Uproszczenie tworzenia przemysłowych sieci Ethernet dzięki inteligentnym przełącznikom PoE

Najczęściej stosowanym protokołem używanym przez sieci przewodowe w zastosowaniach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) jest Ethernet. Dlatego też kable Ethernet można znaleźć niemalże w każdym zautomatyzowanym obiekcie przemysłowym. Jako że Ethernet wymaga dostępu do energii elektrycznej, wszędzie tam, gdzie są kable Ethernet, można znaleźć też przewody zasilające - zazwyczaj w tych samych wiązkach kabli.

Technologia Power over Ethernet (PoE) została stworzona po to, aby w znacznym stopniu uprościć automatyzację przemysłową. W związku z tym, że energia elektryczna dostarczana jest przez tę samą wiązkę kabli co Ethernet, poszczególne obiekty wymagają mniejszego okablowania, co z kolei ułatwia rozplanowanie instalacji lub jej przekonfigurowanie.

W niniejszym artykule omówiono kwestię sposobu, w jaki inteligentne przemysłowe przełączniki Ethernet obsługujące technologię PoE mogą uprościć układ instalacji w fabryce przy jednoczesnym obniżeniu kosztów. Przedstawiono w nim także dwa przełączniki Ethernet do montażu na szynie DIN firmy Henrich Electronics, które mogą jednocześnie łączyć ze sobą urządzenia sieciowe oraz zasilać je przy pomocy jednego kabla Ethernet.

Uproszczenie układu kabli w automatyce przemysłowej

Wiele zautomatyzowanych obiektów przemysłowych zaprojektowano tak, aby w łatwy sposób można było je przekonfigurować. Na przykład, jeśli zaistnieje taka potrzeba, można rozebrać i odpowiednio przekonfigurować linię montażową w danym obiekcie, tak żeby wytwarzała inny produkt. Połączenie sieci Ethernet z technologią PoE pozwala nadać hali fabrycznej bardziej modułowy charakter. Dzięki temu niektóre urządzenia mogą rozpocząć pracę zaraz po podłączeniu do prądu - użycie kabla Ethernet zapewnia zarówno łączność sieciową, jak i zasilanie. Stanowi to uproszczenie rozkładu urządzeń w fabryce, a także ułatwia poprowadzenie okablowania.

Oznacza to również oszczędność czasu przy projektowaniu obiektu, a także ograniczenie nakładów na dodatkowe okablowanie i siłę roboczą niezbędną do jego montażu. Ponadto dzięki jednemu centralnemu źródłu zasilania dla wszystkich punktów końcowych PoE lub zasilanych urządzeń w sieci, technologia PoE sprawia, że potrzebny jest tylko jeden punkt konserwacji. Przełącznik lub koncentrator obsługujący technologię PoE może bezpiecznie dostarczać do 90W mocy do każdego zasilanego urządzenia, dzięki czemu technologię tę można z powodzeniem stosować w systemach kamer, kompaktowych tablicach sterowania i niektórych urządzeniach fabrycznych, takich jak zawory czy drzwi.

Technologia PoE pozwala również zaoszczędzić miejsce, które można wykorzystać na instalację dodatkowego okablowania. Liczba kabli w większości wiązek kablowych w obiektach przemysłowych jest ograniczona do około 24 ze względu na problemy z ich przegrzewaniem się. Kable w tej samej wiązce są zazwyczaj ściśnięte przy pomocy opasek o dużej wytrzymałości. Dlatego też wszystkie kable znajdujące się w jednej wiązce oddają i zatrzymują ciepło, które z kolei podnosi temperaturę całej wiązki kabli, co określa się mianem „wzrostu temperatury.” Jako że rezystancja kabla rośnie wraz z jego temperaturą, wzrost temperatury powoduje coraz większe straty mocy i sygnału, co z kolei zmniejsza sprawność energetyczną każdego kabla w wiązce. Technologia PoE pozwala na zrezygnowanie z wielu kabli zasilających stosowanych w automatyce przemysłowej, co z kolei zmniejsza liczbę kabli w wiązce, obniżając temperaturę i zapobiegając pogorszeniu sygnału w skrętce Ethernetu. Wpływa to również na poprawę sprawności dostarczania zasilania do urządzeń.

Obecnie istnieją trzy standardy zasilania PoE przy standardowym okablowaniu Ethernet Cat5e: 802.3af może dostarczać do 15,4W prądu stałego ze źródła zasilania do każdego zasilanego urządzenia; 802.3at (PoE+) dostarcza nawet 25,5W mocy; a najnowszy standard, 802.3bt (PoE++), może dostarczać do 60W mocy przy standardowym okablowaniu Ethernet Cat5e. 802.3bt może również dostarczać zasilanie o mocy do 90W z okablowaniem Cat6 lub Cat6a, które dostarcza prąd przez przewody o większej średnicy. Każdy z tych standardów jest kompatybilny wstecz.

Wdrożenie sieci Ethernet i technologii PoE w nowych zautomatyzowanych obiektach przemysłowych

Najprostszym sposobem na wdrożenie technologii PoE przy budowie nowej sieci jest włączenie do niej przełączników Ethernet obsługujących technologię PoE. Prostym rozwiązaniem jest zastosowanie pięcioportowego, niezarządzanego przełącznika PoE Ethernet HES5A-4E60-VL do montażu na szynie DIN firmy Henrich Electronics (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przełącznik Ethernet HES5A-4E60 firmy Henrich Electronics posiada pięć portów, z czego cztery obsługują standard 802.3bt PoE++. (Źródło ilustracji: Henrich Electronics)

Niezarządzany przełącznik Ethernet HES5A-4E60 firmy Henrich Electronics montuje się na standardowej szynie DIN lub na tablicy. Kompaktowa konstrukcja o wymiarach zaledwie 92 x 116 x 67,2 milimetrów (mm) sprawia, że można go wykorzystać w instalacjach na ograniczonej przestrzeni. Przełącznik HES5A-4E60-VL posiada pięć portów Ethernet na przednim panelu. Jeden z nich jest standardowym portem 10/100Base-T, a pozostałe cztery są portami Ethernet PoE++, które mogą dostarczać do 60W mocy do każdego zasilanego urządzenia. Dzięki zastosowaniu okablowania Cat6/a, przełącznik HES5A-4E60-VL może dostarczać do 90W mocy. Posiada stopień ochrony IP40 i może pracować w temperaturach od -40°C do +60°C, dzięki czemu nadaje się do stosowania w większości zautomatyzowanych obiektów przemysłowych.

HES5A-4E60-VL jest również kompatybilny wstecz z poprzednimi standardami technologii PoE: 802.3af, który dostarcza 15,4W do każdego punktu końcowego oraz 802.3at, który dostarcza 25,5W do każdego punktu końcowego.

Po podłączeniu kabla do jednego z czterech portów Ethernet PoE++, przełącznik HES5A-4E60-VL inicjuje krótki protokół handshake PoE z urządzeniem zasilanym. Handshake określa, czy punkt końcowy wymaga zasilania PoE, a jeśli tak to jakiej mocy. Dzięki temu przełącznik PoE może bezpiecznie i sprawnie dostarczyć żądane zasilanie do punktu końcowego sieci Ethernet, a także bezpiecznie odłączyć zasilanie od zasilanego urządzenia, gdy kabel Ethernet zostanie odłączony lub gdy punkt końcowy przestanie reagować. Jeśli urządzenie zasilane jest prawidłowo, na przełączniku świeci wskaźnik LED danego portu PoE, sygnalizując, że port odbiera zasilanie. Pomaga to również w diagnozowaniu wszelkich problemów z zasilaniem. Na przykład, jeśli zasilane urządzenie nie działa, a odpowiednia lampka PoE jest wyłączona, może to oznaczać, że kabel jest uszkodzony lub odłączony, lub że protokół handshake PoE nie przebiega prawidłowo dla danego punktu końcowego.

HES5A-4E60-VL jest przełącznikiem niezarządzanym, co oznacza, że zaczyna działać zaraz po podłączeniu. Po podłączeniu kabla Ethernet do jednego z pięciu portów, przełącznik zażąda podania adresu MAC punktu końcowego. HES5A-4E60-VL posiada tabelę MAC zawierającą 1024 wpisy i wykorzystywaną do kojarzenia par adres MAC-adres IP. Jeśli danego adresu MAC nie ma w tabeli MAC, przydzielany mu jest nowy adres IP. Natomiast w przypadku kiedy adres MAC istnieje w tabeli MAC, adres IP jest odczytywany z wpisu w tabeli skojarzeń i przypisywany do punktu końcowego. Przełącznik nie musi być w żaden sposób konfigurowany ani zarządzany.

Dla bardziej złożonych sieci automatyki przemysłowej Henrich Electronics oferuje sześcioportowy, zarządzany przełącznik PoE+ Ethernet HES6GM-4E-2SFP-VLW do montażu na szynie DIN (ilustracja 2). Ten przełącznik o stopniu ochrony IP30 może pracować w szerokim zakresie temperatur od -40°C do +75°C, dzięki czemu nadaje się do pracy w suchym, wolnym od pyłu środowisku przemysłowym, w którym temperatury mogą być na dłuższą metę zbyt ekstremalne dla ludzi.

Posiada on tabelę MAC zawierającą 4096 wpisów i obsługuje 10/100/1000Base-T, dzięki czemu jest zgodny z najnowszym standardem Gigabit Ethernet. Jest w stanie dostarczać nawet do 30W do każdego zasilanego urządzenia.

Ilustracja 2: przełącznik Ethernet HES6GM-4E-2SFP-VLW do montażu na szynie DIN firmy Henrich Electronics ma sześć portów, z których cztery obsługują standard PoE+. Przełącznik można skonfigurować przez przeglądarkę internetową tak, aby ustawić alarmy i alerty dla różnych typów operacji. (Źródło ilustracji: Henrich Electronics)

Serię HES6GM-4E można montować na szynie DIN lub tablicy. Jest to przełącznik zarządzany, co oznacza, że może rozpocząć pracę zaraz po podłączeniu (jak w przypadku HES5A-4E60) albo można go skonfigurować za pomocą przeglądarki internetowej z komputera podłączonego do dowolnego z jego portów Ethernet. Zabezpieczenia pozwalają na przyznanie uprawnień dostępu do interfejsu przeglądarki internetowej maksymalnie dziesięciu adresom IP. Inne funkcje interfejsu konfiguracyjnego przeglądarki internetowej obejmują automatyczne powiadomienia e-mail o problemach z bezpieczeństwem, ustawianie parametrów protokołu DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), kontrolę ruchu na podstawie portów, przyznawanie i ograniczanie dostępu do dziennika systemowego, a także przekierowywanie portów. Interfejs przeglądarki może również uzyskać dostęp do tablicy MAC z 4096 wpisami w celu przeglądania wpisów i edytowania lub usuwania ich.

Okablowanie w trudnych środowiskach przemysłowych

W środowiskach przemysłowych mogą występować ekstremalne temperatury. Systemy mogą być również narażone tam na działanie cieczy, od słonej wody po ropę naftową i benzynę, które mogą powodować korozję niechronionych powierzchni. W przypadku okablowania, ciągłe szkodliwe oddziaływanie na kable, takie jak ich naciąganie na ostrych krawędziach lub przejeżdżanie po nich ciężarówkami, może spowodować uszkodzenie ekranowania lub, w ekstremalnych przypadkach, doprowadzić do przerwania kabli dostarczających dane i energię elektryczną. Tego rodzaju zagrożenia wymagają użycia kabli przemysłowych odpornych na szkodliwe warunki i zagrożenia charakterystyczne dla środowiska przemysłowego. Ponadto aby dostarczać zarówno sygnał jak i zasilanie, technologia PoE wymaga kabli wysokiej jakości. Dostarczenie danych i zasilania wymaga czterech skręconych par. Przekrój przewodu nie może być mniejszy niż 24AWG, co pozwala na zminimalizowanie wzrostu temperatury i zapewnienie przesyłania 60W mocy przez każdy z kabli.

Firma Samtec Inc. wprowadziła zestaw przewodów Ethernet Cat5e RCE-01-G-13.00-D, który jest w stanie działać nawet w najtrudniejszych warunkach przemysłowych (ilustracja 3). Ten 13-metrowy kabel zawiera cztery skręcone pary - dwie pary dla danych i dwie dla zasilania PoE.

Ilustracja 3: zespół kabla Cat5e RCE-01-G-13.00-D firmy Samtec Inc., o stopniu ochrony IP68. Zarówno kabel jak i złącza RJ45 są w stanie wytrzymać najtrudniejsze warunki przemysłowe. (Źródło ilustracji: Samtec Inc.)

Każde męskie złącze RJ45 ma prostokątną konstrukcję zajmującą mało miejsca oraz jest zabezpieczone przed pyłem i płynami. Złącza wykorzystują mechanizm zatrzaskowy typu „push-to-seal” - prawidłowy montaż potwierdzony zostaje charakterystycznym „kliknięciem”. Zatrzaski zaprojektowane zostały tak, aby można je było łatwo usunąć.

Kabel Cat5e RCE-01-G-13.00-D zawiera żyły o przekroju 24AWG, dzięki czemu jest odpowiedni dla standardów zasilania 802,3af i 802,3at.

Podsumowanie

Wykorzystywanie technologii PoE stało się łatwiejsze dzięki wprowadzeniu przełączników Ethernet umożliwiających dostarczanie zasilania. Wybór odpowiedniego przełącznika PoE Ethernet do zastosowań z zakresu automatyki przemysłowej może zaoszczędzić czas i zmniejszyć koszty, zapewniając jednocześnie bezpieczne i wydajne zasilanie oraz niezawodną łączność sieciową w ramach tego samego kabla.