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工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)需要強(qiáng)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以便提供所需的可靠性能和網(wǎng)絡(luò) 安全。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 有必要升級(jí)到管理型交換機(jī)。
”
在當(dāng)今世界，以太網(wǎng)速度驚人而且相對可 靠，不管是有線和還是 Wi-Fi 形式，都 已為各個(gè)年齡段和不同技術(shù)能力的人所熟悉， 人們很容易就認(rèn)為 ：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、娛樂電子產(chǎn)品甚至家庭自動(dòng) 化組件連接到本地網(wǎng)絡(luò)，然后再連接到云，而 且大多數(shù)的效果都很好。
使用“大多數(shù)”這個(gè)詞的原因，也是工業(yè)解決方案必須指定工業(yè)產(chǎn)品的原因。雖然對一 般消費(fèi)者來講，任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)置故障通常比問題 更令人討厭，但工業(yè)系統(tǒng)則不同，它們在不斷 通過以太網(wǎng)處理時(shí)間敏感數(shù)據(jù)，在某些情況下 甚至是輸入 / 輸出 (I/O) 信號(hào)。在某種程度上， 這些信號(hào)通常是可選功能，只是提供監(jiān)視信息， 但響應(yīng)式 I/O 和聯(lián)鎖信號(hào)是避免設(shè)備損壞、產(chǎn) 品浪費(fèi)和數(shù)據(jù)丟失所必須的，同時(shí)還能保護(hù)人 員安全。
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)由強(qiáng)大和冗余的電源供電，并與優(yōu)質(zhì)介質(zhì)和配件相連，各種價(jià)位都有， 可以隨時(shí)購買。但用戶必須主動(dòng)做出基本選擇， 是選擇非管理型交換機(jī)——對于某些應(yīng)用來說 這已經(jīng)足夠了，還是選擇管理型交換機(jī)——可以提供顯著的運(yùn)營優(yōu)勢，但采購和配置成本更 高。本文著眼于讓設(shè)計(jì)人員確定是否可以使用 非管理型以太網(wǎng)交換機(jī)，以及何時(shí)需要管理型 交換機(jī)。
工業(yè)級(jí)交換機(jī)
雖然有數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換機(jī)可用本地用戶和組損壞，旨在 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。早期試驗(yàn)性質(zhì)的工業(yè)級(jí)以 太網(wǎng)交換機(jī)，是小批量的專業(yè)產(chǎn)品，并且比同 類商用產(chǎn)品貴得多。
隨著以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化所有層級(jí)中的 普遍應(yīng)用，從現(xiàn)場信號(hào)到控制器和監(jiān)控層都實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，工業(yè)交換機(jī)的價(jià)格也更具競 爭力。改進(jìn)的電子設(shè)備降低了功耗和發(fā)熱，這 樣就可以不必配置容易出現(xiàn)故障的風(fēng)扇。設(shè)計(jì) 人員在選擇網(wǎng)絡(luò)硬件時(shí)，具有更大的自由度， 這樣他們就可以根據(jù)需要，輕松建立從現(xiàn)場到 控制盤臺(tái)再到服務(wù)器機(jī)房的連接。這樣，除了 可以節(jié)省幾美元之外，幾乎沒有任何理由不使 用工業(yè)級(jí)交換機(jī)。
但什么時(shí)候選擇基本的即插即用非管理型交換機(jī)，或者什么時(shí)候轉(zhuǎn)向管理型交換機(jī)， 并不總是那么顯而易見。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) 概念以及與管理型交換機(jī)的相 應(yīng)優(yōu)勢。
何時(shí)選擇管理型交換機(jī)？
對于一個(gè)典型的原始設(shè)備制造商（OEM） 的工業(yè)設(shè)備 ：由帶 I/O 的可編程邏輯控制器 （PLC）、人機(jī)界面（HMI）和其他各種智能設(shè) 備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，小型非管理型工業(yè)交換機(jī)通 常是最好的選擇，其價(jià)格可以低于 100 美元。這些設(shè)備易于使用，提供足夠的網(wǎng)絡(luò)速度，可 用于銅或光纖介質(zhì)。對于簡單的、預(yù)算不多的 項(xiàng)目，它們可能是最好的方式。
但是，一旦互連的設(shè)備數(shù)量增加，或者以 前獨(dú)立的自動(dòng)化設(shè)備與工廠內(nèi)與局域網(wǎng) (LAN) 內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百個(gè)其它系統(tǒng)和智能設(shè)備相互連 接，可能會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)問題。家庭或辦公室環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)，流量過載和其它 網(wǎng)絡(luò)問題，可能只會(huì)造成電子郵件發(fā)送延遲或 視頻播放速度降低，直到問題得到解決。然而， 在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上，流量過載會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行 不正常。
有如下 5 種最常見的情況，如果滿足一 項(xiàng)或多項(xiàng)，就需要管理型交換機(jī) ：
? 增強(qiáng)的流量過濾 ；
? 網(wǎng)絡(luò)冗余 ；
? 全面的安全保障 ；
? 更深入的故障排除和診斷信息 ；
? 為用戶和自動(dòng)化平臺(tái)提供更好的整體網(wǎng) 絡(luò)“意識(shí)”。
更好的通訊
為了最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)延遲、提高網(wǎng) 絡(luò)的確定性水平，必須將通信數(shù)據(jù)包從源設(shè) 備傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)讲恍枰?的地方時(shí)，目標(biāo)設(shè)備就需要消耗資源來處理數(shù)據(jù)包，從而延遲對關(guān)鍵通信的處理。
現(xiàn)代非管理型交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一定程度的數(shù)據(jù)包過濾，或多或少的可以緩解這個(gè)問 題。但非管理型交換機(jī)，無法有效識(shí)別并過 濾很多類型的數(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)到所有相互連接的設(shè)備上。
在商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中，管理型交換機(jī)具有多項(xiàng)功能可以實(shí)現(xiàn)流量過濾 ：
? 多播過濾 ：在控制系統(tǒng)中多播數(shù)據(jù)包 很常見，由非管理型交換機(jī)不加選擇地轉(zhuǎn)發(fā)。管理型交換機(jī)執(zhí)行因特網(wǎng)組管理協(xié)議 (IGMP)， 通過偵聽了解何時(shí)需要這些數(shù)據(jù)包并有選擇 地轉(zhuǎn)發(fā)。
? 虛擬局域網(wǎng) (VLAN) ：管理型交換機(jī)提 供 VLAN，因此用戶可以在同一個(gè)物理裝置 上實(shí)現(xiàn)邏輯分隔網(wǎng)絡(luò)流量。這可以有效地對 設(shè)備進(jìn)行分組，因此每個(gè)組都不會(huì)收到來自 其它組的流量。
? 流量優(yōu)先級(jí) ：使用服務(wù)質(zhì) 量 (QoS) 功能，使設(shè)備可以確定 所發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，這樣管 理型交換機(jī)就可以根據(jù)其優(yōu)先級(jí) 來依次處理每個(gè)數(shù)據(jù)包。
上述功能假設(shè)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行， 但必須綜合考慮各個(gè)方面以克服 任何硬件或介質(zhì)（布線）故障。
冗余建議
一個(gè)基本的非托管以太網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)，只允許在網(wǎng)絡(luò)上的任何兩個(gè) 設(shè)備的端口之間，建立一個(gè)點(diǎn)對 點(diǎn)連接或路徑。在此網(wǎng)絡(luò)上，如 果設(shè)備之間的多條路徑形成環(huán)路， 則數(shù)據(jù)包會(huì)在環(huán)路中無休止地循 環(huán)，從而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，遲早會(huì) 使網(wǎng)絡(luò)的流量不堪重負(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)造成通信中斷。
相對于非管理型交換機(jī)，冗余功能是管理型交換機(jī)的一個(gè)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)楣芾硇徒粨Q機(jī)可 以使用 RSTP 來確定和控制應(yīng)使 用哪條路徑，以及在檢測到故障 時(shí)應(yīng)該切換到哪條備用路徑。這 么做可以避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，但 RSTP 可能因響應(yīng)太慢而無法有效的服 務(wù)于自動(dòng)化應(yīng)用。
? 環(huán)路協(xié)議 ：環(huán)路協(xié)議可用 于連接環(huán)形布置的交換機(jī)，它從 網(wǎng)絡(luò)故障中恢復(fù)的速度比 RSTP快得多，快到可以在很多關(guān)鍵的 自動(dòng)化應(yīng)用中使用。環(huán)路協(xié)議沒 有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，只能用某些品牌 和型號(hào)的交換機(jī)（參見圖 2）實(shí)現(xiàn)。
▎插入公母按扣后，機(jī)器 人將布料放在視覺相機(jī) 鏡頭下進(jìn)行質(zhì)量檢查， 然后將其分類為“合格” 或“不合格”。
雖然升級(jí)到管理型交換機(jī)以 及安裝額外電纜線路需要增加成 本，但擁有多臺(tái)交換機(jī)的工業(yè)自 動(dòng)化項(xiàng)目，通過實(shí)施環(huán)路協(xié)議可 以獲得更大的網(wǎng)絡(luò)彈性。
卓越的安全性
在任何網(wǎng)絡(luò)中都需要防止意 外或惡意活動(dòng)，這對于運(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) 而言至關(guān)重要。非管理型交換機(jī)轉(zhuǎn) 發(fā)數(shù)據(jù)包，但管理型交換機(jī)可以通 過以下方式提供額外的保護(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。
? 管理和瀏覽器安全性 ：這 些設(shè)置包括密碼和使用 SSL 的行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn) HTTPS，可確保未經(jīng)授權(quán) 的人員或應(yīng)用程序無法中斷交換 機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。
更深入的診斷
當(dāng)確實(shí)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題時(shí)，技 術(shù)人員需要盡快提供有用信息以 進(jìn)行故障排除。非管理型交換機(jī) 通常不支持此類診斷，但管理型 交換機(jī)可以通過以下幾種方式提 供必要的可見性 ：
? 端口監(jiān)控 ：為實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的 故障排除，此功能允許技術(shù)人員 識(shí)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。用戶可以將自己的 PC 連 接到鏡像端口，并使用 等軟件來檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。
? 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì) ：在管理型交換 機(jī)的配置中提供了網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)頁面， 只要具有適當(dāng)?shù)氖跈?quán)，用戶就可 以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器連接并訪問這 些頁面。這些頁面上的數(shù)據(jù)可以 幫助識(shí)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。
豐富的感知
流量、冗余、安全和診斷很重要，但如果自動(dòng)化系統(tǒng)和用戶沒有感知到問題，那么在問題惡 化之前也就無法預(yù)防問題。合適 的管理型交換機(jī)可以提供感知以 支持更智能的自動(dòng)決策，讓技術(shù) 人員盡快參與進(jìn)來，但僅限于在 必要時(shí)。
有很多種方法可以通過管理 型交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)感知集成到自動(dòng) 化系統(tǒng)中 ：
? TCP 和 / IP ：面 向 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 TCP 或 /IP 協(xié)議通過以太網(wǎng)讀取 這些標(biāo)簽。如果顯示網(wǎng)絡(luò)有問題， PLC 可以利用這些信息采取行動(dòng)， 例如停止設(shè)備或通過 HMI 通知運(yùn) 行人員。更高級(jí)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。
? 簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 (SNMP) ：當(dāng)管理型交換機(jī)包含 SNMP 時(shí)， 用戶可以利用很多軟件工具來查 詢或接收由交換機(jī)生成的“陷阱”， 并指示硬件運(yùn)行狀況或其它網(wǎng)絡(luò) 事件。
? 報(bào)警輸出 ：對于喜歡簡化 并不使用與交換機(jī)的通信協(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)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)：當(dāng)生成樹或環(huán)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生 變化時(shí)，用戶能夠及時(shí)得到通知 很重要本地用戶和組損壞，因?yàn)檫@表明正常的網(wǎng)絡(luò) 路徑出現(xiàn)故障。管理型交換機(jī)可 以向自動(dòng)化系統(tǒng)報(bào)告此類問題， 因此可以提示用戶在次要問題導(dǎo) 致網(wǎng)絡(luò)故障之前識(shí)別并解決主要 問題。
? 媒體訪問控制 (MAC) 表 ：家庭環(huán)境中的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)和零售企 業(yè)中的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)有許多 新用戶進(jìn)進(jìn)出出。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)人員可以監(jiān)控由 交換機(jī)維護(hù)的 MAC 標(biāo)識(shí)表以檢 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，因此可以驗(yàn) 證操作——如果操作失敗，則會(huì) 發(fā)出報(bào)警。使用管理型交換機(jī)， 設(shè)計(jì)人員可以利用來自交換機(jī)的 反饋，對網(wǎng)絡(luò)操作執(zhí)行類似的閉 環(huán)驗(yàn)證。
采取這些步驟可確保獲得最 佳的網(wǎng)絡(luò)感知，使自動(dòng)化系統(tǒng)能 采取行動(dòng)并讓用戶了解情況。關(guān) 鍵系統(tǒng)的運(yùn)營尤其需要這種級(jí)別 的保護(hù)。
轉(zhuǎn)向管理型交換機(jī)
在低優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)限制的情況 下，非管理型交換機(jī)可以經(jīng)濟(jì)有 效的將少數(shù)設(shè)備連接在一起。但 是，對于大多自動(dòng)化應(yīng)用來講， 與非管理型交換機(jī)相比，遷移到 管理型交換機(jī)的成本增加并不是 一個(gè)主要的考慮因素。
對于許多應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮管理型交換機(jī)直接和未來的 優(yōu)勢，并根據(jù)以前使用非管理型 交換機(jī)的場景來確定管理型交換 機(jī)（見表 1）。
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。然而，瀏 覽器界面和配置指南在很大程度 上簡化了這項(xiàng)任務(wù)，這意味著 OT 人員無需 IT 參與即可完成工 業(yè)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理。
對于大多數(shù)任何類型的工業(yè) 自動(dòng)化項(xiàng)目而言，用戶可能會(huì)發(fā) 現(xiàn)管理型交換機(jī)雖然成本更高， 但是可為運(yùn)營、安全和維護(hù)自動(dòng) 化系統(tǒng)方面帶來顯著收益。
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本文來自于控制工程中文版（ China）2021年8月刊《技術(shù)文章》欄目：如何選擇管理型和非管理型交換機(jī)？