EUR | USD

Helpota teollisia Ethernet-verkkoyhteyksiä älykkäillä PoE-kytkimillä

Kirjoittaja Bill Giovino

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Ethernet on teollisessa esineiden internetissä (IIoT) yleisimmin käytetty langallinen verkkoprotokolla. Tämän seurauksena Ethernet-kaapeleita on kaikkialla, missä on teollisuusautomaatiota. Koska myös sähkövirtaa tarvitaan kaikkialla, minne Ethernet on asennettu, myös sähköjohtoja on lähes kaikkialla Ethernet-kaapelien läheisyydessä – yleensä samoissa kaapelinipuissa.

Power over Ethernet (PoE) on noussut helpottamaan teollisuusautomaatiota huomattavasti. Koska sähkövirta voidaan lähettää samaa kaapelia pitkin kuin Ethernet-tiedonsiirto, kaapeloinnin tarve vähenee, mikä helpottaa valmistuslaitoksen asetuksien ja uudelleenmäärityksen tekemistä.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miten PoE-standardia tukevat älykkäät Ethernet-kytkimet voivat yksinkertaistaa tehtaan suunnittelua ja alentaa kustannuksia. Sen jälkeen siinä esitellään kaksi Henrich Electronicsin DIN-kiskoa käyttävää Ethernet-kytkintä, jotka voivat tarjota saman Ethernet-kaapelin kautta sekä verkkoyhteydet että virransyötön.

Teollisuusautomaation kaapeloinnin yksinkertaistaminen

Monet teollisuusautomaatiota käyttävät tilat on suunniteltu helposti päivitettäviksi. Esimerkiksi valmistuslaitoksen kokoonpanolinja täytyy ehkä purkaa ja määrittää uudelleen toisen tuotteen valmistusta varten. Ethernetin ja PoE-standardin yhdistäminen lisää tehdassalin modulaarisuutta, sillä osa laitteista muuttuu miltei kytke ja käytä -tyyppisiksi: pelkän Ethernet-kaapelin kytkeminen tarjoaa sekä verkkoyhteyden että virran. Tämä helpottaa tehtaan määrittelyä, kun kaapeleiden veto laitteiston luokse helpottuu.

Se säästää myös laitoksen suunnitteluun kuluvaa aikaa, lisäkaapeloinnin kustannuksia ja asennuksen vaatimia työvoimakustannuksia. Lisäksi PoE vähentää huoltokohteiden määrän yhteen tarjoamalla jokaiselle PoE-päätepisteelle eli syötetylle laitteelle (PD) yhden keskitetyn virtalähteen. PoE-standardia tukeva kytkin tai keskitin voi syöttää turvallisesti jokaiselle PD-laitteelle jopa 90 wattia (W), jolloin PoE sopii kameroille, kompakteille ohjauspaneeleille sekä venttiilien ja luukkujen kaltaisille tehdaslaitteille.

PoE myös vapauttaa tilaa muulle johdotukselle. Lämpenemisen vuoksi useimmat teollisuudessa käytetyt kaapeliniput on rajoitettu noin 24 kaapeliin. Samassa nipussa olevat kaapelit on yleensä sidottu yhteen tukevilla nippusiteillä, jotka pitävät kaapelit lähellä toisiaan. Tämän vuoksi kaikki nipussa olevat kaapelit jakavat ja varastoivat lämpöä, mikä nostaa koko kaapelinipun lämpötilaa. Tätä ilmiötä kutsutaan lämpenemäksi. Koska vastus kasvaa lämpötilan myötä, lämpenemän kasvaessa lämmöstä johtuva teho- ja signaalihäviö alentaa nipun jokaisen kaapelin hyötysuhdetta. PoE poistaa monet teollisuusautomaatiossa käytetyistä virtakaapeleista, mikä vähentää kaapelien lukumäärää nipussa. Tämä vähentää lämpöä ja estää Ethernet-parikaapelin signaalin heikkenemisen. Tämä parantaa myös laitteiston virransyötön hyötysuhdetta.

Tällä hetkellä käytössä on kolme standardia, joilla PoE-ominaisuuksia voidaan käyttää normaalin Cat5e Ethernet -kaapeloinnin kanssa: 802.3af voi syöttää virtalähteeltä kullekin PD-laitteelle 15,4 W (DC); 802.3at (PoE+) tarjoaa jopa 25,5 W ja uusin standardi 802.3bt (PoE++), voi siirtää normaalin Cat5e Ethernet -kaapeloinnin kautta jopa 60 W. 802.3bt tukee myös jopa 90 W:n tehoa käytettäessä Cat6- tai Cat6a-kaapelointia, jossa virransyöttö tapahtuu paksumman johtimen kautta. Kukin standardeista on taaksepäin yhteensopiva.

Ethernetin ja PoE-ominaisuuksien lisääminen uuteen teollisuusautomaatiolaitokseen

Helpoin tapa lisätä PoE uutta verkkoa rakennettaessa on valita Ethernet-kytkimiä, jotka tukevat PoE-standardia. Helppo ratkaisu on Henrich Electronicsin HES5A-4E60-VL, DIN-kiskoa käyttävä viiden portin hallinnoimaton PoE Ethernet -kytkin (kuva 1).

Kuvassa Henrich Electronicsin HES5A-4E60-Ethernet-kytkinKuva 1: Henrich Electronicsin HES5A-4E60-Ethernet-kytkin tarjoaa viisi Ethernet-porttia, joista neljä tukee standardia 802.3bt PoE++. (Kuvan lähde: Henrich Electronics)

Henrich Electronicsin hallinnoimaton HES5A-4E60-Ethernet-kytkin kiinnitetään standardiin DIN-kiskoon tai paneeliin. Se on kooltaan vain 92 × 116 × 67,2 millimetriä (mm), joten se sopii myös ahtaisiin asennuksiin. HES5A-4E60-VL:n etupaneelissa on viisi Ethernet-porttia. Yksi porteista on normaali 10/100Base-T-portti, neljä taas on Ethernet PoE++ -portteja, jotka kykenevät syöttämään kullekin PD-laitteelle jopa 60 W. Cat6/a-kaapelointia käytettäessä HES5A-4E60-VL kykenee syöttämään jopa 90 W. Se on IP40-luokiteltu ja toimii lämpötiloissa -40 °C – +60 °C, joten se soveltuu useimpiin teollisuusautomaatiolaitoksiin.

HES5A-4E60-VL tukee myös aiempia PoE-standardeja, eli standardia 802.3af, joka tarjoaa 15,4 W päätepistettä kohti ja standardia 802.3at, joka tarjoaa 25,5 W päätepistettä kohti.

Kun kaapeli kytketään johonkin sen neljästä PoE++ Ethernet -portista, HES5A-4E60-VL käynnistää lyhyen PoE-kättelyn PD-laitteen kanssa. Tämä kättely määrittää, tarvitseeko päätepiste PoE-virransyöttöä, ja jos näin on, kuinka paljon virtaa se pyytää. Tämän ansiosta PoE-kytkin voi turvallisesti ja tehokkaasti syöttää pyydetyn tehon Ethernet-päätepisteelle ja myös katkaista PD-laitteen virransyötön, jos Ethernet-kaapeli irrotetaan tai jos päätepiste ei enää vastaa. Jos virransyöttö PD-laitteelle toimii oikein, kytkimen kyseisen PoE-portin kohdalla syttyy LED-merkkivalo joka ilmaisee, että portti ottaa vastaan sähkövirtaa. Tämä auttaa myös etsittäessä syytä virtaongelmiin. Jos PD ei toimi ja sitä vastaava PoE-valo on sammunut, se voi ilmaista kaapelin olevan vioittunut tai irronnut tai että päätepiste ei suorita PoE-kättelyä oikein.

HES5A-4E60-VL on hallinnoimaton kytkin, joka ei tarvitse asetuksia. Kun johonkin kytkimen viidestä portista liitetään Ethernet-kaapeli, kytkin pyytää päätepisteen Ethernet-MAC-osoitteen. HES5A-4E60-VL:ssä on 1024 tietueen MAC-taulukko, johon voidaan tallentaa tunnettujen MAC-osoitteiden IP-osoitteet. Jos MAC-osoitetta ei löydy taulukosta, sille annetaan uusi IP-osoite. Jos MAC-osoite löytyy taulukosta, IP-osoite luetaan MAC-taulukosta ja määritetään päätepisteelle. Kytkintä ei tarvitse konfiguroida tai hallinnoida mitenkään.

Monimutkaisempia teollisuusautomaatioverkkoja varten Henrich Electronics tarjoaa HES6GM-4E-2SFP-VLW-laitteen, joka on DIN-kiskoon sopiva, kuusiporttinen, hallinnoitu PoE+ Ethernet -kytkin (kuva 2). Tämän IP30-luokitellun Ethernet-kytkimen toimintalämpötila-alue on laaja -40 °C – +75 °C, joten se sopii kuiviin ja pölyttömiin teollisuusympäristöihin, joiden lämpötilat saattavat tehdä pitkäaikaisesta oleskelusta mahdotonta.

Laitteessa on 4096 tietueen MAC-taulukko, ja se tukee 10/100/1000Base-T-yhteyksiä eli se on yhteensopiva uusimman gigabitin Ethernet-standardin kanssa. Se voi syöttää jokaiselle PD-laitteelle jopa 30 W.

Kuvassa Henrich Electronicsin DIN-kiskoa käyttävä HES6GM-4E-2SFP-VLW-Ethernet-kytkinKuva 2: Henrich Electronicsin DIN-kiskoa käyttävässä HES6GM-4E-2SFP-VLW-Ethernet-kytkimessä on kuusi Ethernet-porttia, joista neljä tukee standardia PoE+. Kytkin voidaan määrittää verkkoselaimen avulla antamaan hälytyksiä ja varoituksia eri tilanteista. (Kuvan lähde: Henrich Electronics)

HES6GM-4E-sarja voidaan asentaa DIN-kiskoon tai paneeliin. Se on hallinnoitu kytkin, eli sitä voidaan käyttää joko täysin kytke ja käytä -tyyppisesti HES5A-4E60:n tapaan tai se voidaan konfiguroida selaimella johonkin Ethernet-porttiin liitetystä tietokoneesta. Tietoturva-asetuksista voidaan antaa pääsy selainkäyttöliittymään enintään kymmenelle IP-osoitteelle. Verkkoselaimella käytettävän konfiguraatiokäyttöliittymän muita ominaisuuksia ovat mm. automaattiset sähköposti-ilmoitukset tietoturva-asioista, DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) -parametrien asettaminen, porttipohjainen liikenteen hallinta ja rajoitus, porttien välitys sekä pääsy järjestelmän lokitiedostoihin. Selainkäyttöliittymästä voidaan myös avata 4096 tietueen MAC-taulukko ja tarkastella, muokata ja poistaa sen kirjauksia.

Kaapelointi vaativiin teollisuusympäristöihin

Teollisissa ympäristöissä saattaa esiintyä äärimmäisiä lämpötiloja sekä suolaveden, öljyn ja bensiinin kaltaisia nesteitä, jotka voivat syövyttää suojaamattomia pintoja. Kaapelointiin kohdistuva jatkuva fyysinen rasitus, kuten venyttäminen terävien kulmien ympäri sekä kaapelin yli ajaminen trukilla voi heikentää tai vaurioittaa kaapelin vaippaa tai äärimmäisissä tapauksissa jopa rikkoa datan ja virransyötön sähköjohtimet. Tällöin vaaditaan raskaaseen käyttöön tarkoitettua teollisuustason kaapelia, joka on suunniteltu kestämään teollista rasitusta. PoE edellyttää myös laadukkaita kaapeleita, jotta sekä signaalin siirto että virransyöttö onnistuvat. Datalle ja virransyötölle tarvitaan neljä parikaapelia. Johtimen paksuuden pitää olla vähintään 24 AWG, jotta lämpeneminen minimoidaan riittävästi kaapelikohtaisen tehon ollessa jopa 60 W.

Vaativimpia ympäristöjä varten Samtec Inc. on esitellyt RCE-01-G-13.00-D Cat5e Ethernet -tiedonsiirtokaapelin (kuva 3). Tämä 13 metrin kaapeli sisältää neljä parikaapelia – kaksi datalle ja kaksi PoE-virransyötölle.

Kuva: Samtec Inc.:n RCE-01-G-13.00-D on Cat5e-tiedonsiirtokaapeliKuva 3: Samtec Inc.:n RCE-01-G-13.00-D on IP68-luokiteltu Cat5e-tiedonsiirtokaapeli. Sekä kaapeli että RJ45-liittimet kestävät ankarimmatkin teollisuusympäristöt. (Kuvan lähde: Samtec Inc.)

Kaikkien RJ45-urosliitinten muotoilu on tilaa säästävästi nelikulmainen, ja ne on tiivistetty pölyn ja nesteiden varalta. Liittimissä on painettaessa tiivistyvä salpamekanismi, josta kuuluu selvä naksahdus kun se asennetaan oikein paikoilleen. Salpojen irrottaminen on helppoa.

RCE-01-G-13.00-D-Cat5e-kaapelissa käytetään 24 AWG:n johtimia, joten se sopii virransyöttöön standardien 802.3af ja 802.3at mukaisesti.

Yhteenveto

PoE on muuttunut helppokäyttöisemmäksi, kun markkinoille on tullut virransyöttöön kykeneviä Ethernet-kytkimiä. Valitsemalla teollisuusautomaatiosovellukseen sopivan PoE Ethernet -kytkimen voi säästää sekä aikaa että rahaa, samalla kun turvallinen ja tehokas virransyöttö ja luotettava verkkoyhteys järjestyvät saman kaapelin kautta.

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.

Tietoja kirjoittajasta

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.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa