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Power-over-Ethernet (PoE) in der industriellen Automatisierung

Von Jody Muelaner

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Power-over-Ethernet(PoE)-Verbindungssysteme sind durch den Standard IEEE 802.3 definiert und bieten eine bequeme Möglichkeit, Maschinenkomponenten sowohl mit Daten als auch mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei nur ein einziges Ethernet-Kabel verwendet wird. Lesen Sie den Digi-Key-Artikel Eine Einführung in Power-over-Ethernet aus dem Jahr 2013 für Informationen zu Einführung und Struktur von PoE.

Heute gibt es drei Standard-Unterklassifizierungen für PoE:

  • Bei der PoE-Alternative B werden Daten und Strom über separate Drähte übertragen. Genauer gesagt spezifiziert diese PoE-Unterklassifizierung die Verwendung von Cat-5-Ethernet-Kabeln mit vier verdrillten Paaren - wobei zwei Paare die Daten und zwei Paare die Stromversorgung übertragen. Anordnungen mit PoE-Alternative B können daher nur eine Datenrate von bis zu 100 Mbit/s (100BASE-TX) unterstützen - auch wenn für Gigabit-Ethernet ausgelegte Kabel verwendet werden.
  • Alternative A ist ebenfalls auf eine Datenrate von 100 Mbit/s beschränkt, verwendet aber dieselben zwei Paare zur Übertragung von Daten und Strom. Das bedeutet, dass PoE-Anordnungen der Alternative A sowohl mit Ethernet-Kabeln, die zwei verdrillte Paare enthalten, als auch mit vollständigen vierpaarigen Cat-5-Kabeln kompatibel sind.
  • 4PPoE nutzt alle vier verdrillten Paare zur Stromübertragung und kann daher höhere Ströme liefern. Die verdrillten Paare übertragen auch Daten mit den höchsten Datenraten von Gigabit-Ethernet und darüber hinaus.

Schema einer Verdrahtungsvariante einer Power-over-Ethernet(PoE)-InstallationAbbildung 1: Hier sehen Sie eine Verdrahtungsvariante einer Power-over-Ethernet(PoE)-Installation. (Bildquelle: Design World)

Diese drei Hauptstandards werden oft einfach als Modus A, Modus B und vierpaariges PoE bezeichnet. Für jeden Modus sind unterschiedliche Pin-Konfigurationen möglich. Unabhängig von der Variante müssen jedoch alle gespeisten Geräte (PDs) in der Lage sein, sowohl Mode-A- als auch Mode-B-Verbindungen zu akzeptieren.

Letztendlich ist es die Stromversorgungseinrichtung des PoE-Systems (manchmal abgekürzt PSE), die bestimmt, welcher Modus verwendet wird, und die möglicherweise nur einen oder mehrere Modi unterstützt. Ein PD kann seine Kompatibilität mit PoE durch den Widerstand über die gespeisten Paare anzeigen. Ein fester 25-kΩ-Widerstand zeigt die allgemeine Einhaltung von Normen an, während ein sich ändernder Widerstand zur Anforderung eines bestimmten Versorgungsmodus verwendet werden kann.

Bild: Die ICs MAX5969A/MAX5969B von Maxim werden in PoE-PD-Geräten installiertAbbildung 2: Die ICs MAX5969A/MAX5969B werden in PoE-PD-Geräten installiert. Die IEEE802.3af/at-konformen ICs statten PDs mit Erkennungs- und Klassifizierungssignaturen sowie einem Isolations-Leistungsschalter mit Einschaltstromregelung aus. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Differenzsignale und unterstützte Leistungskapazitäten

Das Ethernet-Kabel überträgt Daten auf verdrillten Paaren unter Verwendung von Differenzsignalen. Das bedeutet, dass jede Ader einer verdrillten Leitung die gleiche Information trägt, so dass das signalempfangende Gerät die Spannungsdifferenz zwischen den beiden messen kann. Solche Anordnungen sind weitaus zuverlässiger als Konstruktionen, die lediglich die Spannung auf einer einzelnen Ader in Bezug auf die Erde verfolgen, da sie die Erkennung und Unterdrückung jeglicher elektromagnetischer Störungen (EMI) ermöglichen, die auf das Kabel einwirken. Die PoE-Nutzung von verdrillten Adernpaaren bedeutet auch, dass die Spannung in einem Adernpaar erhöht werden kann, um Strom zu übertragen, ohne die ebenfalls über das Kabel übertragenen Datensignale negativ zu beeinflussen.

Bild von zweipaarigen und vierpaarigen (Cat-5) Ethernet-KabelnAbbildung 3: Verschiedene PoE-Anordnungen verwenden zweipaarige und vierpaarige (Cat-5) Ethernet-Kabel. Ein wesentlicher Vorteil von PoE ist, dass nur ein einziges Kabel verlegt werden muss, um PoE-Geräte anzuschließen. (Bildquelle: Getty Images)

Mit der fortschreitenden Entwicklung der PoE-Standards hat sich auch die Menge der übertragbaren Leistung erhöht. Diese werden durch vier PoE-Generationen oder Typen repräsentiert:

  • Das ursprüngliche PoE (Typ 1) unterstützt eine Leistungsabgabe von bis zu 13 W bei einem Spannungsbereich von 37 bis 57 V. Dies ist typischerweise ausreichend für Geräte wie drahtlose Zugangspunkte und Türsprechstellen.
  • Typ 2 oder PoE+ unterstützt eine Leistungsabgabe von bis zu 25 W bei einem Spannungsbereich von 42 bis 57 V. Mit dieser Leistung können auch Geräte wie Sicherheitskameras, RFID-Leser und Alarmanlagen unterstützt werden.
  • Typ 3 unterstützt eine Leistungsabgabe von bis zu 51 W bei einem Spannungsbereich von 42 bis 57 V. Dies ist ausreichend für die Versorgung von Laptops und Bedienfeldern.
  • Der Typ 4 unterstützt eine Leistungsabgabe von bis zu 71 W bei einem Spannungsbereich von 41 bis 57 V. Dies ist besonders nützlich für die Versorgung von LED-Beleuchtung und ermöglicht eine intelligente Beleuchtung ohne Netzstromversorgung.

Für Typ 1 beträgt der maximale Leitungswiderstand 20 Ω, aber die höheren Ströme späterer Generationen begrenzen diesen auf 12,5 Ω.

In PoE-Installationen häufig anzutreffende Netzwerkkomponenten

Zu den Geräten, die zum Aufbau von PoE-Netzwerken verwendet werden, gehören:

  • PoE-Switches, d. h. Netzwerk-Switches, die PoE an ihren Anschlüssen bereitstellen. Sie sind die Grundbausteine von erweiterten PoE-Netzwerken - in den meisten Netzwerken fungieren sie als PSE.
  • PoE-Injektoren fügen einem stromlosen Ethernet-Kabel eine Stromversorgung hinzu. Sie können in ein Design integriert werden, um Nicht-PoE-Netzwerken eine Energieversorgung hinzuzufügen. Betrachten Sie zum Beispiel ein System, in dem ein Nicht-PoE-Netzwerk-Switch ein Gerät mit dem Netzwerk verbindet. Wenn das Ziel ist, das Gerät über sein Ethernet-Kabel mit Strom zu versorgen, würde der Installateur das Kabel vom Netzwerk-Switch in einen PoE-Injektor stecken und dann ein zweites Kabel vom Injektor zum Gerät verlegen. Der Injektor benötigt eine eigene Spannungsversorgung.
  • PoE-Splitter trennen Energieversorgung und Daten eines PoE-Kabels, so dass ein nicht PoE-kompatibles Gerät über einen separaten Eingang mit Strom versorgt werden kann. Einen Splitter kann man sich wie einen in umgekehrter Richtung arbeitenden Injektor vorstellen.

Bild des PoE-Splitters von Phihong USAAbbildung 4: Dieser PoE-Splitter (siehe Phihong PTM für weitere Informationen) kann bis zu 45 W auf ausgewählten IEEE802.3-Systemen mit Überstrom- sowie Überspannungsschutz bereitstellen. (Bildquelle: Phihong USA)

  • PoE-Hubs sind im Wesentlichen ein Stapel von Injektoren. Mehrere nicht mit Strom versorgte Kabel werden auf der einen Seite eingesteckt und dann werden Kabel, die auf der anderen Seite eingesteckt werden, mit Strom versorgt.
  • PoE-Extender ermöglichen den Betrieb von Ethernet-Netzwerken über ihre normale 100m-Reichweite hinaus.

PoE-Beispielanwendungen

Die Fähigkeit, über ein einziges Kabel sowohl Strom zu liefern als auch Daten zu übertragen, ist für viele Anwendungen unverzichtbar, da es die Kosten für automatisierte Funktionen vereinfacht und reduziert. In der Tat ist PoE besonders nützlich an Orten, an denen keine Stromversorgung verfügbar ist. Außerdem ist für die Installation eines PoE-Kabels aufgrund der geringen Spannungen kein Elektriker erforderlich. Dies kann zu erheblichen Kosteneinsparungen führen, wenn die Alternative die Installation von zusätzlichen Steckdosen wäre. Es kann auch möglich sein, vorhandene Netzwerk- oder Telefonkabel, die bereits in einer Einrichtung vorhanden sind, für PoE zu nutzen.

Da die Spannungen niedrig sind, ist das System sicherer. Das bedeutet auch, dass keine Kabelkanäle und Erdungsgehäuse benötigt werden ... was wiederum die Installationskosten weiter reduziert. Die maximalen Spannungen bleiben innerhalb sicherer Grenzen, und der PSE sendet einen Teststrom bei 10 V, bevor er die volle Leistung liefert. Die volle Spannung liegt nur an, wenn ein 25 Ω Widerstand am PD erkannt wird. Dadurch wird verhindert, dass angeschlossene Geräte beschädigt werden.

Wenn Änderungen erforderlich sind, ist es relativ einfach, die an das Ethernet angeschlossenen Geräte zu wechseln und die Kabel zu tauschen. Dies erfordert nur, dass ein Techniker die Kabel der neuen Geräte einfach in die Netzwerk-Switches einsteckt. Im Gegensatz zu automatisierten Maschinenabschnitten, die mit Wechselstrom betrieben werden (was in manchen Fällen dazu führen kann, dass ganze automatisierte Etagen während der Arbeiten isoliert werden müssen), ist PoE Plug&Play. Das bedeutet, dass Änderungen vorgenommen werden können, während das Netzwerk in Betrieb ist. Es ist auch einfach, Geräte-Nutzungsdaten zu verwenden, um die Stromzufuhr zu bestimmten Geräten zu steuern. Diese Fähigkeit, die Stromversorgung eines Geräts ein- und auszuschalten, kann den Stromverbrauch erheblich reduzieren.

Betrachten Sie eine PoE-Anwendung: PoE-Beleuchtungssysteme sind eine zunehmend verbreitete Anwendung mit breiter Anwendbarkeit. Dabei handelt es sich um LED-Leuchten mit Sensoren und Lichtsteuerungen, die über Ethernet-Kabel und Switches verbunden sind. Eine Anwendung ist der Einsatz in Lagerhallen, um die natürlichen Tageslichtzyklen nachzuahmen und so die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Produktivität der Mitarbeiter zu verbessern. Die Integration von Bewegungssensoren und prädiktive Algorithmen, die auf den PoE-Controllern laufen, ermöglichen die effizienteste Nutzung des Lichts, um Energie zu sparen und die Betriebskosten zu senken.

Eine weitere relativ neue Anwendung für PoE sind Motoren. Integrierte PoE-Motoren können den Verkabelungsaufwand für die diskrete Automatisierung reduzieren, da sie die Notwendigkeit von dedizierten Feedbackkabeln zwischen Motor und externer Motorsteuerung eliminieren. Bei Geräten mit einem im Motorgehäuse integrierten Antrieb kann der Motor einfach Steuerbefehle zusammen mit der Stromversorgung über ein einziges Ethernet-Kabel empfangen. Dies reduziert den gesamten Platzbedarf der Installation und vereinfacht gleichzeitig den Installationsprozess.

Solche integrierten PoE-fähigen Motoren können entweder Bewegungssteuerungsprogramme oder Echtzeitbefehle über die Ethernet-Datenverbindung empfangen.

Fazit

Power-over-Ethernet (PoE) ist nützlich für Geräte, die sowohl Stromversorgungs- als auch Datenverbindungen benötigen. Es reduziert die Installationskosten, bietet Designkomfort und ist sicherer und zuverlässiger als getrennte Stromversorgungs- und Datenverbindungen. Es gibt zwei Arten von Geräten, die PoE verstärkt nutzen:

  • Geräte wie z. B. Leuchten, die traditionell nur eine Stromversorgung benötigten... aber zunehmend als intelligente Geräte verkauft werden, die für neuere und relativ fortschrittliche Funktionen auf Datenübertragung angewiesen sind.
  • Komponenten wie z. B. Elektromotoren, die begonnen haben, die erhöhten Kapazitäten von PoE als eine wirtschaftliche, sichere und bequeme Option sowohl für die Stromversorgung als auch für die Datenverbindung zu nutzen.

Kein Wunder also, dass PoE schnell zu einer Kerntechnologie in Konsumgütern sowie in intelligenten Gebäuden und der Maschinenautomatisierung geworden ist, die das industrielle Internet der Dinge (IIoT) nutzt.

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Über den Autor

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner is an engineer who has designed sawmills and medical devices; addressed uncertainty in aerospace manufacturing systems; and created innovative laser instruments. He has published in numerous peer-reviewed journals and government summaries … and has written technical reports for Rolls-Royce, SAE International, and Airbus. He currently leads a project to develop a e-bike detailed at betterbicycles.org. Muelaner also covers developments related to decarbonization technologies.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key