EUR | USD

Power over Ethernet (PoE) in industriële automatisering

Door Jody Muelaner

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Power over Ethernet-connectiviteitssystemen (PoE) worden gedefinieerd door de IEEE 802.3 norm en bieden een gemakkelijke manier om zowel data als elektrische stroom te leveren aan machinecomponenten met gebruikmaking van enkele alles-in-één Ethernetkabels. Lees het 2013 Digi-Key artikel Een inleiding tot Power-over-Ethernet voor een inleiding over de introductie en structuur van PoE.

Tegenwoordig zijn er drie standaard onderverdelingen voor PoE:

  • PoE Alternative B gebruikt afzonderlijke draden om gegevens en stroom te transporteren. Meer in het bijzonder specificeert deze PoE-subclassificatie het gebruik van Cat-5 Ethernet-kabel met vier getwiste paren, waarbij twee paren gegevens transporteren en twee paren stroom transporteren. PoE Alternative B-voorzieningen kunnen daarom slechts een gegevenssnelheid van maximaal 100 Mbps (100BASE-TX) ondersteunen, ook al worden kabels gebruikt die geschikt zijn voor Gigabit Ethernet.
  • Alternatief A is ook beperkt tot een datasnelheid van 100 Mbps, maar gebruikt dezelfde twee paren om zowel gegevens als stroom te vervoeren. Dit betekent dat PoE Alternative A-regelingen compatibel zijn met Ethernet-kabels met twee getwiste paren, maar ook met volledige Cat-5-kabels met vier paren.
  • 4PPoE gebruikt alle vier de getwiste paren om stroom over te brengen en kan daarom hogere stromen leveren. De getwiste paren transporteren ook gegevens met de hoogste datasnelheden van Gigabit Ethernet en hoger.

Schema van één bedradingsvariant van een Power of Ethernet (PoE) installatieAfbeelding 1: Hier ziet u één bedradingsvariant van een Power of Ethernet-installatie (PoE). (Bron afbeelding: Design World))

Deze drie hoofdnormen worden vaak kortweg aangeduid als mode A, mode B, en vier-pair PoE. Verschillende pinconfiguraties van elke modus zijn mogelijk. Ongeacht de variatie moeten alle onder spanning staande apparaten (PD's) zowel verbindingen van modus A als van modus B kunnen accepteren.

Uiteindelijk is het de Power Sourcing Equipment (soms afgekort tot PSE) van het PoE-systeem die bepaalt welke modus wordt gebruikt en kan deze slechts één of meerdere modi ondersteunen. Een PD kan zijn compatibiliteit met PoE aangeven door de weerstand over de stroomparen. Een vaste weerstand van 25 kΩ geeft aan dat in het algemeen aan de normen wordt voldaan, terwijl een veranderende weerstand kan worden gebruikt om een specifieke voedingsmodus op te vragen.

Afbeelding van Maxim MAX5969A/MAX5969B IC's installeren in PoE powered device-assemblages (PD)Afbeelding 2: MAX5969A/MAX5969B IC's installeren in PoE powered device-assemblages (PD). De IC's die voldoen aan IEEE 802.3af/at bieden PD's met detectie- en classificatiesignaturen, evenals een geïsoleerde voedingsschakelaar met regeling van de inschakelstroom. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Differentiële signalering en ondersteunde vermogenscapaciteiten

Ethernet-kabel zendt gegevens over getwiste paren met differentiële signalering. Dit betekent dat elke draad in een getwist paar dezelfde informatie draagt, zodat het signaalontvangende apparaat het spanningsverschil tussen de twee kan meten. Dergelijke regelingen zijn veel betrouwbaarder dan ontwerpen waarbij alleen de spanning op een enkele draad ten opzichte van de aarde wordt gevolgd, omdat hiermee alle elektromagnetische interferentie (EMI) die de kabel beïnvloedt, kan worden gedetecteerd en genegeerd. PoE-gebruik van getwiste paren betekent ook dat de spanning in een aderpaar kan worden verhoogd om vermogen over te brengen zonder negatieve gevolgen voor de gegevenssignalen die ook door de kabel worden overgebracht.

Afbeelding van twee-aderige en Cat-5 vier-aderige Ethernet-kabelAfbeelding 3: Verschillende PoE-opstellingen maken gebruik van tweepaars- en vierpaars-ethernetkabel van Cat-5. Een belangrijk PoE voordeel is dat er slechts één kabel hoeft te worden gelegd om PoE-apparaten aan te sluiten. (Bron afbeelding: Getty Images)

Naarmate de PoE-normen zich verder ontwikkelden, is de hoeveelheid vermogen die kan worden overgedragen, toegenomen. Deze worden vertegenwoordigd door vier generaties PoE of typen:

  • Het oorspronkelijke Type-1 PoE ondersteunt een vermogen van maximaal 13 W met een spanningsbereik van 37 tot 57 V. Dit is doorgaans voldoende voor apparaten zoals draadloze toegangspunten en deurpanelen.
  • Type 2 of PoE+ ondersteunt stroomlevering tot 25 W met een spanningsbereik van 42 tot 57 V. Met dit stroomniveau kunnen ook apparaten zoals beveiligingscamera's, RFID-lezers en alarmsystemen worden ondersteund.
  • Type 3 ondersteunt een vermogen van maximaal 51 W, met een spanningsbereik van 42 tot 57 V. Dit is voldoende om laptops en bedieningspanelen van stroom te voorzien.
  • Type 4 ondersteunt een vermogen tot 71 W met een spanningsbereik van 41 tot 57 V. Dit is bijzonder nuttig voor de voeding van LED-verlichting, waardoor slimme verlichting zonder netvoeding mogelijk wordt.

Voor Type 1 bedraagt de maximale kabelweerstand 20 Ω, maar de hogere stromen van latere generaties beperken dit tot 12,5 Ω.

Netwerkcomponenten die vaak voorkomen in PoE-installaties

Apparaten die worden gebruikt om PoE-netwerken aan te leggen zijn onder meer:

  • PoE-switches, dat zijn netwerkschakelaars die PoE leveren op hun poorten. Zij zijn de basisbouwstenen van uitgebreide PoE-netwerken en fungeren in de meeste netwerken als PSE.
  • PoE-injectors voegen stroom toe aan een Ethernet-kabel zonder stroomvoorziening. Zij kunnen in een ontwerp worden geïntegreerd om vermogen toe te voegen aan niet-PoE-netwerken. Neem bijvoorbeeld een systeem waarin een niet-PoE netwerkswitch een apparaat met het netwerk verbindt. Als het de bedoeling is om dat apparaat via de Ethernet-kabel van stroom te voorzien, zou de installateur de kabel van de netwerkschakelaar in een PoE-injector moeten steken en vervolgens een tweede kabel van de injector naar het apparaat moeten leiden. De injector heeft zijn eigen stroomvoorziening nodig.
  • PoE-splitters scheiden de stroom en gegevens van een PoE-kabel, zodat een niet-PoE-compatibel apparaat via een aparte ingang van stroom kan worden voorzien. Een splitter kan worden gezien als een injector in omgekeerde volgorde.

Afbeelding van Phihong USA PoE-splitterAfbeelding 4: Deze PoE-splitter (zie de Phihong PTM voor meer informatie) kan tot 45 W leveren op geselecteerde IEEE802.3-systemen met zowel overstroom- als overspanningsbeveiliging. (Bron afbeelding: Phihong USA)

  • PoE-hubs zijn in wezen een stapel injectors. Meerdere kabels zonder stroomvoorziening worden aan de ene kant aangesloten en vervolgens worden kabels die aan de andere kant worden aangesloten, van stroom voorzien.
  • MetPoE-extenders kunnen Ethernet-netwerken buiten hun normale bereik van 100 m werken.

PoE-voorbeeldtoepassingen

De mogelijkheid om zowel stroom te leveren als gegevens door te geven via één enkele kabel is onmisbaar voor vele toepassingen, omdat het de kosten van geautomatiseerde functies vereenvoudigt en vermindert. PoE is vooral nuttig op plaatsen waar geen stroomvoorziening voorhanden is. Bovendien is voor de installatie van een PoE-kabel, vanwege de lage spanningen, geen elektricien nodig. Dit kan aanzienlijke kostenbesparingen opleveren als het alternatief de installatie van extra stopcontacten zou zijn. Het kan ook mogelijk zijn om bestaande netwerk- of telefoonkabels die al in een faciliteit aanwezig zijn, te gebruiken voor PoE.

Omdat de spanningen laag zijn, is het systeem veiliger. Dit betekent ook dat er geen leidingen en aardingsbehuizingen nodig zijn ... wat op zijn beurt de installatiekosten verder drukt. De maximale spanningen blijven binnen veilige grenzen, en de PSE stuurt een teststroom bij 10 V alvorens het volledige vermogen te leveren. De volledige spanning wordt alleen toegepast als op de PD een weerstand van 25 Ω wordt gedetecteerd. Dit voorkomt dat aangesloten apparaten beschadigd raken.

Wanneer veranderingen nodig zijn, is het relatief eenvoudig om op Ethernet aangesloten apparatuur te vervangen en kabels te verwisselen. Dit vereist dat een technicus de kabels van de nieuwe apparaten gewoon in netwerkswitches steekt. In tegenstelling tot geautomatiseerde machinedelen die op netstroom werken (waardoor in sommige gevallen hele geautomatiseerde vloeren moeten worden geïsoleerd terwijl het werk wordt uitgevoerd), is PoE plug and play. Dat betekent dat wijzigingen kunnen worden aangebracht terwijl het netwerk in bedrijf blijft. Het is ook gemakkelijk om gegevens over het gebruik van apparaten te gebruiken om de stroom naar specifieke apparaten te regelen. Deze mogelijkheid om de stroom in een apparaat aan en uit te schakelen kan het stroomverbruik aanzienlijk verminderen.

Overweeg één PoE toepassing: PoE-verlichtingssystemen zijn een steeds vaker voorkomende toepassing met een brede toepasbaarheid. Het gaat om LED-lampen met sensors en lichtregelaars die via Ethernet-kabels en schakelaars met elkaar verbonden zijn. Eén toepassing is in magazijnen om natuurlijke daglichtcycli na te bootsen en zo de gezondheid, het welzijn en de productiviteit van de werknemers te verbeteren. Door de integratie van bewegingssensors en voorspellende algoritmen op de PoE-controllers kan het licht zo efficiënt mogelijk worden gebruikt om energie te besparen en de bedrijfskosten te verlagen.

Een andere relatief nieuwe toepassing van PoE zijn motors. Geïntegreerde PoE-motors kunnen de hoeveelheid bekabeling die nodig is voor discrete automatisering verminderen, omdat er geen speciale feedbackkabels tussen de motor en de externe motion controller nodig zijn. Bij eenheden met een in de motorbehuizing geïntegreerde aandrijving kan de motor gewoon besturingscommando's ontvangen, samen met voeding via één Ethernet-kabel. Dit vermindert de totale installatievoetafdruk en vereenvoudigt het installatieproces.

Dergelijke geïntegreerde, voor PoE geschikte motors kunnen motion control programma's of real-time commando's ontvangen via de Ethernet-dataverbinding.

Conclusie

Power over Ethernet (PoE) is nuttig voor apparaten die zowel stroom- als dataverbindingen nodig hebben. Het vermindert de installatiekosten, biedt ontwerpgemak, en is veiliger en betrouwbaarder dan gescheiden stroom- en dataverbindingen. Er zijn twee soorten apparaten die in toenemende mate gebruik maken van PoE:

  • Apparaten zoals lampen die van oudsher alleen stroom nodig hadden, maar die steeds meer worden verkocht als slimme apparaten die voor nieuwere en relatief geavanceerde mogelijkheden afhankelijk zijn van datatransmissie.
  • Componenten zoals elektromotoren die de verhoogde capaciteiten van PoE zijn gaan benutten als een economische, veilige en handige optie voor zowel stroom- als gegevensconnectiviteit.

Geen wonder dat PoE snel is uitgegroeid tot een kerntechnologie in consumentengoederen, slimme gebouwen en machineautomatisering door gebruik te maken van de mogelijkheden van het industriële internet of things (IIoT).

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.

Achtergrondinformatie over deze auteur

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.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key