PoE: cтандарты форсируют внедрение технологии в промышленное производство

25 ноября 2013

WeidmuellerстатьяПромавтоматика

логотип

Технология, базирующаяся на разработанном для офисов протоколе VoIP, отвечает за совместимость с продуктами различных производителей. Ее основу составляет стандарт IEEE 802.3af-. Установленная максимальная мощность 15,4 Вт на каждый порт достаточна для таких приложений, как протокол VoIP, базовые станции Webcams или WLAN. Более поздний стандарт IEEE 802.3at- [1] позволяет использовать мощность 30…60 Вт на каждый порт, обеспечивая дистанционное электропитание для чувствительных IP-приборов, компьютерных систем или промышленных приложений. В качестве базы PoE предусмотрены типовые штекерные разъемы RJ45. PoE+ совместим сверху вниз с PoE, поэтому поддерживается одновременно 802.3af- и 802.3at.

Сетевые коммутаторы
в различных функциональных классах

Сетевые РоЕ-коммутаторы существуют уже не первый день. В нижних строках их ценовой линейки располагаются неуправляемые приборы, то есть — без возможности изменения конфигурации. Кроме того, в данных приборах запитан не каждый порт. Среднюю позицию занимают модели с шестью-восемью запитанными точками подключений и различными функциями, как, например, VLAN (виртуальный LAN), QoS (качество сервиса) и конфигурация/мониторинг через браузер, а также дистанционный запрос через SNMP (Simple Network Management Protocol — простой протокол сетевого управления). Высококачественные сетевые коммутаторы с возможностью конфигурации не только позволяют отключать отдельных потребителей с поддержкой через браузер, но и предлагают возможность синхронизированной почасовой активации в определенные дни недели. С помощью таких переключателей можно управлять электроснабжением, устанавливая лимиты или приоритетность электропитания как для всех портов, так и для каждого порта в отдельности. Последняя функция служит для автоматического отключения отдельных потребителей, предотвращая перегрузку сети или даже отключение всей системы. Через браузер можно осуществлять мониторинг и управлять мощностью системы как единого целого, а также отдельных портов. Усовершенствованные коммутаторы имеют функцию предупреждения при перегрузке.

PoE и PoE+ в промышленности

Промышленное производство предъявляет к коммутаторам PoE особые требования. Поэтому использование в промышленности приборов, предназначенных для коммутации внутри офисов, затруднительно..

В офисном секторе для коммутации приборов различных производителей зачастую используется стандарт IEEE 802.3af [2]. Конечные потребители обеспечивают на расстоянии 100 метров эффективную мощность около 12,95 Вт. В промышленных приложениях с повышенными требованиями и расширенным набором функций приборы с электропитанием через сеть Ethernet требуют более высокого уровня мощности источника электропитания PSE (питающее устройство). Это отображено в техническом описании стандарта IEEE 802.3at, сокращенно PoE+.

Для PoE+ предписана двухтактовая классификация, то есть двойное измерение напряжения 802.3af на PSE: говоря упрощенным языком, классификация необходима для запроса PSE о расходуемой мощности потребителя DP (питаемого устройства) и, соответственно, для ее определения.

На практике зачастую к порту РоЕ подключается прибор без поддержки РоЕ. Встает неизбежный вопрос, будет ли он функционировать, какие возможны повреждения и ущерб. Необходимо избегать действий, приводящих к повреждению конечных приборов без поддержки РоЕ. Несмотря на то, что витые пары с номерами четыре, пять, семь и восемь на 10BaseT и 100BaseTX принципиально не заняты, это не означает, что соответствующие контакты не используются и не выполнено соответствующее шлейфование. Если на них ошибочно передается питание через сеть Ethernet, это может привести к непоправимому ущербу подключенного прибора. Чтобы отделить потребителей с поддержкой РоЕ от приборов без нее, в питающем устройстве РоЕ (стандарт 802.3af) используется технология «Resistive Power Discovery» (определение сопротивления).

При этом на витые пары сначала подается минимальное напряжение, которое не приводит к повреждению прибора. Таким методом определяется, имеет ли прибор оконечное сопротивление 25 кОм и между какими точками, то есть, поддерживает ли он РоЕ. Затем на прибор-потребитель подается минимальная мощность, чтобы определить, к какому из четырех установленных в стандарте классов мощности он относится. Только после этого на контроллер подается полная мощность.

Для систем PoE мощность определяется на выходе PSE и входе DP. При поддержке РоЕ+ источник питания должен обеспечивать непрерывное электроснабжение 600 мА при минимальном напряжении на выходе 50 В. Это соответствует выходной мощности PSE, равной 30 Вт.

Установленное в спецификации сопротивление линии не должно превышать 12,5 мОм. С учетом коэффициента полезного действия для преобразования 48 В нагрузка DP составляет около 24,6 Вт. Сердце сетевого коммутатора — внутренний контроллер DP. И если электропитание приборов РоЕ через интерфейс Ethernet не превышает 12,95 Вт (стандарт IEEE 802.3af), то стандарт IEEE 802.3at повышает мощность до 25,5 Вт. Отдельные производители снимают ограничение по току и предлагают мощность значительно выше 30 Вт. Это позволяет определять индивидуальный уровень электропитания и поддерживать выходящие за рамки стандарта РоЕ+-функции. Принципиально стандарт РоЕ+ был разработан для обеспечения мощности приборов 30 Вт.

PoE питает отдельные приборы по звездообразной топологии и не допускает каскада в линейной топологии.

В промышленных сетях существенным критерием является отказоустойчивость.

Отдельные сетевые контакторы с возможностью конфигурации (рисунки 1 и 2), как, например, приборы компании Weidmueller [3], поддерживают проприетарный резервный протокол: функция «Turbo Ring» опрашивает потребителей на предмет возможных сбоев в течение 300 миллисекунд c переключением на резервное соединение. Недавно появилась новая версия, которая может реагировать на сбои в течение максимум 20 миллисекунд. Таким образом, типичные при RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol-протокол для высокоскоростной связи по схеме «дерево») интервалы переключения в секундном диапазоне снижены.

Управляемые и неуправляемые переключатели с 4 и 6 портами PoE от компании Weidmueller

 

Рис. 1. Управляемые и неуправляемые переключатели с 4 и 6 портами PoE от компании Weidmueller

 

Электропитание конечных приборов с поддержкой РоЕ через кабель передачи данных, например, WLAN-Access-Points

 

Рис. 2. Электропитание конечных приборов с поддержкой РоЕ через кабель передачи данных, например, WLAN-Access-Points

Инновации посредством IEEE 802.3at

Три основных изменения характеризуют стандарт РоЕ IEEE 802.3at:

  • PoE-класс мощности 4: классификационный ток 36…44мА и максимальная выходная мощность 12,95…30Вт;
  • поддержка 1000BaseT (гигабитная сеть Ethernet) наряду с интерфейсами 10BaseT и 100BaseT;
  • фантомное питание: передача мощности через все четыре витые пары (только для гигабитной сети Ethernet). Фантомное питание также ограничивает ток до 175мА на витую пару. Для гигабитной сети Ethernet на все четыре витые пары подается максимум 60Вт.

Источник питания, определенный в стандарте IEEE 802.3at как PSE (Power Source Equipment) — как правило, сетевой контактор на базе протокола Ethernet с поддержкой РоЕ. Этот сетевой контактор также осуществляет электропитание (обеспечивает так называемое конечное напряжение). Второй способ, так называемое Midspan-питание, предусматривает подачу электропитания в сеть РоЕ через высокомощный инжектор. Он устанавливается в проводной сети между нормальным сетевым контактором и сетевым кабелем, идущим к конечному потребителю. Технология Midspan допускает отбор мощности до 90 Вт. Для стандарта IEEE 802.3at это является дополнительной опцией, однако контакторы РоЕ не обеспечивают эту мощность.

Стандарты упрощают внедрение PoE

Наряду с группой стандартов IEEE существует еще одна движущая сила — основанный в 2005 году консорциум «PoETeC» (Power over Ethernet Technology Consortium) [4]. Его первостепенной задачей является упрощение внедрения PoE/PoE+. Это касается разработки штекерного разъема для PSE, а также разработки контроллера РоЕ и схемы коммутаций.

Группа стандартов IEEE уделяет большое значение обратной совместимости и поддержке уже существующих приборов РоЕ или приборов с низким электропотреблением. Для определения различий между приборами с низким и высоким электропотреблением введена следующая терминология:

  • тип 1: низкое электропотребление,
  • тип 2: высокое электропотребление.

Для кабельной проводки установлены следующие требования:

  • для PoE: категория 3 или выше,
  • для PoE+
  • для типа 1: категория 3 или выше,
  • для типа 2: категория 5 или выше.

PoE и PoE+ устанавливаются на стандартных кабелях; для PoE+ максимальная температура (окружающая и внутренняя) ограничена 60°C. Так как повышенный ток в кабельной разводке приводит к повышенному тепловыделению, некоторые производители рекомендуют кабели более высокого класса. Максимальная длина кабеля для стандарта PoE+ составляет 90 метров.

Необходимо учесть следующее: если пользователь отсоединяет РоЕ, сначала необходимо обесточить приборы РоЕ, и только затем можно вынуть штекер из гнезда. Зачастую штекер просто «вытаскивается», это приводит к возникновению электрической дуги и перегоранию контактов. В результате уменьшается технический ресурс приборов.

Компания Weidmueller предлагает сетевые контакторы PoE для использования в промышленной коммутационной сети. Ассортимент продукции включает Basic Line (нерегулируемые приборы) и Premium Line (регулируемые приборы) (рисунок 3).

Сетевые контакторы PoE Basic Line (нерегулируемые) и Premium Line (регулируемые) 24 В для питания PoE

 

Рис. 3. Сетевые контакторы PoE Basic Line (нерегулируемые) и Premium Line (регулируемые) 24 В для питания PoE

 

Поставляются регулируемые и нерегулируемые сетевые шестипортовые контакторы с четырьмя портами PoE+. Все контакторы PoE рассчитаны на электропитание с напряжением 24 В и обеспечивают приборы сети Ethernet с поддержкой PoE входной мощностью 30 Вт. Кроме того, регулируемая версия позволяет включать/выключать и обнулять конечные приборы с подключением к РоЕ дистанционно, например, с помощью SNMP, Web-Interface или через системы HMI/Scada в сочетании с SNMP OPC. Сетевые контакторы РоЕ+ (регулируемые и нерегулируемые) имеют четыре комбинированных порта PoE и Ethernet с поддержкой стандарта IEEE-802.3af/at. Кроме того, они имеют международные допуски и сертификаты соответствия CE, FCC, UL/cUL Class I Div. 2/Atex, DNV/GL.

Литература

1. IEEE 802.3at:2009 IEEE Стандарт информационных технологий. Локальные и городские сети. Специальные требования, часть 3: Метод доступа CSMA/CD и спецификации физического уровня. Приложение 3: Терминал передачи данных (DTE). Питание через зависящий от среды передачи данных интерфейс (MDI). Оптимизация. (IEEE Standards Association: standards.ieee.org).

2. IEEE 802.3af:2003 IEEE-Стандарт для локальных и городских сетей. IEEE-Стандарт информационных технологий. Телекоммуникация и обмен информацией между системами. Локальные и городские сети: Специальные требования, часть 3: Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD) Метод доступа и спецификации физического уровня, Терминал передачи данных (DTE) Питание через зависящий от среды передачи данных интерфейс (MDI). (IEEE Standards Association: standards.ieee.org).

3. Weidmuller GmbH & Co. KG, г. Детмольд: http://www.weidmueller.de/

4. Power over Ethernet Technology Consortium («PoETeC»): http://www.0baset.org/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: automation.vesti@compel.ru

 

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Weidmueller

Компания Weidmueller является символом самых современных технологий в области производства оборудования для обработки, передачи и распределения электрической энергии и информации в индустриальном секторе. Компания Weidmueller была основана в 1850 году, реорганизована в 1948 году в г. Детмольд (20км от Ганновера). В настоящий момент в этом городе находится крупнейший производственно-логистический центр по продукции Weidmueller, с которого осуществляется отгрузка продукции по всей Европе. Р ...читать далее