隨著工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展,，管理型交換機(jī)解決了許多與流 量增加、冗余和安全要求以及提高網(wǎng)絡(luò)感知的普遍需求有關(guān)的問題,。圖 片來源 ：Automation Direct

作者：Bill Dehner

在當(dāng)今世界,，以太網(wǎng)速度驚人而且相對(duì)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(duì)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?cè)诓粩?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(gòu)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(duì)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(yíng)優(yōu)勢(shì),，但采購(gòu)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),。

雖然有數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換機(jī)可用，旨在 滿足嚴(yán)格的性能要求,，但安裝在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)信號(hào)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)格也更具競(jìng) 爭(zhēng)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(chǎng)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(yíng)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(shì),。

對(duì)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(duì)于簡(jiǎn)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) ：

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(duì)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 ：

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,。

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(duì) 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(duì)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(shì),。兩種常見的方法是 ：

▎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,。

在任何網(wǎng)絡(luò)中都需要防止意 外或惡意活動(dòng)，這對(duì)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) ：

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 ：

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 ：

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(duì)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(yíng)尤其需要這種級(jí)別 的保護(hù)。

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(duì)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(duì)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(shì),，并根據(jù)以前使用非管理型 交換機(jī)的場(chǎng)景來確定管理型交換 機(jī)（見表 1）。

與簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(yíng),、安全和維護(hù)自動(dòng) 化系統(tǒng)方面帶來顯著收益。