Posted on 2010-12-16 10:49
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通信產品--相關知識
快速以太網
以太網與快速以太網的比較
快速以太網與以太網非常相似，快速以太網標準基于經典以太網標準（10 Base T）而建立，但傳輸速率由10Mbps提高到100Mbps。
快速以太網的優點在于： 現存的以太網技術可以被進一步的應用。對于初次使用快速以太網的用戶來說，不需要花費時間去學習新的知識。新的快速以太網技術可以直接使用且很快的掌握。
以太網與快速以太網的共同特點：
數據格式：
最短長度：64字節
最大長度：1518字節
地址區長度：48字節
訪問協議：CSMA/CD
傳輸介質：除同軸電纜外其他相同
通過中繼器可以擴展網絡。
不同點：
兩種網絡的差別在于快速以太網具有更高的傳輸速率。
快速以太網的擴展能力明顯小于10Mbps的經典以太網網絡。為了保證CSMS/CD的有效性，從一個節點到另一節點的數據包傳輸時間被嚴格限制。傳輸時間取決于傳輸速率，以及被擴展的網絡段。10Mbps以太網的最大長度為4520m，快速以太網為412m。當使用雙絞線作為傳輸介質時，快速以太網的最大擴展距離為205m。如果使用光纖的話，可以達到320m，不過這也取決于采用什么樣的拓撲方式。而10Base T經典以太網的拓展擴展距離可以達到500m。
快速以太網不支持同軸電纜。
快速以太網支持以下傳輸介質：
·100Base T4 支持第3，4，5類4對雙絞線
·100Base TX2 支持第5類2對雙絞線
·100Base FX 支持62.5/125µm兩芯光纖
而經典以太網可以使用雙絞線，光纖以及同軸電纜。
快速以太網的網絡設計不同于經典以太網：
在經典以太網中，或多或少要用到中繼器，在兩個節點點不超過4個中繼器。快速以太網網絡中最多只能使用2個中繼器。而中繼器包括兩種類型。
第一類中繼器：
這類中繼器支持100BaseFX，100BaseT4和100BaseTX（支持光線和不同類型的雙絞線）。在一個網絡中（一個沖突區域）只能有一個第一類的中繼器。
第二類中繼器：
這類中繼器只支持100BaseTX和100BaseFX（支持光纖和第5類雙絞線）。在一個網絡中（一個沖突區域）可以使用兩個第二類中繼器。兩個中繼器之間的連接線路可以達到5m。
信號傳輸標準：
盡管經典以太網也支持第3，4，5類雙絞線傳輸信號，但是快速以太網的100BaseT4和100BaseTX所采用的信號傳輸標準不相同，也不同于10BaseT。也就是說10BaseT與100BaseT4和100BaseTX相互不兼容。如果選用雙絞線通訊，要保證終端設備接口相同。若選用光纖，經典以太網和快速以太網的信號傳輸標準也是不同的。快速以太網具有自動檢測功能可以與經典以太網設備進行通訊。
SIMAITIC NET具有下列特性：
·100 Base TX 工業雙絞線鏈接
·100 Base FX 光纖鏈接
經典以太網 快速以太網
IEEE標準 802.3 802.3u
數據速率 10Mbps 100Mbps
傳輸1位的時間 100ns 10ns
協議 CSMA/CD CSMA/CD
最大數據包 1518字節 1518字節
最小數據包 64字節 64字節
地址長度 48字節 48字節
拓撲結構 總線，星，樹 總線，樹
傳輸介質 雙絞線，光線，同軸電纜 雙絞線，光纖
最大網絡擴展長度 4520m 412m
最大TP長度 100m 100m
最大FO長度HDX 2000m 412m（點對點）
最大FO長度FDX 2000m 2000m
最大網絡擴展長度取決于信號傳輸時間。根據所使用的網絡主動設備數量，擴展長度會相應減少。
傳輸介質
100Base TX描述的是第5類2對雙絞線以100Mbps速率傳輸數據。第五類電纜適用于最大頻率為100MHZ的場合。而相應的接口也要符合第五類電纜的需求，可以使用10BaseT支持的RJ45連接器以及D9連接器。SIMATIC NET工業雙絞線和接口也可使用超5類電纜。
100Base T4描述的是第3，4，5類4對雙絞線以100Mbp速率傳輸數據。其中3對雙絞線用于傳輸數據，另一對負責傳送沖突消息。
第3類雙絞線在10BaseT網絡中也可傳輸高達10Mbps的數據。與第5類相比，第3類電纜更加便宜，但由于自身特性原因，在歐洲并沒有廣泛應用。第4類電纜用于令牌網絡，最高可用于20MHZ的場合中。目前100BaseTX是快速以太網的最高標準，100Base T4則無法用于全雙工場合。
100Base FX描述的是2芯62.5/125µm光纖可達到100Mbps傳輸速率。在半雙工模式下，光纖最大長度達到412m。如果連接交換機或路由器，全雙工模式下長度甚至達到了2000m。
設計規則
快速以太網的設計規則主要為以下四個方面：
1． 雙絞線連接
雙絞線連接最長距離可達100m（包括終端設備/中繼器或中繼器/交換機）。
2． 中繼器：
在兩個節點間，只能使用1個第一類中繼器，而第二類中繼器最多可以使用2個。在兩個中繼器間的連接線最長不能超過5m。
3． 全雙工連接
全雙工連接（比如交換機/交換機連接）線路最長可達2000m。
4． 光纖連接
最長距離由中繼器和所用的拓撲結構決定。中繼器配置如下：
上圖中的Node代表任意的終端設備，網橋/交換機或者路由器。
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A
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B
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中繼器
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A端最大長度
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B端最大長度
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第5類雙絞線
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第5類雙絞線
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第1/2類
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100
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100
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|
第5類雙絞線
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光纖
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第1類
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100
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160
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|
光纖
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光纖
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第1類
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136
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136
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第5類雙絞線
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光纖
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第2類
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100
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208
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光纖
|
光纖
|
第2類
|
160
|
160
|
第2 類中繼器配置：
上圖中的Node代表任意的終端設備，網橋/交換機或者路由器。
C代表雙絞線，最大長度5m。
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A
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B
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中繼器
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A端最大長度
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B端最大長度
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第5類雙絞線
|
第5類雙絞線
|
第2類
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100
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100
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|
第5類雙絞線
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光纖
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第2類
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100
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116
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光纖
|
光纖
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第2類
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114
|
114
|
全雙工/半雙工
全雙工（FDX）與半雙工（HDX）相比，可以讓通訊參與的雙方同時傳送和接收數據。當使用FDX時，通訊活動的參與者無法自動的檢測到沖突是否發生。
全
雙工和半雙工這兩個名字來源于串口數據通訊技術。它們描述的是點對點連接的類型和方式。全雙工并不是一種網絡拓撲結構，它在以太網，快速以太網以及點對點
通信中應用，但不一定在整個網絡中全都使用全雙工模式，只需在某些節點間使用，比如全雙工模式連接中繼器和交換機或是連接兩個交換機。
全雙工模式中，傳輸介質將信道分割，使用兩個不同的路徑來發送或接收數據。這就要求節點不僅能支持全雙工模式，還要將信道分割成發送和接收兩條路徑。而光纖和雙絞線恰恰能滿足這些要求。
在使用光纖時，可以用兩條光纖分別作為發送和接收通道。使用雙絞線時，同樣是靠兩對雙絞線分別作為發送和接收通道。
對于半雙工模式來說，發送方和接收方使用相同的物理傳輸介質。在任何時刻，只有一方可以發送數據，另一方只能接受數據。通訊雙方交替利用介質傳輸數據。
經典的同軸電纜是典型的半雙工模式的傳輸介質。但是，雙絞線和光纖一樣可以支持半雙工模式。
快速以太網明確規定要使用全雙工模式。但是全雙工模式不能支持100Base T4。同軸電纜不能支持全雙工模式。
全雙工和并行通訊
全雙工模式具有兩個決定性的優點：
由于在全雙工模式中不存在沖突，數據傳輸速率與網絡的額定速率來說要提高一倍，經典以太網可以達到20Mbps，快速以太網可以達到200Mbps。
全雙工也可以使網絡擴展能力得到增強。如果使用光線作為傳輸介質的話，在100Base FX標準下，62.5/125mm的光線最大長度可以達到200mm。
如果在工業環境下，尤其是較大型的環境中，這個距離可能會顯得有些短，但是為了保證數據發送和接收裝置具有很高的執行能力，可以選用OSM（光學交換機模塊），可以使通訊雙方的距離達到3000m。
以太網交換機
以太網交換機根據數據包中的地址信息，將數據包直接從輸入端口直接轉送到輸出端口。交換機是在網橋基礎上設計而成，但與網橋相比，交換機可以同時傳送多個數據包。交換機具有下列功能：
連接沖突區域和子網：
由于中繼器和集線器在物理層中工作，他們的擴展性受到沖突區域的限制。交換機用于連接多個沖突區域，因此它們不受中繼器網絡的數量限制。交換機可以被允許建立大型網絡，最大范圍可達到150KM，甚至更大。但是由于網絡范圍增加，必須考慮到數據包傳輸時會有延時。
網絡分隔：
使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照地址表，交換機只允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享沖突。
沖突診斷：
交換機通過檢查數據包的校驗位，可以檢測出數據是否準確，如果有誤，交換機可以保證數據包不會被傳輸。這樣，發生在一個區域中的沖突不會影響到其它區域。
并行通訊：交換機能夠在不同網絡段或節點間，同時處理多路數據。根據交換機接口數量的不同，它可以在不同網絡段或終端設備間建立臨時和動態的多路通訊路徑。但是數據吞吐量會增加很多，因此要考慮到網絡的處理能力。
大型網絡中，主要有以下三種技術：
·100Mbps
·交換機
·全雙工模式
自動協商
自動協商是快速以太網的一種配置協議。指兩個節點在傳送第一個數據包之前，可以相互談判來確定誰先發出數據。談判結束后，由優先級更高的一個節點首先傳輸數據。整個系統的優先級為：
·100Base TX 或 100Base FX 全雙工模式
·100Base T4 半雙工
·100Base TX 半雙工
·100Base T 全雙工
·100Base T 半雙工
為了保證得到準確的配置，也可以取消自動協商的功能。但自動協商的最大優點在于可以保證整個以太網中所有裝置無故障。經典以太網沒有自動協商功能，該功能只在快速以太網中存在。
自動檢測
自動檢測指各網絡節點能夠自動地檢測到數據傳輸速率（10Mbps或100Mbps），并且還具有自動協商的功能。
生成樹協議
在IEEE 802.1（d）標準中，生成樹表示以太網結構由網橋和交換機連接而成。這樣可以使數據包在網絡中循環流通，從而使整個網絡成為一個有機體。網橋/交換機通過使用生成樹協議而相互連接起來，但是該協議非常復雜。在該協議下生成的網絡結構也依賴于所使用的交換機數量，以及拓撲結構。通常情況下，系統根據協議建立起來的底層結構大概要花費30秒左右的時間，這在辦公環境下或許可以接受，但對可視化或過程控制中無法滿足實際要求。
在工業通訊中，系統響應時間要比辦公環境下小很多，為了滿足這種快速響應的要求，通常使用SIMATIC NET來對整個過程進行控制冗余的處理。因此要保證重新建立一個有效的網絡基礎結構，所需時間一定要小于0.3秒。
SIMATIC NET高速冗余：
工業中的通訊要求與辦公環境有著天壤之別。要考慮到通訊中的每一方面，比如網絡中的主動和被動元件，終端設備，網絡設計和拓撲結構，甚至環境要求等因素。而且在制造和控制自動化行業中還要使用TCP/IP協議。從而能夠優化工業通訊。工業以太網的基本思想就是通過開發現存的網絡標準，使各裝置和整個系統適應現場環境的需求。
所謂主動元件，主要指如OLM，ELM，OSM，ESM等元件，它們連接不同的終端設備，不僅傳送數據，還具有更多的智能功能。而被動元件是同軸電纜，雙絞線和光纖這樣的傳輸介質，它們只能對數據進行傳送，不具有判定，分析的功能。
標準
工業以太網機遇相應的國際標準，比如IEEE802.3 ，ISO/IEC 11801，EN 50173，
并結合了各標準中的優點。通常情況下，在工業以太網和經典以太網間各元件不存在相互影響的狀況。但在猶如生產和過程控制環境下，不得不考慮設備兼容的問
題，因為工業以太網與經典以太網還是有不同之處，比如工業雙絞線的連接，冗余要求等。除了標準有所不同外，工業以太網還在一些功能上有自己的特點，也是經
典以太網不能提供的功能。
環境要求
環境要求在工業場合與辦公環境有很大差異。工業中必須符合EMC標準。工業與辦公環境的要求主要是以下方面：
·EMC（電磁干擾的敏感性；干擾信號的傳輸）
·溫度
·振動
·濕度
·環境污染
工業以太網就要求有很高的傳輸效率和很強的抗干擾能力，甚至要滿足惡劣條件下的各種要求。
機架
工業以太網一定要使用全金屬機架。作為一條法則，要使用符合DIN標準的導軌，控制箱等設備，而且還要滿足空間尺寸的要求，以及設備所能承受的振動防護要求。
溫度范圍
傳送的網絡設備的溫度范圍在0到40攝氏度。但在工業環境下，要保證設備能夠承受低溫和高溫，通常工作環境的溫度會超過50攝氏度，所以工業以太網的設備溫度范圍在0到60攝氏度之間。
D型/RJ45連接方式
D型連接方式在工業中已經成功地應用了很多年，包括現場總線PROFIBUS，而在工業以太網中也使用這種連接器。D型連接器與經常在辦公環境中使用的RJ45相比，更適合在工業中使用，因為D型連接器工作更加穩定，適應性強，可支持的傳輸距離也更長。
雙絞線（TP）和工業雙絞線（ITP）
EN50173（ISO/IEC11801）是第一個關于雙絞線的標準。該標準定義了從主動網絡設備（星型設配器，交換機）如何與終端設備（PC）進行連接，也說明了雙絞線的允許長度。
由上圖可以看出，標準規定了各段電纜的長度。RJ45連接器的接頭很窄，只能連接截面通徑很小的導線，才能插入到接口中。這種接法屏蔽方式太簡單，會產生很高的信號噪聲。Installation Line必須有較好的屏蔽層，大通徑導線的信號噪聲要小得多，但是無法安裝在RJ45接口中。因此一種名為Patch Panel的設備被設計出來。它專門用于連接大通徑導線，從而確保傳送線上很低的噪聲。標準規定在兩個終端設備間的接線最長為100m。Installation cable與其它電纜相比，具有更好的屏蔽特性，長度可以達到90m。
工業雙絞線的有以下兩個特點：
工業雙絞線具有特殊的屏蔽設計：每對電纜都有鋁箔屏蔽層；且兩對電纜分別以辯狀雙絞。
D型口連接
雙絞線用于節點連接：
工業雙絞線與全金屬D型口一起使用，可以達到最好的屏蔽效果。下圖說明了與其它接線系統相比，選用工業雙絞線與D型口的好處，它們可以對現場環境的電壓做出自適應，將干擾電壓抑制在最小范圍內。
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干擾電壓
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標準S/STP雙絞線
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工業雙絞線
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-2KV
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119
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0
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+2KV
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2
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0
|
|
-4KV
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617
|
12
|
|
+4KV
|
247
|
0
|
隨著數據包錯誤數量的增加，會降低網絡的有效性。在CSMA/CD協議中，即使出現數據包錯誤，網絡的通訊不會停止。但是，通訊的質量大大下降。比如，不能保證每一次對警報信號的響應都有效！
為了保證網絡的有效性，請注意下列要求：
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ITP（D型口）
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TP（RJ45）
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電纜
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·標準ITP電纜，帶屏蔽
·最長100m點對點距離
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·TP電纜
·最長10m點對點距離
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應用場合
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可以用以樓宇或EMC要求很高的場合
·生產控制
·過程控制
·控制室
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潔凈的室內或EMC要求低的場合
·控制室
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用法
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控制柜內或外部
·終端設備連接
·連接網絡設備
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控制柜內
·終端設備連接
·連接網絡設備
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雙絞線/工業雙絞線示意圖：
距離
上述內容已經詳細介紹了雙絞線技術。工業雙絞線允許兩個節點的傳輸距離達到100m，并且帶有屏蔽保護層，而傳統的雙絞線只能達到10m的距離，而且屏蔽技術很落后。
使用光電元件時，要考慮到光纖的類型和所使用的接口，參看下圖：
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元件
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光纖
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距離
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OLM DIN 星型連接
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多模62.5/125µm
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3100m
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OSM DIN 交換機
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多模62.5/125µm
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3000m
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OSM-LD DIN 交換機
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單模9/125µm
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40km
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可用性
在任何一個自動化系統中，通訊都是非常重要的一個環節。在制造自動化和過程控制中，必須要保證通訊的無故障化。網絡或通訊中的故障可能導致整個系統的癱瘓。系統中斷必然會引起很高的成本開銷。因此，要盡量避免通訊和網絡故障。
SIMATIC NET工業以太網具有下列特點，可以滿足上述要求：
·滿足EN50082-2標準中所要求的對干擾的免疫性
·可以對網絡中的元件提供24VDC冗余
·可以檢測信號錯誤
·可為低水平工業進行擴展
·滿足EMC條件
·冗余網絡結構
冗余網絡結構可保證網絡底層的工作穩定性，即使網絡發生了錯誤。在自動化，尤其是過程控制中，更要求系統有較高的適應性，通過使用高端的終端設備可以達到此要求。
環形冗余
僅僅通過使用附加的電纜，就可以將網絡構建成環型，從而獲得效率高且經濟的冗余網絡。如果網絡主動元件實效或電纜斷路時，網絡只需花費幾毫秒的時間進行自主配置。因此，可以避免在昂貴的生產線中發生網絡故障。SIMATIC NET環型冗余網絡可以用光纖和雙絞線構建，傳輸速率可達工業以太網標準。
信號傳輸原理
信號傳輸原理實現了一種簡單且非常經濟的手段對網絡進行監視。尤其是對冗余網絡非常有效。由于介質冗余，通訊連續性和傳輸路徑這些錯誤很難被發現，會導致在后續的通訊中出現網絡完全癱瘓。如果使用DIN星型連接器OLM，所有的主動工業以太網網絡元件共同形成了為信號接觸器。通過網絡元件的共同配合，提供了24VDC可以對各元件或網絡做出不同狀態的信號指示。這些指示也可以連接至HMI系統（比如WinCC）。這樣，在故障發生后，所有的錯誤都可以被及時的修復。除了信號接觸器外，網絡元件也可以安裝LEDs，以顯示不同的狀態。
網絡管理
在很多情況下，都是通過信號接觸器來對網絡進行監視。但并不是所有場合都適合用信號接觸器來監控網絡，尤其是大型，多分支網絡以及無法讀取數字信號的終端設備。
因此，SIMATIC NET帶有網絡管理功能，通過新型的OSM/ESM（光電轉換模塊/電氣轉換模塊）可以對網絡進行管理，監測和診斷。
基于SNMP的網絡管理：
簡單網絡管理協議（SNMP）是一種基于TCP/IP的協議，專門用于數據網絡管理。網絡中的不同節點—網絡元件或者終端設備—都可以稱作是一個管理代理（agent），管理代理是一種特殊的軟件或固件，包含了一個特定設備及該設備所處環境的信息。當一個管理代理被安裝到一個設備上時，這個設備就被列為“被管理的”。管理代理可以獲得所駐留設備的運轉狀態、設備特性和系統配置等相關信息。它就像是每個被管理設備的經紀人，完成管理器布置的信息采集任務。管理代理行使管理系統與管理代理所駐留設備的中介職能，通過管理信息數據庫(MIB)中的內容來管理該設備。管理信息數據庫中所包含的數據，隨被安裝設備的不同而不同。
安
裝在網絡管理工作站上的管理器，向管理代理收集設備信息時有輪詢和中斷兩種方法。網絡管理工作站可以通過輪詢管理代理獲得關于設備的信息，可以修改、增加
或者刪除代理中的表項，可以為設備中特定的事件設置閾值。當設備中發生某個閩值超過設定范圍的異常事件時，管理代理可以立即向網絡管理工作站發送自陷信
息，通過基于中斷的方法通知網絡管理工作站進行處理。
目前，幾乎所有的網絡設備生產廠家都實現了對SNMP的支持。
基于網絡的管理可以監測并診斷網絡節點—網絡元件或終端設備—使用標準的Internet瀏覽器，比如Netscape或Internet Explorer。使用這些瀏覽器，HTML網頁中可以看到各節點中提供的開放的信息。
網絡管理：
原文：http://blog.gkong.com/more.asp?name=chinasg23&id=59876