SEK | EUR | USD

Underlätta användning av industriella Ethernet-nätverk med smarta PoE-switchar

Av Bill Giovino

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Det vanligast använda trådbundna nätverksprotokollet för tillämpningar i det industriella sakernas internet (IIoT) är Ethernet. Det är därför du hittar Ethernet-kablar överallt där det förekommer industriautomation. Eftersom det krävs elektrisk effekt på alla platser där Ethernet finns installerat kan du vara säker på att du hittar strömförsörjningskablar nästan överallt där det finns Ethernet-kablar – vanligtvis i samma kabelbuntar.

Power over Ethernet (PoE) har verkligen underlättat industriautomation. Genom att skicka matningsström i samma kabel som används för Ethernet-anslutning behöver mindre mängd kabel dras på anläggningen, vilket underlättar installation eller omkonfigurering av tillverkningsanläggningen.

I denna artikel diskuterar vi hur smarta switchar för industriell Ethernet som stöder PoE kan underlätta layouten på fabriken samtidigt som de bidrar till lägre kostnader. Därefter introducerar vi två Ethernet-switchar för DIN-skena från Henrich Electronics som erbjuder både nätverksanslutning och strömförsörjning i samma Ethernet-kabel.

Underlätta kabeldragning inom industriautomation

Många anläggningar för industriautomation är utformade för att enkelt kunna omkonfigureras. En monteringslinje i en tillverkningsanläggning kan till exempel behöva plockas ned och byggas upp igen för tillverkning av en annan produkt. Genom att kombinera Ethernet och PoE ökar modulariteten på fabriksgolvet tack vare att viss utrustning blir mycket lätt att ansluta (plug and play) – det räcker att sätta i Ethernet-kabeln för att få både nätverksanslutning och strömförsörjning. Detta underlättar installation på fabrik, tack vare att det blir enklare att dra kablar till utrustning.

Det ger också tidsbesparingar vid utformning av anläggningar och lägre kostnader för kablar och arbetskostnader för den personal som drar kabel. Dessutom får man med PoE bara en underhållspunkt, tack vare att det endast behövs en central strömkälla för varje PoE-slutpunkt (eller PD, Powered Device) i nätverket. En PoE-aktiverad switch eller hubb kan leverera upp till 90 W effekt för varje PD, vilket gör PoE lämpligt för kameror, kompakta kontrollpaneler och viss fabriksutrustning som ventiler eller dörrar.

PoE frigör också utrymme för ytterligare kabeldragning. De flesta kabelbuntar i industrianläggningar är begränsade till 24 kablar på grund av värmegenerering. Kablar i samma bunt hålls vanligtvis samman tätt med tåliga buntband. Detta gör att kablarna i bunten avger och tar upp värme, vilket i sin tur ger ökad temperatur i hela kabelbunten. Eftersom motståndet ökar i takt med temperaturen leder denna temperaturhöjning till effekt- och signalförluster som i sin tur ger försämrad verkningsgrad i buntens samtliga kablar. Med PoE elimineras många av strömförsörjningskablarna i industriautomation, vilket minskar antalet kablar i varje bunt så att värmen reduceras och signaldegradering i tvinnad Ethernet-parkabel förhindras. Detta ger också ökad förmåga att mata ström till utrustningen.

För närvarande finns tre standarder inom försörjning av PoE med konventionell Cat5e Ethernet-kabel: 802.3af kan leverera upp till 15,4 W likströmseffekt (DC) från strömkällan till varje PD, 802.3at (PoE+) levererar upp till 25,5 W effekt och den senaste standarden 802.3bt (PoE++) kan leverera upp till 60 W effekt genom konventionell Cat5e Ethernet-kabel. 802.3bt kan också leverera upp till 90 W effekt med Cat6- eller Cat6a-kabel, vilka leder ström genom ledare med större tvärsnittsarea. Alla standarder är bakåtkompatibla.

Installera Ethernet och PoE i en ny industriautomationsanläggning

Det enklaste sättet att implementera PoE vid uppförande av ett nytt nätverk är att använda Ethernet-switchar som stöder PoE. En enkel lösning är att använda Henrich Electronics HES5A-4E60-VL femportars PoE- Ethernet-switch med DIN-skena (figur 1).

Bild på Henrich Electronics Ethernet-switch HES5A-4E60Figur 1: Henrich Electronics Ethernet-switch HES5A-4E60 har fem Ethernet-portar, av vilka fyra stöder 802.3bt PoE++. (Bildkälla: Henrich Electronics)

Henrich Electronics HES5A-4E60 ohanterade Ethernet-switch monteras på vanlig DIN-skena eller -panel. Den är mycket kompakt (92 x 116 x 67,2 mm), vilket gör den praktisk i installationer där utrymmet är begränsat. HES5A-4E60-VL har fem Ethernet-portar på frontpanelen. En av dessa är en vanlig 10/100Base-T-port och de fyra andra är portar av typen Ethernet PoE++ (dessa levererar upp till 60 W effekt till varje PD). Med sin Cat6/a-kabel kan HES5A-4E60-VL leverera upp till 90 W. Den har kapslingsklass IP40 och kan användas i temperaturer mellan −40 och +60 °C, vilket gör den lämplig för de flesta industriautomationsanläggningar.

HES5A-4E60-VL är också bakåtkompatibel med tidigare PoE-standarder för 802.3af (stöder 15,4 W per slutpunkt) och 802.3at (stöder 25,5 W per slutpunkt).

När kabeln ansluts till en av de fyra portarna för Ethernet PoE++ initierar HES5A-4E60-VL ett kort PoE-handskakningsprotokoll med PD. Denna handskakning fastställer om slutpunkten behöver PoE-strömförsörjning och i så fall hur mycket effekt slutpunkten behöver. Detta gör att PoE-switchen tillförlitligt och effektivt levererar önskad ström till Ethernet-slutpunkten och säkert bryter strömförsörjningen från PD om Ethernet-kabeln kopplas bort eller om slutpunkten inte svarar. När en PD är korrekt strömförsörjd tänds en LED-indikator för motsvarande PoE-port på switchen (detta indikerar att porten tar emot ström). På så sätt underlättas också diagnostik vid eventuella problem med strömförsörjningen. Om till exempel en PD inte fungerar och motsvarande PoE-indikator är släckt kan detta indikera skadad eller bortkopplad kabel. Det kan även indikera att slutpunkten inte slutför PoE-handskakningen korrekt.

HES5A-4E60-VL är en ohanterad switch (dvs. plug and play). När en Ethernet-kabel ansluts till någon av de fem portarna frågar switchen efter slutpunktens Ethernet MAC-adress. HES5A-4E60-VL har en MAC-tabell (1 024 poster) för lagring av kända MAC-poster till IP-adresser. Om MAC-adressen inte finns i MAC-tabellen tilldelas den en ny IP-adress. Om MAC-adressen finns i tabellen läses IP-adressen från MAC-tabellens post och tilldelas en slutpunkt. Switchen behöver inte konfigureras eller hanteras överhuvudtaget.

För mer sofistikerade industriautomationsnätverk har Henrich Electronics HES6GM-4E-2SFP-VLW sexportars hanterad Ethernet-switch (PoE+) för DIN-skena (figur 2). Denna Ethernet-switch med kapslingsklass IP30 är klassad för drifttemperatur mellan −40 och +75 °C, vilket gör den lämplig för torr, dammfri industrimiljö där temperaturen kan vara så extrem att människor inte kan vistas där under längre tid.

Den har en MAC-tabell på 4 096 poster och stöder 10/100/1000Base-T, vilket gör den kompatibel med den senaste Gigabit Ethernet-standarden. Den stöder upp till 30 W effekt för varje PD.

Bild på Henrich Electronics Ethernet-switch HES6GM-4E-2SFP-VLW för DIN-skenaFigur 2: Henrich Electronics Ethernet-switch HES6GM-4E-2SFP-VLW för DIN-skena har sex Ethernet-portar, av vilka fyra stöder PoE+. Switchen kan konfigureras med webbläsare för att ställa in larm och varningar för olika operationer. (Bildkälla: Henrich Electronics)

HES6GM-4E-serien kan monteras på DIN-skena eller panel. Den är en hanterad switch, vilket betyder att den kan användas helt plug and play som HES5A-4E60. Den kan också konfigureras med webbläsare från en dator ansluten till någon av dess Ethernet-portar. Dess säkerhet låter upp till tio IP-adresser få åtkomst till webbläsarens gränssnitt. Andra funktioner i webbläsarens konfigurationsgränssnitt är automatiska e-postaviseringar för säkerhetsproblem, inställning av DHCP-parametrar (Dynamic Host Configuration Protocol), portbaserad trafikkontroll samt begränsning, portvidarebefordran och åtkomst till systemloggen. Webbläsarens gränssnitt har också åtkomst till MAC-tabellen (4 096 poster) (behörighet att läsa, redigera och ta bort poster).

Kablage för tuff industrimiljö

I industrimiljö kan det förekomma extrema temperaturer: här finns det också risk för exponering för många typer av vätskor (från saltvatten till olja och bensin), vilka kan orsaka korrosion på oskyddade ytor. För kablage kan konstant fysiskt slitage som dragning runt vassa kanter eller överkörning av truckar försämra eller skada kabelns skärmning. I extrema fall kan elektriska ledare för dataöverföring eller strömförsörjning brytas av. I sådana situationer krävs mycket tålig industrikabel som är utformad att klara av påfrestningar inom industrin. För att klara av både signalöverföring och strömförsörjning kräver PoE kablar av mycket hög kvalitet. Det krävas fyra tvinnade par för att hantera både dataöverföring och strömförsörjning. Ledningsdimensionen får inte understiga 24 AWG (på så sätt minimeras värmehöjningen samtidigt som 60 W effekt per kabel kan hanteras).

För den tuffaste miljön har Samtec Inc. introducerat Cat5e Ethernet-kablaget RCE-01-G-13.00-D (figur 3). Denna 13 meter långa kabel har fyra tvinnade par (två par för data och två par för PoE-strömförsörjning).

Bild på Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D Cat5e-kablageFigur 3: Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D Cat5e-kablage med kapslingsklass IP68. Både kabel och RJ45-kontaktdon klarar av den tuffaste industrimiljön. (Bildkälla: Samtec Inc.)

RJ45-kontaktdonen (hane) har en utrymmesbesparande rektangulär form och är förseglade mot damm och vätskor. Kontaktdonen har en tryckförseglingsmekanism som indikerar med ett tydligt klick när den ansluts korrekt. Spärrmekanismen är mycket lätt att öppna.

RCE-01-G-13.00-D Cat5e-kabel har ledare med tvärsnittsarea 24 AWG, vilket gör den lämplig för strömleverans enligt 802.3af och 802.3at.

Slutsats

PoE har blivit lättare att använda sedan introduktionen av Ethernet-switchar som klarar av strömförsörjning. Genom att välja korrekt PoE Ethernet-switch för tillämpningar inom industriautomation kan du spara både tid och pengar. Du får säker strömförsörjning med hög verkningsgrad och tillförlitlig nätverksanslutning i en och samma kabel.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Bill Giovino

Bill Giovino arbetar som elektronikingenjör och har kandidatexamen i elektroteknik från Syracuse University. Han är en av få personer som med framgång har bytt karriär från konstruktör via fältapplikationsingenjör till att arbeta med marknadsföring av teknik.

I mer än 25 år har Bill arbetat med att marknadsföra ny teknik för en publik både med och utan tekniska kunskaper för många företag (bland dem kan nämnas STMicroelectronics, Intel och Maxim Integrated). På STMicroelectronics var Bill en av de drivande personerna i att leda företagets framgångar på den nya branschen för mikrostyrenheter. På Infineon drev Bill konstruktionen av prisvinnande mikrostyrenheter för bilindustrin i USA. I sin roll som marknadsföringskonsult för CPU Technologies har Bill hjälpt många företag att omvandla mindre framgångsrika produkter till framgångshistorier.

Bill var tidig med att använda sakernas internet, bland annat genom att placera den första kompletta TCP/IP-stacken på en mikrostyrenhet. Bill tror mycket på att försäljning ska bedrivas genom utbildning och att det är allt viktigare med tydlig, välskriven kommunikation för att marknadsföra produkter online. Han är moderator för den populära gruppen Linkedin Semiconductor Sales & Marketing och kan allt om B2E.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer