Strøm over Ethernet (PoE – Power over Ethernet) i industriell automatisering

Power over Ethernet (PoE)-tilkoblingssystemer er definert av IEEE 802.3-standarden og gir en praktisk måte å levere både data og elektrisk strøm til maskinkomponenter ved å bruke enkeltstående alt-i-ett-Ethernet-kabler. Les DigiKey-artikkelen En introduksjon til strøm-over-Ethernet (An Introduction to Power-over-Ethernet) fra 2013 for å få en innføring i introduksjonen og strukturen til PoE.

I dag er det tre standard underklassifiseringer for PoE:

• PoE-alternativ B bruker separate ledninger til å transportere data og strøm. Nærmere bestemt spesifiserer denne PoE-underklassifiseringen bruken av Cat-5 Ethernet-kabel med fire tvunnede par – der to par transporterer data og to par transporterer strøm. PoE-alternativ A-oppsett støtter derfor kun datahastigheter på opptil 100 Mb/s (100BASE-TX) – selv om kabler som er klassifisert for Gigabit Ethernet brukes.
• Alternativ A er også begrenset til en datahastighet på 100 Mb/s, men de bruker de samme to parene til å transportere både data og strøm. Dette betyr at PoE-alternativ A-oppsett er kompatible med Ethernet-kabler som inneholder to tvunnede par samt komplette Cat-5 fire-pars kabler.
• 4PPoE bruker alle fire tvunnede par til å overføre strøm, så de kan derfor forsyne større strøm. De tvunnede parene fører også data med de høyeste datahastighetene i Gigabit Ethernet og utover.

Figur 1: Her er en ledningsvariasjon av en strøm over Ethernet-installasjon (PoE). (Bildekilde: Design World)

Disse tre hovedstandardene kalles ofte bare modus A, modus B og fire-pars PoE. Ulike pinnekonfigurasjoner for hver modus er mulig. Uansett hvilken variasjon det er snakk om, må alle kraftdrevne enheter (PD – powered device) kunne akseptere tilkoblinger for både modus A og modus B.

Til syvende og sist er det PoE-systemets strømforsyningsutstyr (noen ganger forkortet PSE) som avgjør hvilken modus som skal brukes, og kan støtte kun én eller flere moduser. En PD kan gi uttrykk for kompatibilitet med PoE ved å se på motstanden på tvers av de strømsatte parene. En fast motstand på 25 kΩ gir uttrykk for generelt samsvar med standarder, mens en motstand som er i endring kan brukes til å anmode om en bestemt forsyningsmodus.

Figur 2: MAX5969A/MAX5969B IC-er installeres i PoE-moduler med kraftdrevne enheter (PD). IEEE 802.3af/at-kompatible IC-er gir PD-er detekterings- og klassifiseringssignaturer samt en isolasjonsstrømbryter med styring for innkoblingsstrømstøt. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Differensiell signalering og støttede strømkapasiteter

Ethernet-kabel overfører data over tvunnede par ved hjelp av differensiell signalering. Dette betyr at hver ledning i et tvunnet par har den samme informasjonen slik at signalmottakeren kan måle spenningsforskjellen mellom de to. Slike oppsett er langt mer pålitelige enn konstruksjoner som bare sporer spenning på en enkelt ledning med jord som referanse, ettersom disse gjør det mulig å detektere og avvise all elektromagnetisk interferens (EMI – electromagnetic interference) som påvirker kabelen. PoE-ens bruk av tvunnede par betyr også at spenningen i et ledningspar kan økes for å overføre strøm uten at det negativt påvirker datasignalene som også transporteres av kabelen.

Figur 3: Forskjellige PoE-oppsett benytter to-pars og Cat-5 fire-pars Ethernet-kabel. En av hovedfordelene med PoE er at kun en enkelt kabel er nødvendig for å koble til PoE-enheter. (Bildekilde: Getty Images)

Etter hvert som PoE-standardene har utviklet seg over tid, har strømmengden som kan overføres økt. Disse representeres av fire generasjoner PoE-er eller typer:

• Den opprinnelige Type-1 PoE-en støtter strømforsyning på opptil 13 W, med et spenningsområde på 37 til 57 V. Dette er vanligvis tilstrekkelig for enheter som trådløse aksesspunkter og dørtilgangspaneler.
• Type 2 eller PoE+ støtter strømforsyning på opptil 25 W, med et spenningsområde på 42 til 57 V. Med dette strømnivået støttes også enheter som sikkerhetskameraer, RFID-lesere og alarmsystemer.
• Type 3 støtter strømforsyning på opptil 51 W, med et spenningsområde på 42 til 57 V. Dette er tilstrekkelig til å drive bærbare datamaskiner og styringspaneler.
• Type 4 støtter strømforsyning på opptil 71 W, med et spenningsområde på 41 til 57 V. Dette er spesielt nyttig for å drive LED-belysning, noe som gjør det mulig å strømsette smart belysning uten dedikert strømforsyning.

For type 1 er maksimal kabelmotstand 20 Ω, men de høyere strømverdiene fra nyere generasjoner begrenser dette til 12,5 Ω.

Nettverkskomponenter som vanligvis er å finne i PoE-installasjoner

Enheter som brukes til å konstruere PoE-nettverk omfatter:

• PoE-svitsjer, som er nettverkssvitsjer som leverer PoE på portene sine. De er de grunnleggende byggestenene i utvidede PoE-nettverk – de fungerer vanligvis som strømforsyning (PSE) i de fleste nettverk.
• PoE-injektorer tilfører strøm til en Ethernet-kabel som ikke er strømsatt. De kan integreres i en konstruksjon for å tilføre strøm til nettverk uten PoE. Ta for eksempel et system der en nettverkssvitsj uten PoE kobler en enhet til nettverket. Hvis målet er å strømsette denne enheten gjennom Ethernet-kabelen, vil installatøren plugge kabelen fra nettverkssvitsjen inn i en PoE-injektor og deretter legge en annen kabel fra injektoren til enheten. Injektoren krever sin egen strømforsyning.
• PoE-splittere skiller strøm og data fra en PoE-kabel, slik at en kompatibel enhet uten PoE kan strømsettes ved å bruke en separat inngang. En splitter fungerer som en omvendt injektor.

Figur 4: Denne PoE-splitteren (se Phihong PTM for mer informasjon) kan levere opptil 45 W på utvalgte IEEE802.3-systemer med beskyttelse for overstrøm og overspenning. (Bildekilde: Phihong USA)

• PoE-hubber er i hovedsak en gruppe injektorer. Flere kabler uten strøm plugges inn i den ene siden, som igjen fører til at kabler som er plugget inn på den andre siden blir strømsatt.
• PoE-utvidere gjør det mulig for Ethernet-nettverk å operere utenfor det normale 100-m-området.

Eksempler på PoE-bruksområder

Muligheten til å forsyne strøm i tillegg til å overføre data via en enkelt kabel er uunnværlig for mange installasjoner, fordi det forenkler og reduserer kostnadene til automatiserte funksjoner. PoE er faktisk spesielt nyttig på steder hvor det ikke er noen strømforsyning tilgjengelig. Dessuten, takket være de lave spenningene som er involvert, krever ikke installasjon av en PoE-kabel bruk av elektriker. Dette kan resultere i betydelige kostnadsbesparelser hvis alternativet er å installere ekstra stikkontakter. Det kan også være mulig å bruke eksisterende nettverks- eller telefonkabler som allerede er en del av et anlegg for PoE.

Fordi spenningene er lave, er systemet sikrere. Dette betyr også at det ikke er behov for kapslinger på ledninger og jording … noe som ytterligere reduserer installasjonskostnader. De maksimale spenningene holder seg innenfor sikre grenser, og strømforsyningen (PSE) sender en teststrøm på 10 V før den forsyner full effekt. Den fulle spenningen påføres bare hvis det detekteres en motstand på 25 Ω på PD-en. Dette forhindrer skade på tilkoblede enheter.

Når endringer er påkrevet, er det relativt enkelt å bytte Ethernet-tilkoblede enheter og bytte ut kabler. Dette krever at en tekniker helt enkelt plugger kablene til de nye enhetene inn i nettverkssvitsjer. I motsetning til automatiserte maskinseksjoner som krever vekselstrøm (som i noen tilfeller kan kreve at hele automatiserte fabrikkgulv isoleres mens arbeid utføres), er PoE «plug-and-play». Det betyr at endringer kan utføres mens nettverket fortsetter å være i drift. Det er også enkelt å bruke data om enhetsbruk til å styre strømforsyning til bestemte enheter. Denne muligheten til å slå av og på strømmen til en enhet kan redusere strømforbruket betydelig.

La oss se på ett PoE-bruksområde: PoE-belysningssystemer er et stadig vanligere bruksområde med bred anvendelighet. De involverer lysdioder med sensorer og belysningsstyring som kobles til via Ethernet-kabler og svitsjer. Ett bruksområde er i lagerlokaler for å etterligne naturlige dagslyssykluser for å forbedre helsen, trivselen og produktiviteten til ansatte. Integrering av bevegelsessensorer og prediktive algoritmer som kjører på PoE-styringene muliggjør den mest effektive bruken av lys for å spare energi og driftskostnader.

Et annet relativt nytt bruksområde for PoE er motorer. Integrerte PoE-motorer kan redusere mengden kabel som er nødvendig for frittstående automatisering, siden de eliminerer behovet for dedikerte kabler for tilbakekobling mellom motor og eksterne bevegelsesstyringer. For enheter som har en driver integrert i motorhuset, kan motoren enkelt motta styringskommandoer sammen med strøm over en enkelt Ethernet-kabel. Dette reduserer den totale størrelsen til installasjonen, samtidig som installasjonsprosessen forenkles.

Slike integrerte motorer som allerede er klare for PoE kan motta enten bevegelsesstyringsprogrammer eller sanntidskommandoer over Ethernet-datatilkoblingen.

Konklusjon

Strøm over Ethernet (PoE) er nyttig for enheter som krever både strøm- og datatilkobling. PoE reduserer installasjonskostnader, gjør konstruksjoner mer lettvinte og er tryggere og mer pålitelig enn segregerte strøm- og datatilkoblinger. Det er to typer enheter som benytter seg av PoE på et mer regelmessig basis:

• Enheter som lys som tradisjonelt sett bare krevde strøm … men som i økende grad selges som smarte enheter, og som er avhengige av dataoverføring for nyere og relativt avanserte funksjoner.
• Komponenter som elektriske motorer som har begynt å utnytte den økte kapasiteten til PoE som et økonomisk, trygt og praktisk alternativ for både strøm- og datatilkobling.

Det er ikke rart PoE raskt har blitt en kjerneteknologi i forbruksvarer, i tillegg til smarte bygninger og maskinautomatisering som utnytter mulighetene til industrielle tingenes Internett (IIoT – industrial internet of things).