¿Cuál es la diferencia entre conmutadores de nivel industrial y de red?

La diferencia entre los conmutadores Ethernet industriales y los conmutadores Ethernet comerciales

Los conmutadores Ethernet industriales y los conmutadores comerciales son básicamente iguales en las funciones de intercambio de datos, pero en términos de diseño y selección de componentes. De resistencia y aplicabilidad, el producto puede satisfacer mejor las necesidades de los sitios industriales.

Además, es más flexible que los conmutadores comerciales en términos de expansión de módulos: hay una variedad de puertos ópticos y eléctricos para elegir. Puede satisfacer las necesidades de los sitios industriales en términos de selección de materiales, resistencia del producto, aplicabilidad, rendimiento en tiempo real, interoperabilidad, confiabilidad, antiinterferencias y seguridad intrínseca.

Los diseños de grado industrial generalmente cumplen con los siguientes requisitos de diseño: diseño industrial de amplia temperatura, diseño de compatibilidad electromagnética de nivel 4 y entrada de alimentación de CA y CC redundante. Además, las placas de PCB generalmente se tratan con "tres prevenciones".

¿Por qué las plantas industriales deberían elegir conmutadores Ethernet industriales adecuados en lugar de conmutadores comerciales baratos? Podemos determinar la necesidad de seleccionar conmutadores Ethernet industriales en sitios industriales a partir de los siguientes aspectos.

1. Determinismo

Dado que el protocolo de capa MAC de Ethernet es CSMA/CD, este protocolo causa conflictos en la red, especialmente cuando la carga de la red es demasiado pesada, se vuelve más obvio. . Para una red industrial, si hay una gran cantidad de conflictos, los datos deben retransmitirse varias veces, lo que aumenta en gran medida la incertidumbre de la comunicación entre redes. Esta incertidumbre de un lugar a otro en la red de control industrial conducirá inevitablemente a una reducción en el rendimiento del control del sistema.

2. Rendimiento en tiempo real

En los sistemas de control industrial, el tiempo real se puede definir como la mensurabilidad del tiempo de respuesta del sistema ante un evento. Es decir, después de que ocurre un evento, el sistema debe responder dentro de un plazo de tiempo previsible con precisión. Sin embargo, la industria tiene requisitos muy estrictos en tiempo real para la transmisión de datos y las actualizaciones de datos a menudo se completan en decenas de ms. También debido al mecanismo CSMA/CD en Ethernet, cuando ocurre un conflicto, los datos deben retransmitirse y se puede intentar hasta 16 veces. Está claro que este mecanismo de resolución de conflictos requiere tiempo. Y una vez que se produce una desconexión, aunque sea por unos pocos segundos, puede provocar que se detenga toda la producción o incluso provocar accidentes en el equipo y la seguridad personal.

3. Fiabilidad

Porque Ethernet no fue diseñado originalmente para aplicaciones de redes industriales. Cuando se aplica en sitios industriales, enfrenta duras condiciones de trabajo, severas interferencias entre líneas, etc., lo que inevitablemente hará que su confiabilidad disminuya. En un entorno de producción, las redes industriales deben tener buena confiabilidad, recuperabilidad y mantenibilidad. Esto es para garantizar que cuando falla cualquier componente de un sistema de red, no provocará que la aplicación, el sistema operativo o incluso el sistema de red colapsen y se paralicen.

Los conmutadores Ethernet industriales están diseñados teniendo en cuenta las complejas condiciones de los sitios industriales, para que puedan adaptarse mejor al entorno industrial y desempeñar el papel de conmutadores.

La diferencia entre los conmutadores Ethernet industriales y los conmutadores normales se refleja principalmente en las funciones y el rendimiento.

El ambiente en los sitios industriales es peor que el ambiente normal, al menos en términos de vibración, humedad y temperatura. Los interruptores comunes no están diseñados para soportar diversas condiciones que ocurren en entornos industriales. funcionan durante mucho tiempo en un entorno tan hostil y, a menudo, son propensos a fallar, lo que aumenta los costos de mantenimiento. Por lo general, no se recomienda utilizar interruptores comerciales en entornos industriales para permitir que los interruptores se utilicen en entornos tan hostiles. , se producen interruptores que pueden adaptarse a este entorno. La confiabilidad de los interruptores de grado industrial incluye fallas de energía, interrupción de puertos, alarma de salida de relé, entrada de alimentación de CC dual redundante, protección de circuito activo y protección de interrupción automática para sobretensión y subtensión. (la confiabilidad varía ligeramente según el modelo)

La diferencia funcional se refiere principalmente al hecho de que los conmutadores Ethernet industriales están funcionalmente más cerca de las comunicaciones de redes industriales, como la interconexión con varios buses de campo, redundancia de equipos y equipos en tiempo real. , etc .; la diferencia en el rendimiento se refleja principalmente en las diferencias en la adaptación a los parámetros ambientales externos. Además de muchos entornos particularmente hostiles, como minas de carbón y barcos, los entornos industriales también tienen requisitos especiales en términos de EMI (compatibilidad electromagnética), temperatura, humedad y prevención de polvo. Entre ellos, la temperatura tiene el mayor impacto en los equipos de redes industriales.

Este artículo analiza principalmente el impacto de la temperatura, un parámetro importante, en los conmutadores de redes industriales.

Los parámetros de funciones y otros aspectos del rendimiento no se describirán aquí.

1. Indicadores para medir la confiabilidad de los equipos

La confiabilidad se refiere a la capacidad de un producto para completar funciones específicas en condiciones específicas y dentro de un tiempo específico. Cualquier producto, ya sea mecánico, electrónico o mecatrónico, tiene un cierto grado de confiabilidad. La confiabilidad del producto está estrechamente relacionada con la experimentación, el diseño y el mantenimiento del producto.

Existen muchos indicadores para medir la confiabilidad, y los más comunes son los siguientes:

1. Confiabilidad R (t), es decir, la probabilidad de que un producto complete la función especificada en condiciones específicas y dentro del tiempo especificado, también conocida como MTBF (tiempo medio entre fallas);

2. El tiempo medio de reparación (MTTR) se refiere al tiempo necesario para que un producto recupere sus funciones especificadas tras el descubrimiento de una falla;

3. La tasa de falla λ (t) se refiere a la probabilidad de falla del producto después de que se usa en condiciones de uso específicas hasta el momento t. Los cambios de confiabilidad de los productos generalmente siguen ciertas reglas y sus curvas características tienen la forma de una bañera, que a menudo se denomina "curva de bañera". En las primeras etapas de experimentación y diseño, la tasa de falla temprana es alta debido a errores en el diseño y fabricación del producto, software imperfecto y selección insuficiente de componentes. A través de modificaciones de diseño, mejoras de procesos, componentes obsoletos y pruebas completas de la máquina, el producto. entra en un período de falla accidental estable después de un período normal de uso, el producto entra en un período de desgaste debido al desgaste de los componentes, el envejecimiento de la máquina y el mantenimiento. Esta es la razón por la que la curva característica de confiabilidad tiene forma de "curva de bañera". La medida más utilizada de un producto electrónico, especialmente un producto industrial, es MTBF, que es el tiempo medio entre fallas.

2. La relación entre temperatura y MTBF

A medida que la densidad de los componentes electrónicos utilizados en los equipos electrónicos modernos es cada vez mayor, esto hará que los componentes interactúen a través de conducción y radiación. y se produce convección. Por lo tanto, el estrés térmico se ha convertido en uno de los factores más importantes que afectan la tasa de falla de los componentes electrónicos. Para algunos circuitos, la confiabilidad depende casi por completo del entorno térmico. Por lo tanto, para lograr el propósito de confiabilidad esperado, la temperatura de los componentes debe reducirse al nivel más bajo que sea realmente alcanzable. Algunos datos muestran que por cada aumento de 10°C en la temperatura ambiente, la vida útil de los componentes se reduce aproximadamente a la mitad. Esta es la famosa "regla de los 10 ℃".

Prueba MTBF: El RPP (procedimiento de predicción de confiabilidad) de Bellcore es actualmente ampliamente utilizado en el extranjero para medir el MTBF de los equipos, que incluye el número de transistores, la atenuación de potencia y los parámetros ambientales. Analizamos el informe de prueba del conmutador de red de 24 puertos que utiliza ventiladores para enfriar. Cuando la temperatura ambiente es de 30 ℃, 40 ℃ y 50 ℃, los resultados de la prueba del conmutador sin ventilador y del interruptor del ventilador son:

30℃ 40℃ 50℃

10 años, 9,5 años y 8 años sin refrigeración por ventilador

8 años, 7,5 años y 7 años con refrigeración por ventilador

Además, pasamos el laboratorio TSC También se encontraron dos resultados en la prueba de temperatura:

1. Si no se toman medidas de disipación de calor, después de 4 horas de funcionamiento normal de un conmutador de 24 puertos (excluidos los puertos ópticos), su temperatura interna será aproximadamente 40 °C más alta que la temperatura ambiente circundante mientras el mismo conmutador utilice un ventilador; El enfriamiento La temperatura dentro de la máquina es sólo unos 15°C más alta que la temperatura ambiente circundante.

2. Cuando la temperatura interna de la máquina alcanza los 85°C, la temperatura en realidad ha comenzado a afectar la vida útil de muchos componentes del chip en la placa base dentro de la máquina. En otras palabras, si no se toman buenas medidas de disipación de calor, cuando la temperatura ambiente externa. es de 45 a 50°C, el MTBF del interruptor disminuirá significativamente.

Se puede ver que la temperatura tiene un gran impacto en los productos de redes industriales. Si se utilizan ventiladores para enfriar como interruptores comerciales, se puede reducir efectivamente la temperatura dentro de la máquina y extender el MTBF del equipo. pero la vida útil del propio ventilador también es muy limitada (2,28 años) (datos proporcionados por SANYO FAN DATA SHEET).

Los equipos industriales se diferencian de los equipos comerciales: a menudo funcionan durante todo el año tan pronto como se encienden y el entorno operativo suele ser hostil. La arena, el polvo, los insectos y la humedad afectarán directamente el funcionamiento. del ventilador. La vida útil de un ventilador con interruptor de buena calidad es generalmente de 20.000 horas. Una vez que el ventilador alcanza su fecha de caducidad, resulta muy importante detectarlo y reemplazarlo.

Debido a que los interruptores activos de disipación de calor están diseñados para disipar el calor principalmente mediante ventiladores. Una vez que el ventilador falla y no se reemplaza a tiempo, entrará en vigencia la "regla de los 10°C": por cada aumento de 10°C en la temperatura ambiente dentro de la máquina. , la vida útil de los componentes se reducirá a la mitad. La acumulación de calor dentro del interruptor hará que su rendimiento se degrade rápidamente hasta que colapse. Por tanto, el diseño del sistema de refrigeración de los interruptores industriales, es decir, el diseño térmico, es especialmente importante.

3. Diseño térmico

Es precisamente porque el impacto del exceso de temperatura en los equipos de la red industrial es fatal, por lo que a la hora de diseñar este tipo de productos, además de los componentes del equipo, se tiene en cuenta. una amplia gama de Además de los componentes de grado industrial dentro del rango de temperatura, se debe prestar total atención al diseño térmico del equipo.

El diseño térmico de productos electrónicos incluye principalmente tres tipos de tecnologías: disipación de calor, instalación de radiadores y refrigeración. Aquí el autor analiza principalmente la tecnología de disipación de calor y la tecnología de instalación de radiadores en equipos de redes industriales.

(1) Métodos comúnmente utilizados en aplicaciones de disipación de calor

El primero es el método de disipación de calor conductivo. Se pueden utilizar materiales con alta conductividad térmica para fabricar elementos de transferencia de calor o para reducirlos. póngase en contacto con la resistencia térmica y trate de acortar el camino caliente.

El segundo es la disipación de calor por convección. Hay dos métodos de disipación de calor por convección: disipación de calor por convección natural y disipación de calor por convección forzada. Se deben tener en cuenta los siguientes puntos para la disipación de calor por convección natural:

l Se debe dejar espacio adicional al diseñar tableros y componentes impresos;

l Al organizar los componentes, se debe prestar atención a la Distribución razonable del campo de temperatura;

l Preste total atención a la aplicación del principio de soplado de viento de la chimenea;

l Aumente el área de contacto con el medio de convección.

Los métodos de enfriamiento por convección forzada pueden utilizar ventiladores (como los ventiladores de las computadoras) o métodos push-pull de entrada dual (como los métodos push-pull con intercambiadores de calor).

El tercer método consiste en utilizar características de radiación térmica, lo que se puede lograr aumentando la rugosidad de la superficie del elemento calefactor, aumentando la diferencia de temperatura ambiente alrededor del radiador o aumentando el área del superficie del radiador.

(2) Instalación de un radiador

En el diseño térmico de equipos electrónicos industriales, el método más utilizado es la instalación de un radiador, cuya finalidad es controlar la temperatura de los semiconductores, especialmente es la temperatura de unión Tj, haciéndola inferior a la temperatura de unión máxima Tjmax del dispositivo semiconductor, mejorando de este modo la fiabilidad del dispositivo semiconductor. Cuando el dispositivo semiconductor y el radiador se instalan y trabajan juntos, incluyen: la resistencia térmica RTj dentro del dispositivo semiconductor, la temperatura de unión Tj, la temperatura de la caja Tc, la temperatura del radiador Tf, la temperatura ambiente Ta y la potencia utilizada por el dispositivo semiconductor Pc.

La resistencia térmica RTf del radiador debe ser: RTf=(RTj-Ta)/Pc-RTj-RTc

La resistencia térmica RTf del radiador es la base principal para seleccionar el radiador. Tj y RTj son parámetros proporcionados por dispositivos semiconductores, Pc es un parámetro requerido por el diseño y RTc se puede encontrar en libros profesionales de diseño térmico. A continuación se presenta la selección de radiadores.

1. Selección del radiador de refrigeración natural

Primero calcule la resistencia térmica total RT y la resistencia térmica RTf del radiador, es decir:

RT=(Tjmax-Ta)/Pc

RTf=RT-RTj-RT.

Después de calcular RT y RTf, el radiador se puede seleccionar en función de RTf y Pc. Al seleccionar, de acuerdo con las curvas RTf y Pc de disipación de calor seleccionadas, encuentre la Pc conocida en la abscisa y luego encuentre la resistencia térmica R'Tf del radiador correspondiente a Pc.

Según el principio de R'Tf≤RTf, basta con elegir un radiador razonable.

2. Selección del radiador de refrigeración por aire forzado

Al seleccionar un radiador de refrigeración por aire forzado, se debe seleccionar un radiador adecuado en función de la resistencia térmica RTf y la velocidad del viento del radiador.

3. Diseño de ventiladores de refrigeración

Los ventiladores de los interruptores comerciales comunes siempre funcionan a máxima velocidad (Full SPD). Además de provocar un desperdicio de energía y aumentar el ruido de toda la máquina, también aumentará el calor innecesario. y chasis Acumulación excesiva de polvo en el interior, etc. Más importante aún, cuando el ventilador está a máxima velocidad, su vida útil es de aproximadamente 20.000 horas, que son 2,28 años (datos proporcionados por SANYO FAN DATA SHEET). Después de 20.000 horas, la velocidad del ventilador disminuirá gradualmente, provocando inestabilidad en toda la máquina. factor. Sin embargo, como no existe una unidad de monitoreo, este tipo de peligro oculto es difícil de detectar: ​​por ejemplo, cuando la tasa de pérdida de paquetes de un conmutador aumenta gradualmente, no es fácil descubrir que se debe al envejecimiento del ventilador. , la velocidad disminuye y la acumulación de polvo es demasiado espesa, lo que hace que aumente la temperatura de los componentes clave del chasis.

Los conmutadores industriales deben utilizar ventiladores de alta velocidad (High SPD) y tener circuitos de monitoreo inteligentes para monitorear y controlar el estado operativo de los conmutadores de red en tiempo real, como monitorear los ventiladores del chasis, la temperatura del chip de conmutación principal, el chasis. temperatura y dispositivos transceptores ópticos Temperatura, etc., esto es lo que llamamos un "ventilador inteligente".

Durante el funcionamiento del interruptor, el circuito de monitoreo inteligente ajustará automáticamente la velocidad del ventilador de acuerdo con la temperatura del componente que se está midiendo o la señal de velocidad del ventilador para disipar el calor para el interruptor de red. La velocidad del ventilador está relacionada principalmente con la carga del interruptor y la temperatura ambiente. Cuando la temperatura ambiente es constante, cuando se reduce la carga de datos en el conmutador, el consumo de energía disminuye y la velocidad del ventilador disminuye automáticamente. Cuando la carga de datos en el conmutador aumenta, el consumo de energía aumenta y la velocidad del ventilador aumenta automáticamente. Cuando la carga de datos es segura, cuando el interruptor está en un ambiente de baja temperatura, la velocidad del ventilador disminuye automáticamente y cuando el interruptor está en un ambiente de alta temperatura, la velocidad del ventilador aumenta automáticamente. En condiciones de alta temperatura y alta carga, el ventilador puede estar en el estado de emergencia de alta velocidad (High SPD), que es mejor que el estado de velocidad máxima (Full SPD) para garantizar el funcionamiento seguro de la red.

4. Características operativas del controlador de ventilador inteligente

El uso de tecnología de control de ventilador inteligente puede extender la vida útil del ventilador, reducir la acumulación de polvo en la máquina, reducir el ruido del ventilador, ahorrar energía y garantizar el funcionamiento efectivo del sistema. . Además, el controlador no solo puede proporcionar alarmas por falla y calado del ventilador y temperatura que excede la línea de advertencia, sino que también puede proporcionar las advertencias correspondientes para peligros ocultos tempranos debido al envejecimiento o aumento anormal en la resistencia del conducto de aire, velocidad inferior a la normal o anormalidad. El aumento de la temperatura en los puntos de vigilancia. Las indicaciones de voz en chino e inglés facilitan a los gestores de la red eliminar los accidentes de raíz.

En resumen, debido a la particularidad del entorno en el que se ubican los conmutadores Ethernet industriales y la particularidad de su uso (no se pueden apagar), las contramedidas utilizadas para hacer frente a las altas y bajas temperaturas, principalmente las altas temperaturas. entornos, son diferentes de los comunes. Hay muchos tipos diferentes de interruptores.

(1) Para condiciones de menor potencia, generalmente cuando P ≤ 10W, trate de no usar ventiladores para disipar el calor, sino use la disipación de calor natural. Si a través de convección natural, o aumenta el área de la carcasa, la carcasa se arruga. o utilizar mejores perfiles de conducción de calor, como aluminio, etc.

(2) Para situaciones de mayor potencia, cuando P ≥ 15 W, especialmente cuando hay múltiples puertos ópticos, o incluso múltiples puertos ópticos monomodo, y el problema no se puede resolver mediante la disipación natural del calor, debe Utilice refrigeración activa para resolver problemas térmicos. El método de enfriamiento activo actualmente se refiere principalmente a la instalación de ventiladores. Sin embargo, debido a la particularidad de los equipos de redes industriales que no se pueden apagar y necesitan funcionar durante mucho tiempo, el uso de ventiladores se debe considerar de la siguiente manera.

① El ventilador es diferente de los ventiladores de equipos electrónicos comunes. Debe ser inteligente. Los ventiladores inteligentes son cualitativamente diferentes de los ventiladores comunes en términos de vida útil y función.

② El ventilador inteligente debe estar diseñado para ser intercambiable en caliente, es decir, el ventilador se puede reemplazar en línea si el sistema de ventilador inteligente emite una alarma (la vida útil expira, etc.) sin que el sistema se apague. Al adoptar el diseño térmico y las medidas de disipación de calor anteriores, se puede mejorar en gran medida el MTBF de los equipos de red y extender su vida útil, evitando así la ley y permitiendo que los componentes de los equipos de redes industriales funcionen en un ambiente de temperatura "estable y confortable" durante un mucho tiempo, de modo que "La "regla de los 10 ℃" no funcionará, asegurando así la estabilidad y confiabilidad del sistema de comunicación durante el proceso de automatización.