DKK | EUR | USD

Forenklet Industrial Ethernet-netværk med intelligente PoE-switche

Af Bill Giovino

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Ethernet er den mest udbredte kablede netværksprotokol i IIoT-anvendelser (Industrial Internet of Things). Derfor kan man finde Ethernet-kabler overalt i ethvert industriautomatiseringsanlæg. Da der også skal være elektrisk strøm til rådighed overalt, hvor der er installeret Ethernet, ligger der også strømledninger næsten overalt, hvor der er Ethernet-kabler – som regel i de samme kabelbundter.

Power over Ethernet (PoE) kan i høj grad forenkle industriautomatiseringsanlæg. Ved at sende elektricitet over det samme kabel som bruges til Ethernet-forbindelsen er der behov for at trække færre kabler gennem anlægget, hvilket gør det nemmere at etablere eller rekonfigurere et produktionsanlæg.

I denne artikel diskuteres det, hvordan intelligente Industrial Ethernet-switche, der understøtter PoE, kan forenkle en fabriks udformning, mens omkostningerne reduceres. Der præsenteres også to DIN-skinnemonterede Ethernet-switche fra Henrich Electronics, som kan levere både netværksforbindelse og strøm over et og samme Ethernet-kabel.

Forenklet kabelføring i industriautomatisering

Mange industriautomatiseringsanlæg er designet til nemt at kunne rekonfigureres. Det kan f.eks. blive nødvendigt at tage et samlebånd i et produktionsanlæg ned og konfigurere det til at fremstille et andet produkt. Kombinationen af Ethernet med PoE gør produktionen mere modulbaseret, og noget udstyr bliver nærmest selvkonfigurerende som med plug-and-play – hvor der leveres både strøm og netværksforbindelse ved blot at sætte Ethernet-kablet i. Dette forenkler fabrikkens udformning og gør det nemmere at føre kabler til udstyret.

Dette sparer også tid i anlæggets design, mens man slipper for omkostningerne til yderligere kabelføring og den arbejdskraft, det kræver at trække kablerne. Derudover får man med PoE ét enkelt vedligeholdelsespunkt ved at have én central strømkilde til hvert PoE-slutpunkt – eller strømdrevet enhed (Powered Device – PD) – på netværket. En PoE-kompatibel switch eller hub kan på sikker vis levere op til 90 W effekt til hver strømdrevet enhed (PD), hvilket gør PoE egnet til kameraer, kompakte kontrolpaneler og visser typer fabriksudstyr som ventiler eller døre.

PoE efterlader også plads til yderligere kabelføring. De fleste kabelbundter i industrianlæg er begrænset til omkring 24 kabler i alt grundet fare for varmeudvikling. Kabler i det samme bundt holdes ofte sammen med kraftige kabelbindere, der holder kablerne tæt sammen. Derfor deler og holder alle kablerne i bundtet på varmen, hvilket øger temperaturen i hele kabelbundtet – dette kaldes for "temperaturstigning". Fordi modstanden øges, når temperaturen stiger, reduceres strømeffektiviteten for hvert kabel i bundtet som følge af øget effekt- og signaltab. PoE eliminerer mange af de strømkabler, der bruges inden for industriautomatisering, hvilket reducerer antallet af kabler i et bundt, hvilket igen reducerer varmeudviklingen og forhindrer signalforringelse i twisted pair Ethernet-forbindelser. Dette øger også effektiviteten i leveringen af strøm til udstyr.

Der er i øjeblikket tre standarder for levering af PoE via standard Cat5e-Ethernet-kabel: 802.3af kan levere op til 15,4 W effekt fra strømforsyningsudstyret til hver strømdrevne enhed (PD); 802.3at (PoE+) leverer op til 25,5 W effekt, og den nyeste standard, 802.3bt (PoE++), kan levere op til 60 W effekt via et standard Cat5e-Ethernet-kabel. 802.3bt kan også understøtte op til 90 W effekt med Cat6- eller Cat6a-kabel, der leder strømmen via en ledning med tykkere tråd. Alle disse standarder er bagudkompatible.

Tilføjelse af Ethernet og PoE i nyt industriautomatiseringsanlæg

Den nemmeste måde at tilføje PoE på, når der bygges et nyt netværk, er at inkorporere Ethernet-switche, der understøtter PoE. En nem løsning er at bruge Henrich Electronics HES5A-4E60-VL unmanaged PoE Ethernet-switch med fem porte til DIN-skinnemontering (figur 1).

Billede af Henrich Electronics HES5A-4E60 Ethernet-switchFigur 1: Henrich Electronics HES5A-4E60 Ethernet-switch har fem Ethernet-porte, hvoraf de fire understøtter 802.3bt PoE++. (Billedkilde: Henrich Electronics)

Henrich Electronics HES5A-4E60 unmanaged Ethernet-switch monteres på en standard DIN-skinne eller panel. Den har en kompakt størrelse på kun 92 x 116 x 67,2 mm, hvilket gør den egnet til installationer, hvor der er begrænset plads. HES5A-4E60-VL har fem Ethernet-porte på frontpanelet. Den ene er en standard 10/100Base-T-port og de fire andre er Ethernet PoE++ porte, som kan levere op til 60 W effekt til hver strømdrevne enhed (PD). HES5A-4E60-VL anvender Cat6/a-kabel og kan levere op til 90 W. Den er IP40-klassificeret og kan fungere i driftsmiljøer med en temperatur på mellem -40 °C og +60 °C, hvilket gør den egnet til de fleste industriautomatiseringsanlæg.

HES5A-4E60-VL er også bagudkompatibel med de tidligere PoE-standarder 802.3af og 802.3at som understøtter henholdsvis 15,4 W og 25,5 W pr. slutpunkt.

Når der sættes et kabel i en af de fire PoE++ Ethernet-porte, indleder HES5A-4E60-VL en kort PoE-håndtryksprotokol med den strømdrevne enhed (PD). Dette håndtryk bestemmer, om slutpunktet kræver PoE-strøm, og hvor meget strøm slutpunktet i så fald skal bruge. På denne måde kan PoE-switchen sikkert og effektivt sende den nødvendige strøm til Ethernet-slutpunktet og på sikker vis afbryde strømmen fra den strømdrevne enhed (PD), hvis Ethernet-kablet frakobles, eller hvis slutpunktet holder op med at svare. Hvis en strømdrevet enhed får tilstrækkelig effekt, tændes en LED-indikator for den pågældende PoE-port på switchen for at indikere, at porten modtager strøm. Dette er også en hjælp ved diagnosticering af evt. problemer med strømmen. Hvis f.eks. en strømdrevet enhed ikke fungerer, og den pågældende PoE-indikator er slukket, kan det være et tegn på, at kablet er beskadiget eller frakoblet, eller det kan være, fordi slutpunktet ikke gennemfører PoE-håndtrykket korrekt.

HES5A-4E60-VL er en "unmanaged" switch, hvilket vil sige, at den er plug-and-play. Når der sættes et kabel i en af de fem porte, anmoder switchen om slutpunktets Ethernet MAC-adresse. HES5A-4E60-VL har en MAC-tabel med 1.024 poster til lagring af kendte MAC-adresser til IP-adresser. Hvis MAC-adressen ikke findes i MAC-tabellen, får den tildelt en ny IP-adresse. Hvis MAC-adressen findes i tabellen, læses IP-adressen fra MAC-tabelposten og tildeles slutpunktet. Switchen skal ikke konfigureres eller håndteres på nogen måde.

Til mere sofistikerede industriautomatiseringsnetværk tilbyder Henrich Electronics en managed PoE+ Ethernet-switch, HES6GM-4E-2SFP-VLW, med seks porte til DIN-skinnemontering (figur 2). Denne IP30-klassificerede Ethernet-switch er klassificeret til en driftstemperatur på mellem -40 °C og +75 °C, hvilket gør den egnet til tørre, støvfri industrimiljøer, hvor temperaturerne kan være for ekstreme for mennesker i længere tid ad gangen.

Den har en MAC-tabel med 4.096 poster og understøtter 10/100/1000Base-T, hvilket gør den kompatibel med den nyeste Gigabit Ethernet-standard. Den understøtter op til 30 W effekt for hver strømdrevne enhed (PD).

Billede af Henrich Electronics HES6GM-4E-2SFP-VLW Ethernet-switch til DIN-skinnemonteringFigur 2: Henrich Electronics HES6GM-4E-2SFP-VLW Ethernet-switch til DIN-skinnemontering har seks Ethernet-porte, hvoraf de fire understøtter PoE+. Switchen kan konfigureres via en webbrowser, hvorved der kan indstilles alarmer og advarsler for forskellige handlinger. (Billedkilde: Henrich Electronics)

HES6GM-4E-serien kan monteres på DIN-skinne eller panel. Det er en "managed" switch, hvilket betyder, at den kan fungere fuldstændig på plug-and-play basis lige som HES5A-4E60, eller den kan konfigureres ved hjælp af en webbrowser fra en pc, der er forbundet til en af Ethernet-portene. Sikkerhedsmæssigt kan op til ti IP-adresser få adgangstilladelse til webgrænsefladen. Andre funktioner i webgrænsefladen omfatter automatiske e-mailadvarsler om sikkerhedsproblemer, indstilling af DHCP-parametre (Dynamic Host Configuration Protocol), portbaseret trafikregulering og -begrænsning, port forwarding og adgang til systemloggen. Browsergrænsefladen kan også tilgå Mac-tabellen med 4.096 poster for at gennemse, redigere eller slette poster.

Kabelføring i hårde industrimiljøer

Industrimiljøer kan være prægede af temperaturekstremer samt eksponering for væsker – alt fra saltvand til olie eller benzin, som kan tære ubeskyttede overflader. Når det gælder kabelføring, kan konstant fysisk slid såsom bøjning over skarpe kanter eller at blive kørt over af eksempelvis gaffeltrucks forringe eller beskadige kablets afskærmningsmateriale eller i ekstreme tilfælde ødelægge de elektriske ledere, der transporterer data og strøm. Dette kræver et kraftigt kabel til industriel brug, som er bygget til at modstå slid og misbrug i industrimiljøer. Og for at håndtere leveringen af både signal og strøm kræver PoE ydermere kabler af høj kvalitet. Der skal bruges fire snoede par til at levere data og strøm. Trådtykkelsen må ikke være mindre end 24 AWG for at minimere temperaturstigningen og for at sikre tilstrækkelig effektivitet til at levere 60 W effekt pr. kabel.

Til de hårdeste miljøer har Samtec Inc. lanceret RCE-01-G-13.00-D Cat5e Ethernet-kabelenheden (figur 3). Dette 13-meter kabel indeholder fire snoede par – to par til data og to par til PoE-strøm.

Billede af Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D – en Cat5e-kabelenhedFigur 3: Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D er en Cat5e-kabelenhed, som er IP68-klassificeret. Både kablet og RJ45-stikkene kan modstå selv de hårdeste industrimiljøer. (Billedkilde: Samtec Inc.)

Hvert RJ45-hanstik har et pladsbesparende rektangulært design og er forseglet for at modstå støv og væsker. Stikkene benytter en låsemekanisme med klemforsegling, der giver et tydeligt hørbart klik, når stikket indsættes korrekt. Låsene er designet til nemt at kunne fjernes uden besvær.

RCE-01-G-13.00-D Cat5e-kablet har 24 AWG-ledere, hvilket gør det egnet til levering af strøm iht. 802.3af og 802.3at.

Konklusion

PoE er blevet nemmere at bruge efter lanceringen af Ethernet-switche, der kan levere den krævede effekt. Valget af den rette PoE Ethernet-switch til anvendelser inden for industriautomatisering kan være både tids- og omkostningsbesparende, mens det baner vejen for sikker og effektiv levering af strøm samt pålidelig netværksforbindelse gennem det samme 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 denne forfatter

Bill Giovino

Bill Giovino is an Electronics Engineer with a BSEE from Syracuse University, and is one of the few people to successfully jump from design engineer, to field applications engineer, to technology marketing.

For over 25 years Bill has enjoyed promoting new technologies in front of technical and non-technical audiences alike for many companies including STMicroelectronics, Intel, and Maxim Integrated. While at STMicroelectronics, Bill helped spearhead the company’s early successes in the microcontroller industry. At Infineon Bill orchestrated the company’s first microcontroller design wins in U.S. automotive. As a marketing consultant for his company CPU Technologies, Bill has helped many companies turn underperforming products into success stories.

Bill was an early adopter of the Internet of Things, including putting the first full TCP/IP stack on a microcontroller. Bill is devoted to the message of “Sales Through Education” and the increasing importance of clear, well written communications in promoting products online. He is moderator of the popular LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group and speaks B2E fluently.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører