工業(yè)以太網(wǎng)交換機與商用交換機在數(shù)據(jù)交換功能上基本一致，但在設(shè)計上以及在元器件的選用上，產(chǎn)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(zhì)的選用、產(chǎn)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(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

    工業(yè)級設(shè)計一般在設(shè)計上滿足：工業(yè)寬溫設(shè)計，4級電磁兼容設(shè)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(wǎng)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(wǎng)交換機的必要性。

    1、確定性

    由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò)上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負荷過大時，更加明顯。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對數(shù)據(jù)的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十ms內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突的時候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試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(chǎn)的停止甚至是設(shè)備，人身安全事故。

    3、可靠性

    由于以太網(wǎng)在設(shè)計之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)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(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

    工業(yè)以太網(wǎng)交換機在設(shè)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(wǎng)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(shè)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(jīng)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(chǎn)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(jù)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(wǎng)交換機在功能上與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊更接近，比如與各種現(xiàn)場總線的互通互聯(lián)、設(shè)備的冗余以及設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響面是最廣泛的。

    本文主要論述溫度這一重要參數(shù)對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備可靠性的指標

    可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。任何產(chǎn)品不論是機械、電子，還是機電一體化產(chǎn)品都有一定的可靠性，產(chǎn)品的可靠性與實驗、設(shè)計和產(chǎn)品的維護有著極大的關(guān)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(chǎn)品在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，亦稱平均無故障時間MTBF（meantimebetweenfailure）；

    2．平均維修時間MTTR是指產(chǎn)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(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下使用到時刻t后，產(chǎn)品失效的概率。產(chǎn)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(shè)計初期，由于產(chǎn)品設(shè)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(shè)計、改進工藝、老化元器件、以及整機試驗等，使產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品、尤其是工業(yè)類產(chǎn)品最常用的是MTBF，也就是平均無故障時間。

    二、溫度和MTBF的關(guān)系

    由于現(xiàn)代電子設(shè)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(chǎn)生熱耦合。因此，熱應力已經(jīng)成為影響電子元器件失效率的一個最重要的因素。對于某些電路來說，可靠性幾乎完全取決于熱環(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最低水平。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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(jié)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(jié)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(nèi)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(nèi)溫度只比周圍的環(huán)境溫度高約15℃。

    2．機內(nèi)溫度達到85℃時，實際上溫度已經(jīng)開始影響到了機內(nèi)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(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(nèi)溫度而延長設(shè)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(jù)）。

    工業(yè)類設(shè)備不同于商用設(shè)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(zhì)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(shè)計，也就是熱設(shè)計就顯得尤為重要了。

    三、熱設(shè)計

    正是由于過高溫度對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響是致命的，所以在設(shè)計這類產(chǎn)品時，除了設(shè)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(shè)備的熱設(shè)計。

    電子產(chǎn)品的熱設(shè)計主要包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術(shù)，這里筆者主要討論工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的散熱技術(shù)和加裝散熱器技術(shù)。

    （一）散熱應用中常采用的方法

    第一種是傳導散熱方法，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(shè)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(zhì)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。

    （二）加裝散熱器

    工業(yè)電子類設(shè)備在熱設(shè)計中，最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(jié)溫Tj，使其低于半導體器件的最大結(jié)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(nèi)熱阻RTj、結(jié)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(jù)。Tj、RTj是半導體器件提供的參數(shù)，Pc是設(shè)計要求的參數(shù)，RTc可以從熱設(shè)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(jù)RTf和Pc來選擇散熱器。選擇時，根據(jù)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(jù)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(shè)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(nèi)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(jù)），2萬小時后風扇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速降低及灰塵堆積太厚導致機箱內(nèi)關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(jù)被測元件的溫度或風扇轉(zhuǎn)速信號自動調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速，給網(wǎng)絡(luò)交換機散熱。風扇的轉(zhuǎn)速主要與交換機負載和環(huán)境溫度有關(guān)。在環(huán)境溫度一定時，當交換機數(shù)據(jù)負載減輕時，功耗減小，風扇轉(zhuǎn)速自動降低，當交換機數(shù)據(jù)負載加重時，功耗加大，風扇速轉(zhuǎn)速自動上升。在數(shù)據(jù)負載一定的情況下，當交換機處在低溫環(huán)境時，風扇轉(zhuǎn)速自動降低，處在高溫環(huán)境時風扇轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(shù)后可延長風扇壽命，減少機內(nèi)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(zhuǎn)、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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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。

    （1）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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)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(zhì)的區(qū)別。

    ②智能風扇應設(shè)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(shè)計和散熱措施，就可以大大提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MTBF，延長其壽命，從而避開法則，使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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。