Power over Ethernet (PoE) teollisuusautomaatiossa

Power over Ethernet (PoE) -liitäntäjärjestelmät on määritelty IEEE 802.3 -standardilla, ja ne tarjoavat kätevän tavan siirtää sekä dataa että sähkövirtaa koneen komponentteihin yksittäisten monikäyttöisten ethernet-kaapelien avulla. Lue vuoden 2013 DigiKey-artikkeli Johdanto Power-over-Ethernet-teknologiaan, jossa kerrotaan PoE:n käyttöönotosta ja rakenteesta.

Nykyään PoE:lle on kolme standardia alaluokitusta:

• PoE-vaihtoehto B käyttää erillisiä johtoja datan ja virran siirtoon. Tarkemmin sanottuna tämä PoE-alaluokitus määrittelee miten käyttää Cat-5-ethernet-kaapelin neljää kierrettyä paria, niin että kaksi paria siirtää dataa ja kaksi paria virtaa. PoE-vaihtoehdon B järjestelmät voivat siksi tukea vain enintään 100 Mbps:n (100BASE-TX) tiedonsiirtonopeutta, vaikka niissä käytettäisiinkin Gigabit Ethernetille luokiteltuja kaapeleita.
• Myös vaihtoehto A on rajoitettu 100 Mbps:n tiedonsiirtonopeuteen, mutta siinä käytetään samaa kahta paria sekä datan että virran siirtoon. Tämä tarkoittaa, että PoE-vaihtoehdon A järjestelmät ovat yhteensopivia sekä kahta kierrettyä paria käyttävän ethernet-kaapelin että täysien Cat-5-neliparikaapeleiden kanssa.
• 4PPoE käyttää kaikkia neljää kierrettyä paria virransiirtoon ja voi siksi siirtää suurempia virtoja. Kierretyt parit siirtävät myös dataa suurimmilla Gigabit Ethernetin ja sen ylittävillä datanopeuksilla.

Kuva 1: Tässä on yksi Power of Ethernet (PoE) -asennuksen johdotusvaihtoehto. (Kuvan lähde: Design World)

Näitä kolmea päästandardia kutsutaan usein yksinkertaisesti nimillä A-tila, B-tila ja neliparinen PoE. Jokaisessa tilassa on erilaisia mahdollisia nastakonfiguraatioita. Mallista riippumatta kaikkien liitettävien laitteiden (PD) on kuitenkin tuettava sekä A- että B-tilan liitäntöjä.

Viime kädessä PoE-järjestelmän virransyöttölaite (joskus lyhenteenä PSE) määrittää, mitä tilaa käytetään, ja se voi tukea vain yhtä tai useampaa tilaa. PD voi osoittaa yhteensopivuutensa PoE:n kanssa virtajohtoparien vastuksen perusteella. Kiinteä 25 kΩ:n vastus osoittaa yleisen standardinmukaisuuden, kun taas muuttuvaa vastusta voidaan käyttää tietyn syöttötilan pyytämiseen.

Kuva 2: MAX5969A/MAX596s9B-mikropiirit asennetaan PoE:n liitettäviin laitteisiin (PD). IEEE 802.3af/at -standardin mukaiset mikropiirit tarjoavat PD-laitteille allekirjoitukset tunnistusta ja luokittelua varten sekä erotusvirtakytkimen kytkentävirran hallinnalla. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Differentiaalinen signalointi ja tuetut teholuokat

Ethernet-kaapeli siirtää dataa kierretyissä pareissa käyttäen differentiaalista signalointia. Tämä tarkoittaa, että kierretyn parin kumpikin johdin välittää saman tiedon, jolloin signaalin vastaanottava laite voi mitata näiden kahden johtimen välisen jännite-eron. Tällaiset järjestelmät ovat paljon luotettavampia kuin sellaiset, jotka vain seuraavat yhden johtimen jännitettä suhteessa maahan, koska ne mahdollistavat kaapeliin vaikuttavien sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) tunnistuksen ja torjumisen. PoE:n käyttö kierretyissä pareissa tarkoittaa myös sitä, että johtoparin jännitettä voidaan nostaa tehon siirtämiseksi ilman, että se vaikuttaa haitallisesti kaapelissa kulkeviin datasignaaleihin.

Kuva 3: Erilaisissa PoE-järjestelmissä käytetään kaksiparista ja neliparista Cat-5-ethernet-kaapelia. Merkittävin PoE-hyöty on se, että PoE-laitteiden liittämiseen tarvitaan vain yhden kaapelin asennus. (Kuvan lähde: Getty Images)

PoE-standardien kehittymisen myötä siirrettävän tehon määrä on kasvanut. Niitä edustavat neljä PoE-sukupolvea tai -tyyppiä:

• Alkuperäinen tyypin 1 PoE tukee enintään 13 W:n tehonsiirtoa 37–57 V:n jännitealueella. Tämä riittää yleensä langattomien tukiasemien ja ovien käyttöpaneelien kaltaisille laitteille.
• Tyyppi 2 tai PoE+ tukee enintään 25 W:n tehonsiirtoa 42–57 V:n jännitealueella. Tällä tehotasolla voidaan tukea myös turvakameroiden, RFID-lukijoiden ja hälytysjärjestelmien kaltaisia laitteita.
• Tyyppi 3 tukee enintään 51 W:n tehonsiirtoa 42–57 V:n jännitealueella. Tämä riittää kannettavien tietokoneiden ja ohjauspaneelien virransyöttöön.
• Tyyppi 4 tukee enintään 71 W:n tehonsiirtoa 41–57 V:n jännitealueella. Se on erityisen hyödyllinen ledivalaistuksen virransyötössä, mikä mahdollistaa älykkään valaistuksen ilman verkkovirtalähdettä.

Tyypin 1 kaapelin enimmäisvastus on 20 Ω, mutta myöhempien sukupolvien suuremmat virrat rajoittavat sen 12,5 Ω:iin.

PoE-asennuksissa yleisesti käytettävät verkkokomponentit

PoE-verkkojen kokoamiseen käytetään muun muassa seuraavia laitteita:

• PoE-kytkimet ovat verkkokytkimiä, joiden porteissa on PoE-tuki. Ne ovat laajennettujen PoE-verkkojen peruskomponentteja - ne toimivat useimmissa verkoissa tyypillisesti PSE-laitteina.
• PoE-injektorit lisäävät virrensyöttökyvyn virtalähteettömään Ethernet-kaapeliin. Ne voidaan integroida järjestelmään virransyötön lisäämiseksi ei-PoE-verkkoihin. Tarkastellaanpa esimerkiksi järjestelmää, jossa ei-PoE-verkkokytkin liittää laitteen verkkoon. Jos tavoitteena on syöttää laitteelle virtaa sen Ethernet-kaapelin kautta, asentaja kytkee kaapelin verkkokytkimestä PoE-injektoriin ja asentaa sitten toisen kaapelin injektorista laitteeseen. Injektori tarvitsee oman virtalähteen.
• PoE-jakajat erottavat PoE-kaapelin virran ja datan toisistaan, jolloin ei-PoE-yhteensopivaan laitteeseen voidaan syöttää virtaa erillisen tulon kautta. Jakajan voi ajatella olevan kuin käänteisesti toimiva injektori.

Kuva 4: Tämä PoE-jakaja (katso lisätietoja linkistä Phihong PTM) voi tarjota jopa 45 W:n tehon tietyissä IEEE802.3 -järjestelmissä sekä lisäksi ylivirta- ja ylijännitesuojauksen. (Kuvan lähde: Phihong USA)

• PoE-keskittimet ovat pohjimmiltaan pino injektoreita. Yhdelle puolelle kytketään useita virtalähteettömiä kaapeleita ja toiselle puolelle kytketyistä kaapeleista tulee virtaa syöttäviä kaapeleita.
• PoE-laajentimet mahdollistavat ethernet-verkkojen toiminnan niiden normaalin 100 metrin kantaman ulkopuolelle.

PoE-esimerkkisovelluksia

Kyky syöttää virtaa ja siirtää dataa yhdellä kaapelilla on välttämätöntä monissa sovelluksissa, koska se yksinkertaistaa automatisoituja toimintoja ja vähentää niiden kustannuksia. Tosiasiassa PoE on erityisen hyödyllinen paikoissa, joissa virtalähdettä ei ole käytettävissä. PoE-kaapelin asentaminen ei myöskään vaadi sähköasentajaa, koska jännite on alhainen. Tällä voidaan saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä, jos vaihtoehtona olisi ylimääräisten pistorasioiden asentaminen. PoE-järjestelmässä voidaan ehkä käyttää laitoksessa valmiiksi olevia verkko- tai puhelinkaapeleita.

Koska jännitteet ovat alhaisia, järjestelmä on turvallisempi. Tämä tarkoittaa myös sitä, että kaapelikanavia ja maadoituskoteloita ei tarvita, mikä puolestaan laskee asennuskustannuksia entisestään. Maksimijännitteet pysyvät turvallisissa rajoissa, ja PSE lähettää ensiksi testivirran 10 V:n jännitteellä ennen täyden tehon syöttämistä. Täysi jännite kytkeytyy vain, jos PD-laitteessa havaitaan 25 Ω:n vastus. Tämä estää liitettyjen laitteiden vahingoittumisen.

Kun tarvitaan muutoksia, ethernetiin liitettyjä laitteita sekä kaapeleita on suhteellisen helppo vaihtaa. Tämä edellyttää, että teknikko yksinkertaisesti kytkee uusien laitteiden kaapelit verkkokytkimiin. Toisin kuin vaihtovirralla toimivat automatisoidut koneosastot (jotka voivat joissakin tapauksissa vaatia kokonaisten automatisoitujen kerrosten eristämistä työn ajaksi), PoE on ”plug and play”. Tämä tarkoittaa, että muutoksia voidaan tehdä verkon ollessa käytössä. Laitteiden käyttötietojen avulla on myös helppo ohjata tiettyjen laitteiden virransyöttöä. Tämä mahdollisuus kytkeä laitteen virta päälle ja pois päältä voi laskea virrankulutusta merkittävästi.

Tarkastellaanpa yhtä PoE-sovellusta: PoE-valaistusjärjestelmät yleistyvät sovelluksina ja niillä on laaja soveltamisala. Niissä käytetään ledivaloja, antureita ja valaistuksen ohjauslaitteita, jotka on liitetty ethernet-kaapeleilla ja -kytkimillä. Yksi käyttökohde on varastotilat, joissa jäljitellään luonnollisen päivänvalon syklejä työntekijöiden terveyden, hyvinvoinnin ja tuottavuuden parantamiseksi. Liiketunnistimien integrointi ja ennakoivien algoritmien käyttö PoE-ohjaimissa mahdollistaa valon mahdollisimman tehokkaan käytön energian säästämiseksi ja käyttökustannusten leikkaamiseksi.

Toinen suhteellisen uusi PoE-sovellus on moottorit. Integroidut PoE-moottorit voivat vähentää erilliseen automaatioon tarvittavan kaapeloinnin määrää, koska ne poistavat moottorin ja ulkoisen liikkeenohjaimen välisten erillisten takaisinkytkentäkaapelien tarpeen. Yksiköissä, joissa ohjain on integroitu moottorikoteloon, moottori voi yksinkertaisesti vastaanottaa ohjauskomentoja ja virtaa yhden Ethernet-kaapelin kautta. Tämä pienentää järjestelmän tilantarvetta ja yksinkertaistaa samalla asennusprosessia.

Tällaiset integroidut PoE-valmiit moottorit voivat vastaanottaa joko liikkeenohjausohjelmia tai reaaliaikaisia komentoja Ethernet-datayhteyden kautta.

Yhteenveto

Power over Ethernet (PoE) on hyödyllinen laitteille, jotka tarvitsevat sekä virta- että datayhteyksiä. Se vähentää asennuskustannuksia, helpottaa suunnittelua ja on erillisiä virta- ja datayhteyksiä turvallisempi ja luotettavampi. PoE:n käyttö lisääntyy kahdenlaisissa laitteissa:

• Laitteet, kuten valaisimet, jotka ennen tarvitsivat vain virtaa ... mutta joita myydään yhä enemmän älylaitteina, joissa käytetään tiedonsiirtoa uusille ja suhteellisen edistyneille ominaisuuksille.
• Komponentit, kuten sähkömoottorit, joissa on alettu hyödyntää PoE:n lisäkapasiteettia taloudellisena, turvallisena ja kätevänä vaihtoehtona sekä virta- että datayhteydelle.

Ei ole ihme, että PoE:stä on tullut nopeasti keskeinen teknologia kulutustavaroissa sekä älyrakennuksissa ja koneautomaatiossa, joissa hyödynnetään teollisen esineiden internetin (IIoT) ominaisuuksia.