NOK | EUR | USD

Forenkle industrielle Ethernet-nettverk med smarte PoE-brytere

Av Bill Giovino

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Den mest brukte kablede nettverksprotokollen i bruksområder for IIoT (Industrial Internet of Things) er Ethernet. Som følge av dette finner man Ethernet-kabler overalt i alle industrielle automatiseringsanlegg. Siden elektrisk strøm også må være tilgjengelig uansett hvor Ethernet er installert, finner du også strømledninger nesten overalt hver det er lagt Ethernet-kabler – vanligvis i samme kabelbunt.

Strøm over Ethernet (PoE) har i stor grad forenklet industrielle automatiseringsanlegg. Ved å overføre elektrisk kraft over samme kabel som Ethernet-tilkobling trengs det mindre kabling i anlegget, noe som gjør det enklere å sette opp eller omkonfigurere et produksjonsanlegg.

Denne artikkelen drøfter hvordan smarte industrielle Ethernet-brytere som støtter PoE, kan forenkle en fabrikkutforming samtidig som du reduserer kostnadene. Den introduserer deretter to Ethernet-brytere med DIN-skinne fra Henrich Electronics, som kan levere både nettverkstilkobling og strøm over samme Ethernet-kabel.

Forenkling av kabeloppsett for industriell automatisering

Mange industrielle automatiseringsfasiliteter er utformet slik at de enkelt kan konfigureres på nytt. Det kan for eksempel være at en produksjonslinje i et produksjonsanlegg må tas ned og settes opp for å produsere et annet produkt. Ved å kombinere Ethernet, med PoE økes modulariteten på fabrikkgulvet ved å gjøre noe av utstyret tilnærmet plug-and-play – bare koble til Ethernet-kabelen for å levere både nettverkstilkobling og strøm. Dette forenkler fabrikkoppsettet og gjør det enklere å føre kabler til utstyret.

Dette gir også tidsbesparelser under design av anlegget, samtidig som du sparer kostnadene for ytterligere kabling og arbeidskraften som kreves for å legge kabelen. I tillegg, ved å levere én sentral strømkilde for hvert PoE-endepunkt – eller en strømforsynt enhet (PD) – på nettverket, får du ett vedlikeholdspunkt. En PoE-aktivert bryter eller hub kan trygt gi opptil 90 watt (W) med strøm for hver PD, noe som gjør PoE egnet for kameraer, kompakte kontrollpaneler og noe fabrikkutstyr, f.eks. ventiler eller dører.

PoE frigjør også plass for ekstra kabling. De fleste kabelbunter i industrielle anlegg er begrenset til ca. 24 kabler totalt på grunn av varmedannelse. Kablene i samme bunt holdes vanligvis sammen ved hjelp av kraftige strips som gjør at kablene ligger tett sammen. Som et resultat vil alle kablene i bunten dele og fange varme og dermed heve temperaturen i hele kabelbunten. Dette kalles «temperaturstigning». Fordi motstand øker når temperaturen stiger, vil strøm- og signaltap som skyldes varme, redusere strømeffektiviteten for hver kabel i bunten. PoE fjerner behovet for mange av strømkablene som brukes i industriell automatisering, dermed reduseres antall kabler i en bunt, og følgelig reduseres varmen og signaldegradering i vridde par i Ethernet-kabelen. Dette forbedrer også evnen til å føre strøm til utstyr.

Det er for øyeblikket tre standarder for å levere PoE over standard Cat5e Ethernet-kabling: 802.3af kan gi opptil 15,4 W DC-strøm fra strømforsyningsutstyret til hver PD, 802.3at (PoE+) gir opptil 25,5 W strøm, og den nyeste standarden, 802.3bt (PoE++), kan gi opptil 60 W strøm over standard Cat5e Ethernet-kabling. 802.3bt kan også støtte opptil 90 W strøm med Cat6- eller Cat6a-kabling som leverer strøm over tykkere ledning. Hver av standardene er bakoverkompatible.

Legge til Ethernet og PoE i et nytt anlegg med industriell automatisering

Den enkleste måten å legge til PoE på når du bygger et nytt nettverk, er å inkludere Ethernet-brytere som støtter PoE. En enkel løsning er å bruke Henrich Electronics femporters HES5A-4E60-VL ikke-administrert PoE Ethernet-bryter med DIN-skinne (figur 1).

Bilde av Henrich Electronics HES5A-4E60 Ethernet-bryterFigur 1: Henrich Electronics HES5A-4E60 Ethernet-bryteren har fem Ethernet-porter, hvorav fire støtter 802.3bt PoE++. (Bildekilde: Henrich Electronics)

Henrich Electronics HES5A-4E60 ikke-administrerte Ethernet-bryter monteres på en standard DIN-skinne eller et panel. Den er kompakt, bare 92 x 116 x 67,2 millimeter (mm), noe som gjør den egnet for anlegg med begrenset plass. HES5A-4E60-VL har fem Ethernet-porter på frontpanelet. Den ene er en standard 10/100Base-T-port, og de fire andre er Ethernet PoE++-porter som er i stand til å levere opptil 60 W strøm til hver PD. Ved å bruke Cat6/a-kabling kan HES5A-4E60-VL gi opptil 90 W. Den er IP40-klassifisert og kan brukes i temperaturer på -40 °C til +60 °C, noe som gjør den egnet for de fleste industrielle automatiseringsanlegg.

HES5A-4E60-VL er også bakoverkompatibel med de forrige PoE-standardene på 802.3af, som støtter 15,4 W per endepunkt, og 802.3at, som støtter 25,5 W per endepunkt.

Når en kabel er koblet til en av de fire PoE++ Ethernet-portene, starter HES5A-4E60-VL en kort PoE-håndtrykksprotokoll med PD. Denne håndtrykksfunksjonen avgjør om endepunktet krever PoE-strøm, og hvis de gjør det, hvor mye strøm endepunktet ber om. Dette gjør at PoE-bryteren sender den forespurte strømmen til Ethernet-endepunktet på en sikker og effektiv måte, og at den trygt kobler strømtilførselen fra PD hvis Ethernet-kabelen frakobles eller hvis endepunktet slutter å reagere. Hvis en PD er korrekt strømsatt, lyser en LED-indikator for den aktuelle PoE-porten på bryteren for å indikere at porten mottar strøm. Dette bidrar også til å diagnostisere eventuelle strømproblemer. Hvis for eksempel en PD ikke fungerer og det tilhørende PoE-lyset er av, kan det indikere en skadet eller frakoblet kabel, eller muligens at endepunktet ikke fullfører PoE-håndtrykket på riktig måte.

HES5A-4E60-VL er en ikke-administrert bryter, noe som betyr at den er plug-and-play. Når en Ethernet-kabel er koblet til en av de fem portene, ber bryteren om endepunktets Ethernet-MAC-adresse. HES5A-4E60-VL har en MAC-tabell med 1024 oppføringer for lagring av kjente MAC-oppføringer til IP-adresser. Hvis MAC-en ikke er i MAC-tabellen, blir den tildelt en ny IP-adresse. Hvis MAC-adressen finnes i tabellen, leses IP-adressen fra MAC-tabellen og tilordnes til endepunktet. Bryteren trenger ikke å konfigureres eller administreres på noen som helst måte.

Henrich Electronics tilbyr HES6GM-4E-2SFP-VLW Ethernet-bryter med DIN-skinne, seks porter og administrert PoE+ for mer sofistikerte industrielle automatiseringsnettverk (figur 2). Denne IP30-klassifiserte Ethernet-bryteren kan brukes i et driftstemperaturområde på -40°C til +75°C, noe som gjør den egnet for tørre og støvfrie industrielle miljøer som kan oppleve ekstreme temperaturer som er for ugjestmilde for langvarig menneskelig eksponering.

Den har en MAC-tabell med 4096 oppføringer og støtter 10/100/1000Base-T, noe som gjør den kompatibel med den nyeste Gigabit Ethernet-standarden. Den støtter opptil 30 W strøm for hver PD.

Bilde av Henrich Electronics HES6GM-4E-2SFP-VLW Ethernet-bryter med DIN-skinneFigur 2: Henrich Electronics HES6GM-4E-2SFP-VLW Ethernet-bryter med DIN-skinne har seks Ethernet-porter, hvorav fire støtter PoE+. Bryteren kan konfigureres av en nettleser for å angi alarmer og varsler for ulike operasjoner. (Bildekilde: Henrich Electronics)

HES6GM-4E-serien kan monteres på DIN-skinne eller et panel. Det er en administrert bryter, som betyr at den kan være fullstendig plug-and-play, slik som HES5A-4E60, eller den kan også konfigureres ved hjelp av en nettleser fra en PC som er koblet til noen av Ethernet-portene. Med sikkerhet får opptil ti IP-adresser tilgangstillatelse til nettlesergrensesnittet. Andre funksjoner i konfigurasjonsgrensesnittet for nettleseren inkluderer automatiske e-postvarsler for sikkerhetsproblemer, angivelse av DHCP-parametere (Dynamic Host Configuration Protocol), portbasert trafikkstyring og -begrensning, portvideresending og tilgang til systemloggen. Nettlesergrensesnittet har også tilgang til MAC-tabellen med 4096 oppføringer for å se gjennom, redigere eller slette oppføringer.

Kabling for tøffe industrielle miljøer

I industrielle miljøer kan det forekomme ekstreme temperaturer samt eksponering av væsker som saltvann, olje og bensin som kan korrodere ubeskyttede overflater. For kabling kan konstant fysisk misbruk, f.eks. strekking rundt skarpe hjørner eller å bli kjørt over av lastebiler, redusere eller skade kabelbeskyttelsen, eller, i ekstreme tilfeller, ødelegge de elektriske lederne som bærer data og strøm. Dette krever en kraftig industriklassifisert kabel som er laget for å tåle industrielt misbruk. PoE krever også kabler med høy kvalitet for å håndtere både signal- og strømlevering. Det kreves fire vridde par for å levere data og strøm. Ledningstykkelsen må ikke være mindre enn 24 AWG, dette for å kunne minimere varmeøkningen med nok effektivitet til å levere 60 W strøm per kabel.

Samtec Inc. har lansert RCE-01-G-13.00-D Cat5e Ethernet-kabelenheten for de tøffeste miljøene (figur 3). Denne 13 meter lange kabelen inneholder fire vridde par – to par for data og to par for PoE-strøm.

Bilde av Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D er en Cat5e-kabelenhetFigur 3: Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D er en Cat5e-kabelenhet som er IP68-klassifisert. Både kabelen og RJ45-kontaktene tåler de tøffeste industrielle miljøer. (Bildekilde: Samtec Inc.)

Hver RJ45-hannkontakt har en plassbesparende rektangulær design og er forseglet mot støv og væsker. Kontaktene har en låsemekanisme som forsegles når den trykkes inn, og et tydelig klikk høres når de er satt riktig inn. Låsene er laget slik at de er lette å fjerne med minimal anstrengelse.

RCE-01-G-13.00-D Cat5e-kabelen bruker ledere på 24 AWG, noe som gjør den egnet for 802.3af- og 802.3at-strømforsyning.

Konklusjon

PoE har blitt enklere å bruke med innføringen av Ethernet-brytere som kan håndtere strøm. Hvis du velger riktig PoE Ethernet-bryter for industrielt automatiseringsbruk, kan du spare både tid og penger, samtidig som du får både sikker og effektiv strømlevering samt pålitelig nettverkstilkobling på 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 skribenten

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 denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører