工业以太网交换机在工业自动化系统中的应用

一、行业背景

      工业自动化是构成工业4.0的核心元素。在智能工厂内不仅要求单体设备是智能的，而且要求工厂内的所有设施、设备与资源（机器、物流器具、原材料、产品等）实现互通互联，以满足智能生产和智能物流的要求。通过工业以太网等通信网络，使工厂内外的万物互联，形成全新的业务模式。

       工业4.0是用CPS系统对生产设备进行智能升级，使其可以智能地根据实时信息进行分析、判断、自我调整、自动驱动生产，构成一个具有自律分散型系统（ADS）的智能工厂，减少人工成本,最终实现制造业的大规模、低成本定制化生产。

       德国汽车工业已率先引入低成本客户化定制的概念，产品设计实现了标准化与模块化，生产制造实现了全面信息化与深度自动化，基本达到了智能生产、智能装配、智能物流以及智能供应链管理。而标准化、模块化和数字化的产品设计，是实现智能生产的前提。

二、解决方案

智能工厂的机械手臂及PLC处于长期无间断工作状态，工作环境苛刻，工厂各种电机设备多，因此周围的电磁干扰也十分大，震动也相对较大。因此，系统的可靠性和稳定性成为了智能工厂能否不停歇工作的关键因素。更重要的是，智能工厂需要对数据进行近距离和长距离传输，不仅能满足工厂内部管理，也必须满足集团成员远程管理和信息上传。此外，新系统的安装、操作和管理必须尽可能能够兼容原有PLC控制系统，还要方便系统今后升级。利用工业交换机组成的以太网解决方案，既满足系统的可靠性和稳定性，也满足数据的近距离和远距离传输，也适用系统日后的扩展性。

   为了实现对智能工厂的全面监控，智能工厂选用了GMIES-55100802M工业级以太网交换机。该产品体积小，端口集成度高，具备即插即用功能，成本低。工厂采用可靠的光纤冗余环网来连接所有车间，该冗余环以太环网具备断线后20ms内快速恢复的能力。此外，GMIES-55100802M易于配置和管理，具备自动报警功能，且采用工业防护等级IP40，无风扇设计，低功耗, 支持4级静电和4级浪涌等级防护，适用于苛刻的工业环境，其网络结构如图下图所示。

三、系统拓扑图：

四、光迈通信工业以太网产品优势

v良好的设备特性&安装方式灵活性，宽温、防尘、防潮设计：

u工作温度：-40～80℃，存储温度：-45～85℃，工作湿度：5～95%(无凝露)；

u金属铝制外壳无风扇散热技术，IP40以上等级防护；可定制机架、导轨、壁挂安装；

v在严酷电磁环境可靠稳定工作：

u通过工业四级电磁兼容性检测，有效防御工业干扰：高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等；自然界干扰：雷电冲击、各种静电放电、磁暴等；

u设备平均无故障时间超过30万小时，长年提供备品备件；

v快速冗余：

u支持GM-Ring以及RSTP/MSTP等环网冗余技术，保障了网络通信的无扰动切换，前者网络自愈时间小于20ms。

安全优势：

v支持VLAN（虚拟局域网）技术

uVLAN是安全交换机必不可少的功能。VLAN可能跨越一个或多个交换机，与它们的物理位置无关，设备之间好像在同一个网络间通信一样。VLAN可以在交换机上实现广播域的隔离，它可以把网络分成一个一个独立的区域，可以控制这些区域是否可以通讯。

v流量控制功能(trafficcontrol)

u交换机的流量控制可以预防因为广播数据包、组播数据包及因目的地址错误的单播数据包数据流量过大造成交换机带宽的异常负荷，并可提高系统的整体效能，保持网络安全稳定的运行。

v支持端口聚合

u多个的端口的聚合即提高链路传输带宽，又为链路提供了冗余保护；

vIEEE802.1x身份验证机制

uIEEE802协议集的局域网接入控制协议，是基于端口的访问控制协议。它能够在利用IEEE802局域网优势的基础上提供一种对连接到局域网的用户进行认证和授权的手段，达到了接受合法用户接入，拒绝非授权用户的访问，保护网络安全的目的。

vQoS机制

u光迈通信工业以太网交换机采用了IEEE802.pQoS、CoS/TOS/DSCP优先级策略，保障了数据关键数据的实时可靠传输。

v支持广播风暴抑制、IGMP-Snooping组播协议，提高网络传输效率

v系统日志

u交换机的日志功能可以将系统错误、系统配置、状态变化、状态定期报告等信息传送给日志服务器，网管人员依据这些信息掌握设备的运行状况，及早发现问题，及时进行配置设定和排障，保障网络安全稳定地运行。

v统一网管：

u除提供方便的Web等访问外，还支持SNMP、RMON管理，方便与第三方设备实现全网统一管理。

五、总结

      应用光迈通信工业以太网交换机的工业自动化系统与传统的工业相比而言，工业自动化基于现有PLC控制系统的数据和信号采集能力有了质的飞越。用互联网+的工作模式，取代了传统的人海战术，不仅可以提高生产效率，提高生产品质，还能降低生产的人力成本，从而提升企业形象和企业核心竞争力。

　　工业4.0时代的制造企业不再自上而下地推动生产，而是从客户需求开始，实现订单、客户化设计，采购、物流、生产计划到生产的全流程拉式生产，并通过虚实融合实现各环节的互通互联。这种高效灵活的拉动生产方式也代表着制造业未来的发展方向。