Technologia Power over Ethernet (PoE) w automatyce przemysłowej

Przez: Jody Muelaner

Przekazane przez: Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key

Systemy łączności Power over Ethernet (PoE) są zdefiniowane przez normę IEEE 802.3 i stanowią wygodny sposób przesyłu zarówno danych, jak i energii elektrycznej do podzespołów maszyn przy użyciu pojedynczych uniwersalnych kabli Ethernet. Podstawowe informacje o technologii PoE i jej strukturze można znaleźć w artykule Digi-Key z 2013 roku pt. Wprowadzenie do technologii Power-over-Ethernet.

Obecnie istnieją trzy standardowe podklasy technologii PoE:

  • W wariancie B PoE wykorzystuje się oddzielne przewody do przesyłania danych i zasilania. Dokładniej, ta podklasa PoE określa użycie przewodu Ethernet kat. 5 z czterema skrętkami dwużyłowymi - z których dwie pary przesyłają dane, a dwie energię. Dlatego układy z wariantem B PoE mogą obsługiwać tylko szybkość transmisji danych do 100Mbps (100BASE-TX) - nawet jeśli używane są przewody przystosowane do sieci Gigabit Ethernet.
  • Wariant A jest również ograniczony do szybkości transmisji danych 100Mbps, ale wykorzystuje te same dwie pary do przesyłania zarówno danych, jak i zasilania. Oznacza to, że w instalacjach PoE w wariancie A można używać zarówno kabli Ethernet z dwiema skrętkami, jak i kabli kat. 5 z czterema parami.
  • W technologii 4PPoE do przesyłania energii wykorzystuje się wszystkie cztery skrętki dwużyłowe i dlatego może zapewnić ona wyższe natężenia prądu. Skrętki dwużyłowe przesyłają również dane z najwyższymi szybkościami transmisji danych dla sieci Gigabit Ethernet i nie tylko.

Diagram jednego z wariantów oprzewodowania instalacji Power over Ethernet (PoE)Ilustracja 1: jeden z wariantów oprzewodowania instalacji Power over Ethernet (PoE). (Źródło ilustracji: Design World)

Wspomniane trzy główne standardy są często nazywane po prostu trybem A, trybem B i trybem czteroparowym PoE. Możliwe są różne konfiguracje wtyków dla każdego trybu. Jednak bez względu na różnice, konieczne jest, aby wszystkie urządzenia zasilane (PD) akceptowały połączenia zarówno w trybie A, jak i w trybie B.

Ostatecznie to urządzenia zasilające instalacji PoE (czasami w skrócie PSE) określają, który tryb jest używany i może obsługiwać tylko jeden lub kilka trybów. Urządzenie zasilane (PD) może sygnalizować swoją kompatybilność z technologią PoE na podstawie rezystancji na zasilanych parach. Stała rezystancja 25kΩ wskazuje na ogólną zgodność z normami, podczas gdy rezystancja zmienna może służyć do żądania określonego trybu zasilania.

Wygląd układów scalonych Maxim MAX5969A/MAX5969B instalowanych w zespołach urządzeń zasilanych (PD) w technologii PoEIlustracja 2: układy scalone MAX5969A/MAX5969B instalowane w zespołach urządzeń zasilanych (PD) w technologii PoE. Układy scalone zgodne ze standardem IEEE 802.3af/at zapewniają sygnatury detekcji i klasyfikacji dla urządzeń zasilanych (PD), a także stanowią odłączniki zasilania z kontrolą prądu rozruchowego. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Sygnały różnicowe i obsługiwane moce

Kabel Ethernet przesyła dane przez skrętki dwużyłowe z wykorzystaniem sygnałów różnicowych. Oznacza to, że każdy przewód w skrętce dwużyłowej przenosi te same informacje, dzięki czemu urządzenie odbierające sygnał może zmierzyć różnicę napięcia między nimi. Takie układy są znacznie bardziej niezawodne niż układy, które po prostu śledzą napięcie na pojedynczej żyle w odniesieniu do uziemienia, ponieważ pozwalają na wykrycie i eliminację wszelkich zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oddziałujących na przewód. Zastosowanie skrętek w technologii PoE oznacza również, że można zwiększyć napięcie w parze przewodów, aby przesyłać energię bez negatywnego wpływu na sygnały danych również przesyłane przez kabel.

Wygląd dwuparowego i czteroparowego kabla Ethernet kat. 5Ilustracja 3: w różnych konfiguracjach PoE wykorzystuje się dwuparowe i czteroparowe kable Ethernet kat. 5. Główną zaletą technologii PoE jest to, że do podłączenia urządzeń PoE wystarczy zainstalować tylko jeden kabel. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Wraz z rozwojem standardów PoE wzrosły przesyłane moce. Są one reprezentowane przez cztery generacje technologii PoE czy też typy:

  • Pierwotny standard PoE typu 1 obsługuje moce do 13W przy zakresie napięć od 37 do 57V. Jest to zwykle wystarczające dla urządzeń takich jak bezprzewodowe punkty dostępowe i przydrzwiowe panele dostępowe.
  • Typ 2 lub inaczej PoE+ obsługuje moce do 25W przy zakresie napięć od 42 do 57V. Ten poziom mocy pozwala również obsługiwać urządzenia takie jak kamery bezpieczeństwa, czytniki RFID i systemy alarmowe.
  • Typ 3 obsługuje moce do 51W przy zakresie napięć od 42 do 57V. Jest to moc wystarczająca do zasilania laptopów i paneli sterowniczych.
  • Typ 4 obsługuje moce do 71W przy zakresie napięć od 41 do 57V. Jest on szczególnie przydatny do zasilania oświetlenia LED, pozwalając na stosowanie inteligentnego oświetlenia bez zasilania sieciowego.

Dla typu 1 maksymalna rezystancja przewodu wynosi 20Ω, ale wyższe prądy późniejszych generacji ograniczają ją do 12,5Ω.

Komponenty sieciowe często spotykane w instalacjach PoE

Urządzenia wykorzystywane do budowy sieci PoE obejmują:

  • Przełączniki PoE, które są przełącznikami sieciowymi z zasilaniem PoE na portach. Są to podstawowe elementy składowe rozszerzonych sieci PoE - zwykle działające jako urządzenia zasilające (PSE) w większości sieci.
  • Iniektory PoE dodają zasilanie do niezasilanego kabla Ethernet. Można je zintegrować z instalacją, aby dodać zasilanie do sieci innych niż PoE. Przyjrzyjmy się na przykład instalacji, w której urządzenie łączy się z siecią przez przełącznik sieciowy inny niż PoE. Jeśli celem jest zasilanie tego urządzenia przez kabel Ethernet, instalator podłączy kabel między przełącznikiem sieciowym i iniektorem PoE, a następnie poprowadzi drugi kabel od iniektora do urządzenia. Iniektor wymaga własnego zasilania.
  • Rozgałęźniki PoE oddzielają zasilanie i dane z kabla PoE, umożliwiając zasilanie urządzenia niezgodnego z technologią PoE przy użyciu oddzielnego wejścia. Rozgałęźnik można traktować jak odwrócony iniektor.

Wygląd rozdzielacza PoE firmy Phihong USAIlustracja 4: rozdzielacz PoE może dostarczać moc do 45W w wybranych systemach IEEE802.3 z zabezpieczeniem nadprądowym i przepięciowym (więcej informacji: Phihong PTM) . (Źródło ilustracji: Phihong USA)

  • Koncentratory PoE są zasadniczo stosem iniektorów. Po jednej stronie podłącza się wiele niezasilanych kabli, natomiast kable podłączone po drugiej stronie mają już zasilanie.
  • Przedłużacze PoE umożliwiają sieciom Ethernet działanie poza ich normalnym zasięgiem 100m.

Przykładowe zastosowania PoE

Możliwość zasilania i przesyłania danych jednym kablem jest nieodzowna w wielu zastosowaniach, ponieważ upraszcza i obniża koszty funkcji zautomatyzowanych. W rzeczywistości technologia PoE jest szczególnie przydatna w miejscach, w których nie ma dostępnego źródła zasilania. Co więcej, ze względu na niskie napięcia, instalacja kabla PoE nie wymaga elektryka. Może to skutkować znacznymi oszczędnościami, jeśli alternatywą byłoby zainstalowanie dodatkowych gniazd elektrycznych. Możliwe jest również wykorzystanie w technologii PoE istniejących przewodów sieciowych lub telefonicznych, które są już obecne w obiekcie.

Ponieważ napięcia są niskie, system jest bezpieczniejszy. Oznacza to również, że przewody i osłony uziemiające nie są potrzebne, co z kolei jeszcze bardziej obniża koszty instalacji. Maksymalne napięcia pozostają w bezpiecznych granicach, a urządzenie zasilające (PSE) wysyła prąd testowy o napięciu 10V przed dostarczeniem pełnej mocy. Pełne napięcie jest podawane tylko wtedy, gdy na urządzeniu zasilanym (PD) wykryto rezystancję 25Ω. Zapobiega to uszkodzeniu podłączonych urządzeń.

Gdy zaistnieje potrzeba dokonania zmian, stosunkowo łatwo jest wymienić urządzenia podłączone do sieci Ethernet i zamienić kable. Wystarczy, że technik po prostu podłączy kable nowych urządzeń do przełączników sieciowych. W przeciwieństwie do zautomatyzowanych sekcji maszyn zasilanych prądem zmiennym (co w niektórych przypadkach może wymagać odizolowania całych zautomatyzowanych hal podczas wykonywania pracy), technologia PoE ma charakter plug-and-play. Oznacza to, że zmiany można wprowadzać, gdy sieć nadal działa. Łatwo jest również wykorzystać dane dotyczące użytkowania urządzenia do sterowania zasilaniem określonych urządzeń. Ta możliwość włączania i wyłączania zasilania doprowadzanego do urządzenia może znacznie zmniejszyć zużycie energii.

Przeanalizujmy jedno z przykładowych zastosowań technologii PoE: systemy oświetleniowe PoE są coraz powszechniej wykorzystywanym rozwiązaniem. W ich skład wchodzą lampy LED z czujnikami i elementy sterownicze oświetlenia, które łączy się za pomocą kabli Ethernet i przełączników. Jednym z ich zastosowań jest imitowanie cykli światła dziennego w halach magazynowych w celu poprawy zdrowia, dobrego samopoczucia i produktywności pracowników. Integracja czujników ruchu i algorytmów predykcyjnych działających w kontrolerach PoE pozwala na najbardziej efektywne wykorzystanie światła w celu oszczędzania energii i obniżenia kosztów operacyjnych.

Innym stosunkowo nowym zastosowaniem technologii PoE są silniki. Integracja silników w ramach technologii PoE może zmniejszyć ilość kabli potrzebnych w dyskretnej automatyzacji, ponieważ eliminuje ona konieczność stosowania dedykowanych kabli sprzężenia zwrotnego między silnikiem a zewnętrznym kontrolerem ruchu. W jednostkach ze sterowaniem zintegrowanym w obudowie silnika, silnik może po prostu odbierać polecenia sterujące wraz z zasilaniem przez pojedynczy kabel Ethernet. Zmniejsza to całkowitą powierzchnię zajmowaną przez instalację, jednocześnie upraszczając proces instalacji.

Takie zintegrowane silniki przystosowane do technologii PoE mogą odbierać programy sterowania ruchem lub polecenia w czasie rzeczywistym przez ethernetowe połączenie danych.

Podsumowanie

Technologia Power over Ethernet (PoE) jest przydatna w przypadku urządzeń wymagających zarówno zasilania, jak i połączeń do transmisji danych. Zmniejsza koszty instalacji, zapewnia wygodę projektowania oraz jest bezpieczniejsza i bardziej niezawodna niż oddzielne połączenia zasilania i transmisji danych. Istnieją dwa typy urządzeń, które w coraz większym stopniu wykorzystują technologię PoE:

  • Urządzenia oświetleniowe, które tradycyjnie wymagały jedynie zasilania, jednak są coraz częściej sprzedawane jako urządzenia inteligentne wykorzystujące transmisję danych w celu uzyskania nowszych i stosunkowo zaawansowanych funkcji.
  • Komponenty, takie jak silniki elektryczne, które zaczęły wykorzystywać zwiększony potencjał technologii PoE jako ekonomiczną, bezpieczną i wygodną opcję zarówno do zasilania, jak i łączności danych.

Nic dziwnego, że PoE szybko stała się podstawową technologią w segmencie urządzeń powszechnego użytku, a także inteligentnych budynków i automatyzacji maszyn, wykorzystując możliwości przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT).

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.

Informacje o autorze

Jody Muelaner

Dr Jody Muelaner jest inżynierem z doświadczeniem w projektowaniu od tartaków do urządzeń medycznych, zarządzaniem niepewnością w lotniczych systemach produkcyjnych oraz tworzeniu nowatorskich przyrządów laserowych. Publikował artykuły w licznych periodykach branżowych i rządowych … a także pisał raporty techniczne dla firm Rolls-Royce, SAE International oraz Airbus. Aktualnie jest szefem projektu mającego na celu opracowanie roweru elektrycznego, z którym można się zapoznać w witrynie betterbicycles.org. Jody Muelaner zajmuje się również technologiami dekarbonizacyjnymi.

Informacje o wydawcy

Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key