到 100 美元。這些設(shè)備易于使用，并為銅線或光纖介質(zhì)提供足夠的網(wǎng)絡(luò)速度。對于簡單的低預(yù)算項(xiàng)目，它們可能是最好的選擇。

然而，一旦互連設(shè)備的數(shù)量增加，或者以前獨(dú)立的自動(dòng)化設(shè)備與工廠內(nèi)和局域網(wǎng)(LAN)內(nèi)的數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)其他系統(tǒng)和智能設(shè)備互連，可能會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的問題。網(wǎng)絡(luò)問題。家庭或辦公室環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)、流量過載和其他網(wǎng)絡(luò)問題可能只會(huì)導(dǎo)致發(fā)送電子郵件的延遲或減慢視頻播放速度，直到問題得到解決。然而，在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，流量過載會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常。

最常見的有以下 5 種情況，如果滿足其中一種或多種，則需要管理型交換機(jī)：

增強(qiáng)的流量過濾；

網(wǎng)絡(luò)冗余；

全面的安全性；

更深入的故障排除和診斷信息；

為用戶和自動(dòng)化平臺提供更好的整體網(wǎng)絡(luò)“感知”。

更好的通訊

為了最小化網(wǎng)絡(luò)延遲并提高網(wǎng)絡(luò)中的確定性水平，有必要將通信數(shù)據(jù)包從源設(shè)備傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)不需要的地方時(shí)，目標(biāo)設(shè)備會(huì)消耗資源來處理數(shù)據(jù)包，從而延遲關(guān)鍵通信的處理。

現(xiàn)代非網(wǎng)管型交換機(jī)可以實(shí)施某種級別的數(shù)據(jù)包過濾，以或多或少地緩解這個(gè)問題。但非網(wǎng)管型交換機(jī)無法有效識別和過濾多種類型的數(shù)據(jù)包，因此這些設(shè)備最終會(huì)將不需要的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到所有連接的設(shè)備。

在商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中，管理型交換機(jī)具有多種功能來實(shí)現(xiàn)流量過濾：

組播過濾：組播數(shù)據(jù)包在控制系統(tǒng)中很常見，由非網(wǎng)管型交換機(jī)不加選擇地轉(zhuǎn)發(fā)。管理型交換機(jī)實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議 (IGMP)，了解何時(shí)需要這些數(shù)據(jù)包，并有選擇地轉(zhuǎn)發(fā)它們。

虛擬局域網(wǎng) (VLAN)：網(wǎng)管型交換機(jī)提供 VLAN，因此用戶可以在邏輯上分離同一物理設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)流量。這有效地對設(shè)備進(jìn)行了分組，因此每個(gè)組都不會(huì)接收來自其他組的流量。

流量優(yōu)先級：使用服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 功能允許設(shè)備對發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級排序，以便網(wǎng)管型交換機(jī)可以根據(jù)其優(yōu)先級依次處理每個(gè)數(shù)據(jù)包。

上述功能假設(shè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常，但必須考慮所有方面以克服任何硬件或介質(zhì)(布線)故障。

冗余建議

基本的非網(wǎng)管型以太網(wǎng)僅允許網(wǎng)絡(luò)上任意兩個(gè)設(shè)備的端口之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接或路徑。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，如果設(shè)備之間的多條路徑形成一個(gè)環(huán)路，數(shù)據(jù)包將在環(huán)路中無休止地循環(huán)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，遲早會(huì)使網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)。然而，單一路徑的后果是任何硬件、電源或電纜故障都會(huì)導(dǎo)致通信中斷。

冗余是網(wǎng)管型交換機(jī)相對于非網(wǎng)管型交換機(jī)的顯著優(yōu)勢。兩種常見的方法是：

快速生成樹協(xié)議 (RSTP)：這種基于 IT 的協(xié)議允許設(shè)計(jì)人員在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建多條路徑，從而創(chuàng)建環(huán)路，因?yàn)榫W(wǎng)管型交換機(jī)可以使用 RSTP 來確定和控制應(yīng)該使用哪條路徑，以及應(yīng)該切換到哪個(gè)備用路徑檢測到故障。這樣做可以避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，但 RSTP 可能太慢而無法有效地服務(wù)于自動(dòng)化應(yīng)用程序。

環(huán)路協(xié)議：環(huán)路協(xié)議可用于連接排列成環(huán)的交換機(jī)。它從網(wǎng)絡(luò)故障中恢復(fù)的速度比 RSTP 快得多，可用于許多關(guān)鍵的自動(dòng)化應(yīng)用程序。環(huán)路協(xié)議沒有標(biāo)準(zhǔn)化，只能使用某些品牌和型號的交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

卓越的安全性

對于運(yùn)行物理設(shè)備并包含有價(jià)值數(shù)據(jù)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)來說，防止任何網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生意外或惡意活動(dòng)的需求至關(guān)重要。非網(wǎng)管型交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，但網(wǎng)管型交換機(jī)可以通過以下方式提供額外保護(hù)：

端口控制：用戶可以禁用未使用的端口以限制未經(jīng)授權(quán)的訪問。

管理和瀏覽器安全：這些設(shè)置包括密碼和 SSL 的使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) HTTPS 確保未經(jīng)授權(quán)的人員或應(yīng)用程序不會(huì)破壞交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

更深入的診斷

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)問題確實(shí)發(fā)生時(shí)，技術(shù)人員需要盡快提供有用的信息以進(jìn)行故障排除。非網(wǎng)管型交換機(jī)通常不支持此類診斷，但網(wǎng)管型交換機(jī)可以通過多種方式提供必要的可見性：

端口監(jiān)控：對于詳細(xì)的故障排除，此功能允許技術(shù)人員識別要檢查的端口，以便將該端口的所有數(shù)據(jù)鏡像到另一個(gè)可用端口。用戶可以將他們的 PC 連接到鏡像端口，并使用 Wireshark 等軟件來檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。

網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)：網(wǎng)管交換機(jī)的配置中提供了網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)頁面，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器連接和訪問這些頁面，前提是他們有適當(dāng)?shù)氖跈?quán)。這些頁面上的數(shù)據(jù)可以幫助識別損壞的數(shù)據(jù)包，例如由現(xiàn)場接線錯(cuò)誤引起的數(shù)據(jù)包。

豐富的意識

流量、冗余、安全和診斷很重要，但如果自動(dòng)化系統(tǒng)和用戶沒有察覺到問題，他們就無法在問題變得更糟之前預(yù)防問題。正確的管理型交換機(jī)可以提供意識，以支持更智能、自動(dòng)化的決策，盡快讓技術(shù)人員參與進(jìn)來，但僅限于必要時(shí)。

有很多方法可以通過管理型交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)感知集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中：

Modbus TCP 和 EtherNet/IP：用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的管理型交換機(jī)可以提供診斷標(biāo)簽，PLC 可以使用 Modbus TCP 或 EtherNet/IP 協(xié)議通過以太網(wǎng)讀取這些標(biāo)簽。如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，PLC 可以使用此信息采取措施，例如停止設(shè)備或通過 HMI 通知操作員。更高級的管理型交換機(jī)允許使用這些協(xié)議實(shí)現(xiàn)完整的管理功能。

簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 (SNMP)：當(dāng)網(wǎng)管型交換機(jī)包含 SNMP 時(shí)，用戶可以使用許多軟件工具來查詢或接收交換機(jī)生成的“陷阱”，并指示硬件健康狀況或其他網(wǎng)絡(luò)事件。

報(bào)警輸出：對于喜歡簡化和不使用交換機(jī)通信協(xié)議的用戶，一些工業(yè)管理型交換機(jī)提供硬接線繼電器輸出，通過PLC數(shù)字輸入報(bào)告電源冗余故障。

生成樹或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)：當(dāng)生成樹或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)通知用戶很重要，因?yàn)檫@表明正常網(wǎng)絡(luò)路徑出現(xiàn)故障。管理型交換機(jī)可以將此類問題報(bào)告給自動(dòng)化系統(tǒng)，因此可以提示用戶在導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障之前識別和修復(fù)主要問題。

媒體訪問控制 (MAC) 表：家庭環(huán)境中的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)和零售場所中的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，其中許多新用戶可能進(jìn)出。另一方面，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常具有穩(wěn)定數(shù)量的客戶端。因此，技術(shù)人員可以通過監(jiān)控交換機(jī)維護(hù)的 MAC 標(biāo)識表來檢測意外變化。

當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)命令閥門移動(dòng)或電機(jī)運(yùn)行時(shí)，終端設(shè)備可以通過傳感器進(jìn)行監(jiān)控，以便驗(yàn)證操作 - 如果失敗，則會(huì)發(fā)出警報(bào)。使用網(wǎng)管型交換機(jī)，設(shè)計(jì)人員可以使用來自交換機(jī)的反饋來執(zhí)行類似的網(wǎng)絡(luò)操作閉環(huán)驗(yàn)證。

采取這些步驟可確保最佳網(wǎng)絡(luò)意識，使自動(dòng)化系統(tǒng)能夠采取行動(dòng)并讓用戶了解情況。關(guān)鍵系統(tǒng)的運(yùn)行尤其需要這種保護(hù)級別。

轉(zhuǎn)向管理型交換機(jī)

非管理型交換機(jī)可以在低優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)限制下經(jīng)濟(jì)高效地將少量設(shè)備連接在一起。但是，對于大多數(shù)自動(dòng)化應(yīng)用程序而言，與非網(wǎng)管型交換機(jī)相比，遷移到網(wǎng)管型交換機(jī)的成本增加并不是主要考慮因素。

對于許多應(yīng)用程序，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮網(wǎng)管型切換當(dāng)前和未來的優(yōu)勢，并根據(jù)以前使用非網(wǎng)管型交換機(jī)的場景識別網(wǎng)管型交換機(jī)。

與簡單的即插即用非管理型交換機(jī)相比，管理型交換機(jī)確實(shí)需要更多的用戶配置。但是，瀏覽器界面和配置指南大大簡化了這項(xiàng)任務(wù)，這意味著 OT 人員無需 IT 參與即可配置和管理工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

與大多數(shù)任何類型的工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目一樣，用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)管理型交換機(jī)雖然價(jià)格更高，但在自動(dòng)化系統(tǒng)的操作、安全和維護(hù)方面具有顯著優(yōu)勢。