Power over Ethernet (PoE) inom industriautomation

Anslutningssystem för Power over Ethernet (PoE) definieras av standarden IEEE 802.3 och är ett bekvämt sätt att tillhandahålla både data och ström till maskindelar med en enda Ethernet-kabel. Läs DigiKey-artikeln från 2013En introduktion till Power over Ethernet för en grundlägggande genomgång av PoE:s introduktion och struktur.

Det finns idag tre underklassificeringar för PoE-standarden:

• PoE Alternativ B använder separata ledningar för att överföra data och ström. Mer specifikt specificerar denna underklassificering av PoE användningen av en Cat-5 Ethernet-kabel med fyra tvinnade par - där två par förmedlar data och två par förmedlar ström. PoE Alternativ B kan därför endast stödja en datahastighet på upp till 100 Mbps (100BASE-TX) - även om kablar som är klassificerade för Gigabit Ethernet används.
• Alternativ A är också begränsat till en datahastighet på 100 Mbps, men använder samma två par för att förmedla både data och ström. Det innebär att arrangemang med PoE Alternativ A är kompatibla med Ethernet-kabel som innehåller två tvinnade par samt fullständiga Cat-5-kablar med fyra par.
• 4PPoE använder alla de fyra tvinnade paren för att sända ström och kan tillhandahålla högre strömmar. De tvinnade paren förmedlar även data med de högsta datahastigheterna för Gigabit Ethernet och mer än så.

Figur 1: Det här är en inkopplingsvariant vid en installation av Power of Ethernet (PoE). (Bildkälla: Design World)

Dessa tre huvudstandarder kallas ofta helt enkelt läge A, läge B och PoE med fyra par. Olika stiftkonfigurationer för respektive läge är möjliga. Oavsett variant måste dock alla strömförsörjda enheter (PD) kunna acceptera anslutningar i både läge A och läge B.

I slutänden är det PoE-systemets strömförsörjningsutrustning (ibland förkortat PSE) som avgör vilket läge som används och kan ha stöd för endast ett eller flera lägen. En strömförsörjd enhet kan indikera kompatibilitet med PoE genom resistansen i de strömförsörjda paren. Ett fast motstånd på 25 kΩ indikerar en allmän överensstämmelse med standarder medan ett föränderligt motstånd kan användas för att begära ett visst leveransläge.

Figur 2: Kretsarna MAX5969A/MAX5969B, installerade i enheter som strömförsörjs av PoE. Kretsar som är kompatibla med IEEE 802.3af/at förser strömförsörjda enheter med detekterings- och klassificeringssignaturer samt en isoleringsströmbrytare med styrning av startströmmen. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Differentiell signalering och strömkapaciteter som stöds

Ethernet-kabel överför data på tvinnade par med differentiell signalering. Det innebär att varje tråd i ett tvinnat par bär samma information så att den signalmottagande enheten kan mäta spänningsskillnaden mellan de två. Sådana arrangemang är mycket mer tillförlitliga än konstruktioner som bara spårar spänningen på en enda tråd i förhållande till jord, eftersom dessa möjliggör detektering och avvisning av eventuella elektromagnetiska störningar (EMI) som påverkar kabeln. Användningen av tvinnade par för PoE innebär också att spänningen i ett trådpar kan ökas för att skicka ström, utan att de datasignaler som också förmedlas i kabeln påverkas på ett negativt sätt.

Figur 3: Olika PoE-arrangemang använder Ethernet-kabel med två par eller Cat-5 med fyra par. En viktig fördel med PoE är att endast en enda kabel behöver förläggas för att ansluta PoE-enheter. (Bildkälla: Getty Images)

Allteftersom standarderna för PoE har utvecklats, har mängden ström som kan överföras också ökat. Detta representeras av fyra generationer av PoE eller typer:

• Den ursprungliga PoE typ 1 har stöd för en effektförsörjning på upp till 13 W med ett spänningsområde på 37 till 57 V. Detta är vanligtvis tillräckligt för enheter som trådlösa åtkomstpunkter och åtkomstpaneler för dörrar.
• Typ 2 eller PoE+ har stöd för en effektförsörjning på upp till 25 W med ett spänningsområde på 42 till 57 V. Med denna effekt kan enheter som säkerhetskameror, RFID-läsare och larmsystem också stödjas.
• Typ 3 har stöd för en effektförsörjning på upp till 51 W, med ett spänningsområde på 42 till 57 V. Det är tillräckligt för att strömförsörja bärbara datorer och kontrollpaneler.
• Typ 4 har stöd för en effektförsörjning på upp till 71 W med ett spänningsområde på 41 till 57 V. Detta är särskilt användbart för att driva LED-belysning, vilket möjliggör smart belysning utan strömförsörjning från elnätet.

För typ 1 är den maximala kabelresistansen 20 Ω men de högre strömmarna i de senare generationerna begränsar detta till 12,5 Ω.

Nätverkskomponenter som vanligtvis finns i PoE-installationer

De enheter som används för att konstruera PoE-nätverk inkluderar:

• PoE-switchar, som är nätverksswitchar med PoE på sina portar. Dessa är de grundläggande byggstenarna i utökade PoE-nätverk - som vanligtvis fungerar som strömförsörjningsutrustning i de flesta nätverk.
• PoE-injektorer tillför ström i en Ethernet-kabel utan ström. De kan byggas in i en konstruktion för att förse ett PoE-nätverk med ström. Tänk dig, exempelvis, ett system där en nätverksswitch som inte är PoE-ansluten ansluter en enhet till nätverket. Om målet är att strömförsörja enheten via dess Ethernet-kabel, skulle installatören ansluta kabeln från nätverksswitchen till en PoE-injektor och sedan dra en andra kabel från injektorn till enheten. Injektorn kräver sin egen strömförsörjning.
• PoE-delare separerar ström och data från en PoE-kabel, så att en enhet som inte är kompatibel med PoE kan strömförsörjas via en separat ingång. Man kan se en delare som en omvänd injektor.

Figur 4: DennaPoE-delare (se Phihong PTM för mer information) kan ge upp till 45 W i vissa IEEE802.3-system med både överströms- och överspänningsskydd. (Bildkkälla: Phihong USA)

• PoE-hubb är i huvudsak en stapel med injektorer. Flera kablar utan strömförsörjning ansluts till den ena sidan och sedan blir de kablar som ansluts på den andra sidan strömförsörjda.
• PoE-förlängare gör det möjligt för Ethernet-nätverk att fungera bortom den normala räckvidden på 100 m.

Exempel på PoE-tillämpningar

Möjligheten att förmedla ström och skicka data via en enda kabel är oumbärlig i många tillämpningar, eftersom det förenklar och minskar kostnaden för automatiserade funktioner. Faktum är att PoE är särskilt användbart på platser där det inte finns någon tillgänglig strömförsörjning. Dessutom kräver installation av en PoE-kabel ingen elektriker på grund av de låga spänningarna. Detta kan leda till betydande kostnadsbesparingar om alternativet är att installera ytterligare eluttag. Det kan även vara möjligt att använda befintliga nätverks- eller telefonkablar som redan finns i en anläggning för PoE.

Eftersom spänningarna är låga är systemet säkrare. Detta innebär även att kanaler och jordningsskåp inte behövs ... vilket i sin tur minskar installationskostnaderna ytterligare. De maximala spänningarna ligger inom säkra gränser och strömförsörjningsutrustningen skickar en testström på 10 V innan den ger full effekt. Hela spänningen appliceras endast om ett motstånd på 25 Ω detekteras för den strömförsörjda enheten. Detta förhindrar att anslutna enheter skadas.

När ändringar krävs är det relativt enkelt att byta ut de Ethernet-anslutna enheterna och byta kablar. Detta kräver bara att en tekniker ansluter de nya enheternas kablar till nätverksswitchar. Till skillnad från automatiserade maskinsektioner som drivs med växelström (som i vissa fall kan kräva att hela automatiserade våningar isoleras medan arbetet utförs) så arbetar PoE med plug and play. Det betyder att ändringar kan göras medan nätverket fortsätter att fungera. Det är även enkelt att använda information om enhetsanvändning för att styra ström till specifika enheter. Denna förmåga att sätta på och stänga av strömmen till en enhet kan minska strömförbrukningen avsevärt.

Tänk dig en PoE-tillämpning: Belysningssystem med PoE är en allt vanligare tillämpning med spridd användning. De innehåller LED-lampor med sensorer och belysningsstyrningar som ansluts via Ethernet-kablar och switchar. En användning är i lagerlokaler för att efterlikna naturliga dagsljuscykler för att förbättra arbetstagarnas hälsa, välbefinnande och produktivitet. Integration av rörelsesensorer och förutsägande algoritmer i PoE-styrenheterna möjliggör den effektivaste användningen av ljus för att spara energi och förbättra driftskostnaderna.

En annan relativt ny tillämpning för PoE är motorer. Motorer med inbyggd PoE kan minska mängden kablar som krävs för diskret automatisering, eftersom de eliminerar kravet på särskilda återkopplingskablar mellan motorn och den externa rörelsestyrningen. I enheter med en enhet inbyggd i motorhuset kan motorn helt enkelt få styrkommandon tillsammans med ström via en enda Ethernet-kabel. Detta minskar det totala installationsarbetet samtidigt som installationsprocessen förenklas.

Sådana inbyggda motorer som är redo för PoE kan ta emot antingen program för rörelsestyrning eller realtidskommandon via Ethernet-anslutningen för data.

Slutsats

Power over Ethernet (PoE) är användbart för enheter som kräver anslutningar för både ström- och data. Det minskar installationskostnaderna, är lättare att utforma och är säkrare och mer tillförlitligt än uppdelade anslutningar för ström och data. Det finns två typer av enheter som använder PoE allt mer:

• Enheter som lampor som traditionellt bara kräver ström ... men säljs alltmer som smarta enheter som förlitar sig på dataöverföring för nyare och relativt avancerade funktioner.
• Komponenter som elmotorer som har börjat utnyttja den ökade kapaciteten hos PoE som ett ekonomiskt, säkert och bekvämt alternativ för anslutning av både ström- och data.

Det är inte konstigt att PoE snabbt har blivit en kärnteknologi inom konsumentvaror såväl som i smarta byggnader och maskinautomatisering för att dra nytta av funktionerna i industriell internet of things (IIoT).