DKK | EUR | USD

PoE (Power over Ethernet) inden for industriel automatisering

Af Jody Muelaner

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Power over Ethernet (PoE) tilslutningssystemer er defineret af IEEE 802.3-standarden og giver en bekvem måde at levere både data og elektrisk strøm til maskinkomponenter ved hjælp af enkelt alt-i-et Ethernet-kabler. Læs 2013 Digi-Key-artikel En introduktion til Power-over-Ethernet for en primer på PoE's introduktion og struktur.

I dag er der tre standardunderklassifikationer for PoE:

  • PoE-alternativ B bruger separate ledninger til at overføre data og strøm. Mere specifikt specificerer denne PoE-underklassificering brugen af Cat-5 Ethernet-kabel med fire snoede par - med to par, der bærer data og to par, der bærer strøm. PoE Alternative B-ordninger understøtter derfor kun en datahastighed på op til 100 Mbps (100BASE-TX) - selvom der anvendes kabler, der er klassificeret til Gigabit Ethernet.
  • Alternativ A er også begrænset til en datahastighed på 100 Mbps, men bruger de samme to par til at bære både data og strøm. Dette betyder, at PoE Alternative A-arrangementer er kompatible med Ethernet-kabel, der indeholder to snoede par samt fulde Cat-5 fireparskabler.
  • 4PPoE bruger alle fire snoede par til at transmittere effekt og kan derfor give højere strømme. De snoede par bærer også data med de højeste datahastigheder for Gigabit Ethernet og derover.

Diagram over en ledningsvariation af en Power of Ethernet (PoE) installationFigur 1: Her er en ledningsvariation for en Power of Ethernet (PoE) installation. (Billedkilde: Design World)

Disse tre hovedstandarder kaldes ofte simpelthen tilstand A, tilstand B og fire-par PoE. Forskellige pin-konfigurationer af hver tilstand er mulige. Uanset variationen skal alle drevne enheder (PD'er) være i stand til at acceptere både tilstand A og tilstand B-forbindelser.

I sidste ende er det PoE-systemets strømforsyningsudstyr (undertiden forkortet PSE), der bestemmer, hvilken tilstand der bruges og måske understøtter kun en eller flere tilstande. En PD kan indikere sin kompatibilitet med PoE ved modstand på tværs af de drevne par. En fast 25-kΩ modstand indikerer generel overholdelse af standarder, mens en skiftende modstand kan bruges til at anmode om en specifik forsyningstilstand.

Billede af Maxim MAX5969A/MAX5969B IC'er installeret i PoE-drevne (PD) enhederFigur 2: MAX5969A/MAX5969B IC'er installeres i PoE-drevne (PD)-enheder. IEEE 802.3af/at-kompatible IC'er giver PD'er detektions- og klassifikationssignaturer samt en isolationsafbryder med indgangsstrømstyring. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Differentiel signalering og understøtter effektkapacitet

Ethernet-kabel overfører data på snoede par ved hjælp af differentieret signalering. Dette betyder, at hver ledning i et snoet par bærer den samme information, så den signalmodtagende enhed kan måle spændingsforskellen mellem de to. Sådanne arrangementer er langt mere pålidelige end design, der simpelthen sporer spænding på en enkelt ledning i forhold til jord, da disse muliggør detektion og afvisning af enhver elektromagnetisk interferens (EMI), der påvirker kablet. PoE-brug af snoede par betyder også, at spændingen i et ledningspar kan øges for at transmittere strøm uden at påvirke datasignalerne, der også bæres af kablet, negativt.

Billede af to-par og Cat-5 fire-par Ethernet-kabelFigur 3: Forskellige PoE-arrangementer anvender to-par og Cat-5 fire-par Ethernet-kabel. En væsentlig fordel ved PoE er, hvordan kun et enkelt kabel skal lægges for at forbinde PoE-enheder. (Billedkilde: Getty Images)

Da PoE-standarderne har udviklet sig, er mængden af strøm, der kan overføres, steget. Disse er repræsenteret af fire generationer af PoE eller typer:

  • Den originale Type-1 PoE understøtter strømforsyning på op til 13 W med et spændingsområde på 37 til 57 V. Dette er typisk tilstrækkeligt til enheder såsom trådløse adgangspunkter og døradgangspaneler.
  • Type 2 eller PoE+ understøtter strømforsyning på op til 25 W med et spændingsområde på 42 til 57 V. Med dette strømniveau kan enheder som sikkerhedskameraer, RFID-læsere og alarmsystemer også understøttes.
  • Type 3 understøtter strømforsyning på op til 51 W med et spændingsområde på 42 til 57 V. Dette er tilstrækkeligt til at drive bærbare computere og kontrolpaneler.
  • Type 4 understøtter strømforsyning på op til 71 W med et spændingsområde på 41 til 57 V. Dette er især nyttigt til strømforsyning af LED-belysning, hvilket muliggør smart belysning uden strømforsyning.

For type 1 er den maksimale kabelmodstand 20 Ω, men de højere strømme fra senere generationer begrænser dette til 12,5 Ω.

Netværkskomponenter, der almindeligvis findes i PoE-installationer

Enheder, der bruges til at konstruere PoE-netværk inkluderer:

  • PoE-switche, som er netværksafbrydere, der leverer PoE på deres porte. De er de grundlæggende byggesten i udvidede PoE-netværk - de fungerer typisk som PSE i de fleste netværk.
  • PoE-injektorer tilføj strøm til et ikke-strømforsynet Ethernet-kabel. De kan integreres i et design for at tilføje strøm til ikke-PoE-netværk. Overvej f.eks. Et system, hvor en switch, der ikke er PoE, forbinder en enhed til netværket. Hvis målet er at drive enheden via dens Ethernet-kabel, vil installationsprogrammet tilslutte kablet fra netværksswitchen til en PoE-injektor og derefter køre et andet kabel fra injektoren til enheden. Injektoren kræver sin egen strømforsyning.
  • PoE-splittere adskiller strøm og data fra et PoE-kabel, hvilket gør det muligt for en ikke-PoE-kompatibel enhed at blive drevet ved hjælp af et separat input. En splitter kan betragtes som en injektor i omvendt retning.

Billede af Phihong USA PoE-splitterFigur 4: Denne PoE-splitter (se Phihong PTM for flere oplysninger) kan give op til 45 W på udvalgte IEEE802.3-systemer med overstrøms- og overspændingsbeskyttelse. (Billedkilde: Phihong USA)

  • PoE-nav er i det væsentlige en stak injektorer. Flere kabler uden strøm er tilsluttet den ene side, og derefter kabler, der er tilsluttet den anden side, får strøm.
  • PoE-udvidere muliggøre, at Ethernet-netværk fungerer uden for deres normale 100 m rækkevidde.

PoE Eksempel applikationer

Evnen til at levere strøm såvel som at overføre data via et enkelt kabel er uundværlig for mange applikationer, da det forenkler og reducerer omkostningerne ved automatiserede funktioner. Faktisk er PoE særlig nyttig på steder, hvor der ikke er nogen strømforsyning tilgængelig. Hvad mere er, på grund af de involverede lave spændinger kræver installation af et PoE-kabel ikke en elektriker. Dette kan resultere i betydelige omkostningsbesparelser, hvis alternativet er installation af ekstra stikkontakter. Det kan også være muligt at bruge eksisterende netværks- eller telefonkabler, der allerede findes i et anlæg til PoE.

Da spændingerne er lave, er systemet sikrere. Dette betyder også, at der ikke er behov for ledninger og jordforbindelser, hvilket igen reducerer installationsomkostningerne yderligere. De maksimale spændinger holder sig inden for sikre grænser, og PSE sender en teststrøm ved 10 V, inden den leverer fuld effekt. Den fulde spænding påføres kun, hvis der registreres en 25 Ω modstand på PD'en. Dette forhindrer beskadigede tilsluttede enheder.

Når der kræves ændringer, er det relativt let at skifte Ethernet-tilsluttede enheder og bytte kabler. Dette kræver, at en tekniker simpelthen tilslutter de nye enheds kabler til netværksafbrydere. I modsætning til automatiserede maskinsektioner, der afbryder vekselstrøm (som i nogle tilfælde kan kræve, at hele automatiserede gulve skal isoleres, mens arbejdet udføres), er PoE plug and play. Det betyder, at der kan foretages ændringer, mens netværket fortsætter med at fungere. Det er også let at anvende enhedsbrugsdata til at styre strøm til bestemte enheder. Denne evne til at tænde og slukke for strømmen til en enhed kan reducere strømforbruget betydeligt.

Overvej en PoE-applikation: PoE-belysningssystemer er en stadig mere almindelig applikation med bred anvendelighed. De involverer LED-lys med sensorer og belysningskontroller, der forbinder via Ethernet-kabler og -afbrydere. Én anvendelse er i lagerfaciliteter til at efterligne naturlige dagslyscyklusser for at forbedre medarbejdernes sundhed, trivsel og produktivitet. Integration af bevægelsessensorer og forudsigende algoritmer, der kører på PoE-controllere, muliggør den mest effektive brug af lys for at spare energi og trimme driftsomkostninger.

En anden relativt ny applikation til PoE er motorer. Integrerede PoE-motorer kan reducere den nødvendige kabler til diskret automatisering, da de eliminerer kravet om dedikerede feedback-kabler mellem motor og ekstern bevægelsesregulator. I enheder med et drev integreret i motorhuset kan motoren simpelthen modtage kontrolkommandoer sammen med strøm via et enkelt Ethernet-kabel. Dette reducerer det samlede installationsfodaftryk, samtidig med at installationsprocessen forenkles.

Sådanne integrerede PoE-klare motorer kan modtage enten bevægelsesstyringsprogrammer eller realtidskommandoer over Ethernet-dataforbindelsen.

Konklusion

Power over Ethernet (PoE) er nyttigt til enheder, der kræver både strøm- og dataforbindelser. Det reducerer installationsomkostningerne, giver designkomfort og er sikrere og mere pålidelig end adskilte strøm- og dataforbindelser. Der er to typer enheder, der øger brugen af PoE:

  • Enheder som lys, der traditionelt kun krævede strøm... men i stigende grad sælges som smarte enheder, der er afhængige af datatransmission for nyere og relativt avancerede muligheder.
  • Komponenter såsom elektriske motorer, der er begyndt at udnytte den øgede kapacitet af PoE som en økonomisk, sikker og bekvem mulighed for både strøm og dataforbindelse.

Ikke underligt, at PoE hurtigt er blevet en kerneteknologi inden for forbrugsvarer såvel som smarte bygninger og maskinautomatisering, der udnytter industrielt internet af ting (IIoT) -funktioner.

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 denne forfatter

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner is an engineer who has designed sawmills and medical devices; addressed uncertainty in aerospace manufacturing systems; and created innovative laser instruments. He has published in numerous peer-reviewed journals and government summaries … and has written technical reports for Rolls-Royce, SAE International, and Airbus. He currently leads a project to develop a e-bike detailed at betterbicycles.org. Muelaner also covers developments related to decarbonization technologies.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører