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工业交换机与商业交换机的区别?

日期: 2022-05-06
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很多人认为,工业交换机与商业交换机比较就是外形不一样,体积小,安装方式不同;或者堵上几个孔就可以宣称是工业交换机了。真是这样么?真正的工业交换机是怎样的?到底工业在哪,和商业交换机区别是什么?这里给大家作个简单分析介绍,欢迎大家指正与交流。

一、功能方面

工业交换机和商业交换机没有本质区别,甚至由于商业领域具有对不同场景的广泛兼容性,其功能特性反而更多;而工业交换机则在具备大部分交换机常用功能基础上,增加了一些针对特定行业应用需求的内容特性。比如与各种现场总线的互通互联、设备的冗余以及通信的实时性等,电力行业和工业自动化领域的需求就都有各自不同的特点。

简单来讲商业交换机功能方面属于普而华,而工业交换机则更追求精而实。

二、性能方面

工业交换机与商业交换机更多的差异在于可靠性上。其主要体现在环境适应性、功能可用性两个方面的区别。

1.    环境适应性

环境适应性也分气候环境适应性、机械环境适应性、电磁环境适应性、海拔环境适应性四个主要方面。

1.1气候环境角度

不提国外,只说国内实际情况吧。咱们国家因为地域分布广,东西南北各地区的气候环境都有着极大的差异,而且同一个地区春夏秋冬温差都很大。北方地区最热跟最冷的天儿都能差40~50℃了;湿度上南方潮湿多雨,西方、北方干燥多风。

在很多沿海城市和海上应用中,空气里面都含高盐成分,温度也较大;大家都知道,潮湿、盐分沉积都是会腐蚀电子设备、金属材料等导致设备失效、金属受损的;且在我国西部、北部地区等很多地方又是干旱、多风、多沙尘的天气,这些恶劣环境尤其是户外应用对电子设备的正常工作都有很大影响。

正是这些差异,使得我们对电子设备气候适应性方面要求很高。

像商业交换机一般应用在气候防护场所较优越的地方(如室内、温湿度控制较好的封闭场所等),而工业交换机大多数应用在遮蔽场所(温湿度不受控,仅是避免太阳直射和雨淋等)和户外场所等。所以商业交换机一般是使用在0~50℃温度和10%~90%湿度环境、无防护或低防护的条件下;而工业交换机则具备-25~75℃和-40~85℃等多种宽温度和4%~100%湿度环境下使用,其温湿度适应性更高更广。而且工业交换机则更多的是面向工业现场需求使用的,比如针对高盐雾地区,也会增加设备防护能力,如三防、抗氧化、抗硫化、全密封等,以满足设备在环境比较恶劣的情况下,仍能正常工作。

1.2机械环境角度

机械环境呢,更多的是指设备对振动、冲击、跌落、地震等方面的抵御能力。像商业交换机一般都只是模拟在运输条件下的测试,而且相关测试是在带外包装的情况进行的,所以测试考察的也是外包装对设备的保护性能。对应指标也都比较低,一般为Bm级以下。对于抗地震没有明确要求。

工业交换机则有着比较严格的要求,包括带包装模拟测试、单机运行状态下的测试等,其指标要求至少是Cm级,很多场景应用还要求达到Dm级;而且有些工业应用场景对于抗地震能力也有严格的测试要求。说到这里,像深圳厚石网络的交换机就有通过抗震II级和I级的测试,这个在工业应用里是相当少见和牛掰的。有机会大家可以去PK一下。

       为了达到机械环境测试要求,工业设备的电路都会做一些加固处理。

1.3电磁环境可靠性

电磁环境可靠性主要指设备在复杂电磁环境下的可靠性,如静电抗扰能力(ESD)、抗电磁场辐射能力、电快速脉冲抗扰能力(EFT)、抗浪涌冲击能力(SURGE)、供电谐波抗扰能力等等。这其中每一项都有相对应的国家标准或行业标准进行规范,当然同一项标准内也规定了不同的测试等级,而不同的等级要求可能差别很大。所以当我们看到产品通过某项测试标准的测试,要留个心眼。测试的是哪个等级?

一般情况下,像商业交换机抗静电能力最多是3级以内(3级标准:接触放电6KV,空气放电8KV),在干扰移除后设备能恢复正常运行即可;而工业交换机则要求抗静电能力至少达到3级标准,行业一般要做到4级标准(4级标准:接触放电8KV,空气放电15KV),且干扰施加过程中设备运行无影响。

其它如电快速脉冲抗扰能力、抗浪涌冲击能力、供电抗扰能力等在工业设备中都能达到3级或以上标准。工业交换机能轻松应对的,确是商业交换机的能力屏障。

为什么一定要做到这些呢?因为工业场景环境有时候太恶劣了。工业交换机的旁边可能安装了电机、控制器、信号采集、大电流机器等各类设备,这些设备的电磁干扰有时候非常大。安装一台普通交换机,或者市面上宣称的所谓“工业交换机”(其实是商业级的设计)可能能用,但是保不住三天两头出各种异常问题。而这类问题想排查都很困难。

1.4 海拔环境可靠性

国内南方海拔高度接近海平面,而西部地区平均有2000~5000米海拔.一般商业交换机平均使用在海拔2000米以下,超过海拔2000米需要定制;而工业交换机则可以直接使用在海拔5000米的地区无压力。这里对电气设计有一定的要求,因为高海拔下,电气击穿具体更短。电源的设计要增大安规距离的考虑。

2.    功能可用性

功能可用性方面工业交换机比商业交换机考虑点更多一些。比如工业交换机通常具备预知和告警、冗余设计、长寿命设计等。

2.1 预知和告警功能

预知和告警是指交换机设备使用过程中的异常自检预知,风险判断,以及对产生的异常进行记录并发出告警通知。此功能非常便于日常的运营和维护。普通商业交换机只有部分高端产品才有相应日志记录,而工业交换机通常都具备日志记录、异常告警、异常通知等功能。异常告警包括供电异常、链路异常、流量异常、非法入侵等很多方面,这些告警信息可通过工业交换机预留的专门的告警接口发出。

另外厚石网络的工业交换机不仅可以通过WEB管理、串口管理,还能通过网管平台软件进行远程管理,极大的节约了人力成本和运维成本。

2.2 冗余设计角度

冗余设计是为了保证设备在出现一些异常情况下仍然可用的一道保障。

商业交换机因为成本敏感并且对可靠性要求一般,通常不会做太多冗余设计。

但是工业场景不同。生产线停线带来的损失是巨大的,如果是发电厂或电力输送监控出现异常,损失更是不可估量。所以尽管工业级设备可靠性已经非常高了,为了规避万一发生的异常事件,仍然值得做冗余设计来加固保险。

冗余设计通常更关注设备的相对薄弱点,比如电源。据统计数据,在实际应用中,电子设备的失效相当一部分是因为电源失效导致。普通商业交换机一般采用单电源供电,而工业交换机则采用双电源互为备份的供电方式。

再比如程序数据的备份,工业交换机要考虑程序出错后,数据的恢复问题。

在交换机设备组网应用中,商业场景更多考虑组网的方便性和积极性。如采用星形组网、树形组网等。而工业应用中必须考虑更可靠的组网方式,如多冗余备份的环形组网。在通信链路出现单点故障时,环形组网可以确保网络数据通过备份的通道进行传输。

但是环形组网带来一个技术问题。为了规避数据环路产生广播风暴,在环网无故障的时候要对某些通信端口实行阻塞处理,而在网络故障发生时再取消阻塞。单环的时候通信信道切换逻辑是非常清晰的,但切换仍会带来短暂的通信中断。而在复杂组网情况下,哪些端口要保持阻塞,哪些端口需要取消阻塞则需要一些更复杂的计算。

厚石网络工业交换机采用ERPS协议,在非常复杂的组网环境中仍能确保环网收敛时间小于20ms,比国家标准中环网切换时间最高标准50ms还要低60%。     

      2.3 使用寿命角度

商业交换机通常平均使用寿命为3~5年,而工业交换机使用寿命则一般是10年以上。好的工业交换机产品应该是存在感低的产品,安装以后你就忘了它的存在,它不声不响,老实转发数据,不会轻易去刷存在感。

综上,我们可以这样讲,不管严寒酷暑(-40~85度)、风吹雨打(高IP防护)、 山崩地裂(抗地震),厚石工业交换机都可以不顾外届的纷纷扰扰(抗电磁干扰),为你上山下海(高海拔、高盐雾环境等),为你来回奔波(车载应用),为你耐得住寂寞(光伏发电),为你守得住繁华(智能交通),更能恪守坚韧(超长寿命),默默耕耘(安静稳定),只求不辱使命,回报客户信任。

这样的工业交换机是怎么做到长使用寿命,高可靠性的?

1.    工业级交换机的设计

有句话说的好,可靠性不是测试出来的,而是设计出来的。设计中针对可靠性的考虑是电子设备设计中的重中之重,商业交换机要考虑可靠性设计,工业交换机要考虑的则更多,多很多。

可靠性的设计对比,我们简要从器件选型、电磁防护设计、冗余设计、结构可靠性设计几个方面来进行。

3.1 器件选型角度

在器件选型方面,正常情况下,商业交换机选用的都是商业级器件,工业级交换机基本都用工业级器件,同样型号的器件,商业级和工业级价格差异可以非常大。

但是也有一些打着工业级交换机旗号的产品,其实用的是商业级的器件。这类产品通常只能做到最大温度范围-20~60度。商业级的芯片不管散热如何设计,也没法在85度环境下稳定工作。好在这类产品价格更低,小石不是不建议大家使用,但是一定得注意是否能够满足应用场景的温度范围需求。

在电容的选择上,商业交换机多使用普通电解电容,这类电容材料所限一般寿命短,温度变化下的稳定性差,就会导致电源波动而影响交换机性能;而工业交换机则多用固态电解电容,钽电容等稳定性好的器件。

器件降额选型方面,一般商业交换机厂家都仅会考虑降额10%左右,而工业交换机设备则至少考虑30%以上的降额。

3.2 电磁防护角度

电磁干扰主要包括从空间辐射来的电磁干扰,从电源或通信线缆传导来的电磁干扰,也有通过金属结构的接触带来的静电骚扰。每一项干扰的测试和防护设计展开来都可以写一万字以上的论文。以后找机会,我们详细讨论这里面的细节。这里小石只想让大家意识到一点,优秀而可靠的产品设计,对功能性的考虑只是其中一小部分。为什么到华强北5元就可以买一个充电器,苹果的充电器却要卖几百,功能方面其实没差别,都可以充电。这里的价格差异不仅有品牌议价的成分,也包含了高品质电源防护器件的价值。

 

3.3 冗余设计角度

见上文,此处略。

3.4 结构设计角度

商业交换机外壳一般有塑料和金属两种,结构形态则有盒式、桌面式、机架式多种; 而工业交换机外壳则以金属型结构为主,结构则有立式卡轨型、机架式、异形等各种样式。

外壳防护等级方面,由于应用环境无特殊要求,所以商业交换机通常多以IP20和IP30级为主;有些商业交换机为了散热使用风扇,不仅降低了设备使用寿命,更给环境带来了噪音污染;设备应用过程中要求低尘环境,摆放位置也要留出足够的风道空间;

而工业交换机外壳则一般全密封,采用自然散热。工业交换机的防护等级至少为IP40级,特殊应用的有IP67防水级。这样也使工业交换机能有效满足高尘、高湿等环境应用,如沙漠、煤矿、海上、露天等环境。

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