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工業以太網交換機和普通交換機的區別

信息來源:本站 日期:2016-08-28 

工業以太網交換機和普通交換機的區別主要體現在功能和性能上。

工業以太網交換機_高耐特_gaonet.com.cn

功能上的区别主要是指:工業以太網交換機在功能上与工业网络通讯更接近,比如与各种现场总线的互通互联、设备的冗余以及设备的实时等;而性能上的区别则主要体现在适应外界环境参数的不同。工业环境除了有很多如:煤矿、舰船等特别恶劣的环境外,还有在EMI(电磁兼容性)、温度、湿度以及防尘等方面有特殊要求的环境。其中温度对工业网络设备的影响面是最广泛的。


本文主要論述溫度這一重要參數對工業網絡交換機的影響。而對于功能方面以及性能其他方面的參數這裏不再贅述。


一、衡量設備可靠性的指標


可靠性是指産品在規定的條件下和規定的時間內,完成規定功能的能力。任何産品不論是機械、電子,還是機電一體化産品都有一定的可靠性,産品的可靠性與實驗、設計和産品的維護有著極大的關系。


衡量可靠性的指標很多,常見的有以下幾種:


1.可靠度R(t),即産品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率,亦称平均无故障时间MTBF(mean time between failure);


2.平均維修時間MTTR是指産品從發現故障到恢複規定功能所需要的時間;


3.失效率λ(t),是指産品在規定的使用條件下使用到時刻t後,産品失效的概率。産品的可靠性變化一般都有一定的規律,其特征曲線形狀像浴盆,通常稱之爲“浴盆曲線”。在實驗和設計初期,由于産品設計制造中的錯誤、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;通過修正設計、改進工藝、老化元器件、以及整機試驗等,使産品進入穩定的偶然失效期;使用一般時間後,由于器件耗損、整機老化以及維護等原因,産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。衡量一個電子産品、尤其是工業類産品最常用的是MTBF,也就是平均無故障時間。


二、溫度和MTBF的關系


由于現代電子設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、輻射和對流産生熱耦合。因此,熱應力已經成爲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境。所以,爲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测试:目前国外广泛采用Bellcore的RPP(Reliability Prediction Procedure)来测量设备的MTBF,这其中包括晶体管数量、功率衰减以及环境参数。我们分析其中用风扇散热的24口网络交换机的检测报告,在环境温度为30℃,40℃,50℃时,无风扇交换机和有风扇交换机的测试结果为:


无风扇散热   有风扇散热


30℃   10年   8年


40℃   9.5年   7.5年


50℃   8年      7年


另外,我們通過TSC實驗室的溫度測試中還發現了兩個結果:


1.如果不采用任何散熱措施,一台24口的交換機(不含光口)正常工作4小時後,它的機內溫度要比周圍的環境溫度高約40℃;而采用風扇降溫的同樣的交換機的機內溫度只比周圍的環境溫度高約15℃。


2.機內溫度達到85℃時,實際上溫度已經開始影響到了機內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,在外部環境溫度爲45——50℃時,交換機的MTBF會大大下降。


由此可见,温度对于工业网络産品的影响是非常大的,如果像商用交换机一样采用风扇降温,能够有效降低机内温度而延长设备的MTBF,但风扇本身的寿命又非常有限(2.28年)(由SANYO FAN DATA SHEET 给出的数据)。


工业类设备不同于商用设备,往往是一开机就常年运行,而且运行的环境也往往较恶劣,沙尘、昆虫、潮湿都会直接影响风扇的运行。一个质量好的交换机,风扇使用寿命一般在20000小时,风扇到了年限以后,检测并更换就变得非常重要。因为主动散热性交换机在设计时散热主要就是靠风扇散热,一旦风扇失效而不及时更换,“10℃法则”将会起作用:机内环境温度每提高10℃,元器件寿命就降低1/2。交换机的机内积热将会快速导致交换机性能的下降,直至交换机崩溃。因此,工業交換機的散热系统设计,也就是热设计就显得尤为重要了。


三、熱設計


正是由于過高溫度對工業網絡設備的影響是致命的,所以在設計這類産品時,除了設備的元器件要選擇寬溫度範圍的工業級元器件外,更要充分重視設備的熱設計。


電子産品的熱設計主要包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術,這裏筆者主要討論工業網絡設備中的散熱技術和加裝散熱器技術。


(一)散熱應用中常采用的方法


第一種是傳導散熱方法,可選用導熱系數大的材料來制造傳熱元件,或減小接觸熱阻並盡量縮短熱路徑。


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:


設計印制板和元器件時必須留出多余空間;


安排元器件時,應注意溫度場的合理分布;


充分重視應用煙囪撥風原理;


加大與對流介質的接觸面積。


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,可以采用加大發熱體表面的粗糙度、加大輻射體周圍的環境溫差,或加大輻射體表面的面積等方法。


(二)加裝散熱器


工業電子類設備在熱設計中,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,尤其是結溫Tj,使其低于半導體器件的最大結溫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:半導體器件內熱阻RTj、結溫Tj、殼溫Tc、散熱器溫度Tf、環境溫度Ta及半導體器件的使用功率Pc。


散熱器的熱阻RTf應爲:RTf=(RTj-Ta)/Pc-RTj-RTc


散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據。Tj、RTj是半導體器件提供的參數,Pc是設計要求的參數,RTc可以從熱設計專業書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。


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之後,可根據RTf和Pc來選擇散熱器。選擇時,根據所選散熱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.散熱風扇的設計


普通商用交换机的风扇,工作一直处于全速(Full SPD)状态,除其造成电能浪费、增大整机噪音外,还会增加不必要的电源发热,机箱内灰尘过多堆积等。更重要的是风扇在全速状态时其寿命约为2万小时,也就是2.28年(由SANYO FAN DATA SHEET 给出的数据),2万小时后风扇转速会逐渐下降,给整机带来不稳定因素。但由于没有监控单元,这种隐患很难发现:例如当交换机丢包率逐渐上升时,并不容易查到是由于风扇老化转速降低及灰尘堆积太厚导致机箱内关键部件温度升高所致。


工業交換機应使用高速(High SPD)风扇并带有智能监控电路,实时监测和控制网络交换机的运行状况,例如监控机箱风扇、主交换芯片温度、机箱温度,光收发器件温度等,这也就是我们所说的“智能风扇”。


交换机工作过程中智能监控电路会根据被测元件的温度或风扇转速信号自动调节风扇转速,给网络交换机散热。风扇的转速主要与交换机负载和环境温度有关。在环境温度一定时,当交换机数据负载减轻时,功耗减小,风扇转速自动降低,当交换机数据负载加重时,功耗加大,风扇速转速自动上升。在数据负载一定的情况下,当交换机处在低温环境时,风扇转速自动降低,处在高温环境时风扇转速自动升高。在高温高负载情况下,风扇可处在应急高速(High SPD)状态,比全速(Full SPD)状态更能保证网络安全运行。


4.智能風扇控制器運行特性


采用智能風扇控制技術後可延長風扇壽命,減少機內灰塵堆積、降低風扇噪聲,節約電量使用,保證系統有效工作。另外控制器不僅能對風扇失效停轉、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、轉速低于正常值或監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,方便網絡管理人員將事故消滅在萌芽階段。


综上所述,由于工業以太網交換機所处的环境的特殊性以及使用时的特殊性(不能停机),在对付高低温,主要是高温环境时采用的对策与普通交换机有很多不同的。


(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,但由于工業網絡設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的區別。


②智能風扇應設計爲可以熱插撥的,也就是在系統不停機情況下,如果智能風扇系統報警(工作壽命到期等)情況下,可以在線更換風扇。采取了以上熱設計和散熱措施,就可以大大提高網絡設備的MTBF,延長其壽命,從而避開法則,使工業網絡設備的元器件長期工作在一個“穩定,舒適”的溫度環境中,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的穩定和可靠性。



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