Power over Ethernet (PoE) nell'automazione industriale

Di Jody Muelaner

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

I sistemi di connettività Power over Ethernet (PoE) sono definiti dallo standard IEEE 802.3 e sono un modo comodo per fornire sia dati che potenza elettrica ai componenti di una macchina utilizzando singoli cavi Ethernet di tipo universale. Leggete l'articolo di Digi-Key del 2013 Introduzione a Power over Ethernet per un'infarinatura sull'introduzione e sulla struttura di PoE.

Oggi sono tre le sottoclassificazioni standard per PoE:

  • PoE alternativa B utilizza fili separati per trasportare dati e potenza. Più specificamente, questa sottoclassificazione PoE specifica l'uso del cavo Ethernet Cat-5 con quattro doppini intrecciati - due coppie trasportano i dati e due la potenza. PoE alternativa B può quindi supportare solo una velocità di dati fino a 100 Mbps (100BASE-TX) - anche se vengono usati cavi classificati per Gigabit Ethernet.
  • L'alternativa A è anch'essa limitata a una velocità dati di 100 Mbps ma utilizza i due doppini per trasportare sia i dati che la potenza. Questo significa che i dispositivi PoE alternativa A sono compatibili con i cavi Ethernet a due doppini e con i cavi a quattro doppini Cat-5.
  • 4PPoE utilizza tutti e quattro i doppini intrecciati per trasmettere la potenza e può quindi fornire correnti più elevate. I doppini trasportano anche i dati alle massime velocità Gigabit Ethernet e oltre.

Schema di una variante del cablaggio di un'installazione Power of Ethernet (PoE)Figura 1: Una variante del cablaggio di un'installazione Power of Ethernet (PoE). (Immagine per gentile concessione di Design World)

Questi tre standard principali sono spesso indicati semplicemente come modo A, modo B e PoE a quattro doppini. Sono possibili diverse configurazioni di pin per ogni modalità. A prescindere dalla variante, qualsiasi dispositivo alimentato (PD) deve essere in grado di accettare entrambe le connessioni di modalità A e B.

In definitiva, è l'apparecchiatura di alimentazione del sistema PoE (a volte abbreviato PSE) che determina la modalità utilizzata e se può supportare solo una o più modalità. Un PD può indicare la sua compatibilità con PoE dalla resistenza tra i doppini alimentati. Una resistenza fissa di 25 kΩ indica la conformità generale agli standard, mentre una resistenza variabile può essere usata per richiedere una modalità di alimentazione specifica.

Immagine dei CI MAX5969A/MAX5969B di Maxim installati in gruppi di dispositivi alimentati (PD) PoEFigura 2: I CI MAX5969A/MAX5969B si installano in gruppi di dispositivi alimentati (PD) PoE. I circuiti integrati conformi a IEEE 802.3af/at forniscono i PD con firme di rilevamento e classificazione, nonché un interruttore di alimentazione di isolamento con il controllo della corrente di inserzione. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Segnalazione differenziale e capacità di potenza supportata

Il cavo Ethernet trasmette i dati su doppini intrecciati utilizzando la segnalazione differenziale. Ciò significa che ogni filo in un doppino trasporta le stesse informazioni in modo che il dispositivo che riceve il segnale possa misurare la differenza di tensione tra i due fili. Tali disposizioni sono molto più affidabili dei progetti che tracciano semplicemente la tensione su un singolo filo rispetto alla terra, in quanto permettono di rilevare e respingere qualsiasi interferenza elettromagnetica (EMI) che interessa il cavo. L'uso di doppini intrecciati in PoE significa anche che la tensione in una coppia di fili può essere aumentata per trasmettere la potenza senza compromettere i segnali di dati trasportati anche dal cavo.

Immagine del cavo Ethernet a due doppini e Cat-5 a quattro doppiniFigura 3: Varie disposizioni PoE impiegano cavi Ethernet a due doppini e Cat-5 a quattro doppini. Uno dei principali vantaggi di PoE è che basta posare un solo cavo per collegare i dispositivi PoE. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Con lo sviluppo degli standard PoE, la quantità di potenza che può essere trasmessa è aumentata. Questi standard sono rappresentati da quattro generazioni di PoE o Tipi:

  • L'originale PoE di tipo 1 supporta una potenza fino a 13 W con un intervallo di tensione da 37 a 57 V, tipicamente sufficiente per dispositivi come access point wireless e quadri di accesso porte.
  • Il tipo 2 o PoE+ supporta un'erogazione di potenza fino a 25 W con un intervallo di tensione da 42 a 57 V. Con questo livello di potenza, possono essere supportati anche dispositivi come telecamere di sicurezza, lettori RFID e sistemi di allarme.
  • Il tipo 3 supporta una potenza fino a 51 W, con un intervallo di tensione da 42 a 57 V, sufficiente per alimentare computer portatili e pannelli di controllo.
  • Il tipo 4 supporta un'erogazione di potenza fino a 71 W con un intervallo di tensione da 41 a 57 V, particolarmente utile per alimentare lampade a LED, per un'illuminazione intelligente senza alimentazione di rete.

Per il tipo 1 la resistenza massima del cavo è di 20 Ω, ma le correnti più alte delle generazioni successive la limitano a 12,5 Ω.

Componenti di rete comunemente presenti nelle installazioni PoE

I dispositivi utilizzati per costruire reti PoE includono:

  • Switch PoE, ossia switch di rete che forniscono PoE sulle porte. Sono i componenti costitutivi di base delle reti PoE estese - in genere fungono da PSE nella maggior parte delle reti.
  • Iniettori PoE, che aggiungono potenza a un cavo Ethernet non alimentato. Possono essere integrati in un progetto per aggiungere potenza alle reti non PoE. Ad esempio, si consideri un sistema in cui uno switch di rete non PoE collega un dispositivo alla rete. Se l'obiettivo è di alimentare quel dispositivo attraverso il cavo Ethernet, l'installatore dovrebbe collegare il cavo dallo switch di rete in un iniettore PoE e poi un secondo cavo dall'iniettore al dispositivo. L'iniettore richiede un'alimentazione propria.
  • Sdoppiatori PoE, che separano l'alimentazione e i dati da un cavo PoE, permettendo a un dispositivo non compatibile PoE di essere alimentato da un ingresso separato. Uno sdoppiatore è il contrario di un iniettore.

Immagine dello sdoppiatore PoE di Phihong USAFigura 4: Questo sdoppiatore PoE (PTM Phihong per maggiori informazioni) può fornire fino a 45 W su sistemi IEEE802.3 selezionati con protezione da sovracorrente e sovratensione. (Immagine per gentile concessione di Phihong USA)

  • Hub PoE, essenzialmente una serie di iniettori impilati. Più cavi non alimentati vengono inseriti in un lato e i cavi inseriti nell'altro lato diventano alimentati.
  • Espansori PoE, che permettono alle reti Ethernet di funzionare oltre la loro normale portata di 100 metri.

Esempio di applicazioni PoE

La capacità di alimentare e trasmettere dati attraverso un unico cavo è indispensabile per molte applicazioni, poiché semplifica e riduce il costo delle funzioni automatizzate. Infatti, PoE è particolarmente utile in luoghi dove non è disponibile un'alimentazione. Inoltre, grazie alle basse tensioni che implica, l'installazione di un cavo PoE non richiede un elettricista. Questo può risultare in un ingente risparmio sui costi, se l'alternativa sarebbe l'installazione di ulteriori prese elettriche. Per PoE può anche essere possibile utilizzare i cavi di rete o telefonici esistenti e già presenti in una struttura.

Poiché le tensioni sono basse, il sistema è più sicuro. Ciò significa inoltre che non sono necessari condotti e involucri di messa a terra ... fatto che a sua volta riduce ulteriormente i costi di installazione. Le tensioni massime rimangono entro i limiti di sicurezza e il PSE invia una corrente di misura di 10 V prima di fornire la potenza a pieno regime. La tensione totale viene applicata solo se viene rilevata una resistenza di 25 Ω sul PD. In questo modo si evita che i dispositivi collegati subiscano danni.

Quando sono necessari cambiamenti, è relativamente facile cambiare i dispositivi connessi a Ethernet e sostituire i cavi. Per questo, un tecnico inserisce semplicemente i cavi dei nuovi dispositivi negli switch di rete. A differenza delle sezioni di macchine automatizzate che funzionano a corrente alternata (che in alcuni casi può richiedere l'isolamento di interi impianti automatizzati mentre si lavora), PoE è plug-and-play. Questo significa che qualsiasi cambiamento può avvenire mentre la rete continua a funzionare. Inoltre, è anche impiegare i dati di utilizzo dei dispositivi per controllare l'alimentazione a dispositivi specifici. Questa capacità di accendere e spegnere l'alimentazione di un dispositivo può ridurre significativamente il consumo energetico.

Consideriamo un'applicazione PoE: gli impianti di illuminazione PoE sono un'applicazione sempre più comune con un'ampia applicabilità. Si tratta di luci a LED con sensori e controlli di illuminazione che si collegano tramite cavi e switch Ethernet. Sono usati ad esempio nelle strutture di magazzino per imitare i cicli di luce diurna al fine di migliorare la salute, il benessere e la produttività dei lavoratori. L'integrazione di sensori di movimento e algoritmi predittivi eseguiti sui controller PoE permettono l'uso più efficiente della luce per risparmiare energia e ridurre i costi operativi.

Un'altra applicazione relativamente nuova per PoE sono i motori. I motori PoE integrati possono ridurre il cablaggio necessario per l'automazione discreta, poiché eliminano la necessità di cavi di retroazione dedicati tra il motore e il controller di movimento esterno. Nelle unità con un azionamento integrato nell'alloggiamento, il motore può semplicemente ricevere i comandi di controllo insieme all'alimentazione attraverso un singolo cavo Ethernet. Ciò riduce l'ingombro totale dell'installazione e semplifica il processo di installazione.

Questi motori integrati predisposti per PoE possono ricevere programmi di controllo del movimento o comandi in tempo reale attraverso la connessione dati Ethernet.

Conclusione

Power over Ethernet (PoE) è utile per i dispositivi che richiedono connessione di potenza e dati. Riduce i costi di installazione, offre comodità di progettazione ed è più sicuro e affidabile delle connessioni separate di potenza e dati. Due tipi di dispositivi usano sempre più PoE:

  • Dispositivi come le luci che tradizionalmente richiedevano solo la potenza ... oggi sono sempre più venduti come dispositivi intelligenti basati sulla trasmissione dei dati per capacità nuove e relativamente avanzate.
  • Componenti come i motori elettrici che hanno iniziato a sfruttare le maggiori capacità di PoE come un'opzione economica, sicura e comoda per la connettività di potenza e dati.

Non c'è da stupirsi che PoE sia diventato rapidamente una tecnologia di base nei beni di consumo, così come negli edifici intelligenti e nell'automazione delle macchine che sfruttano le capacità dell'Internet delle cose industriale (IIoT).

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Informazioni su questo autore

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner è un ingegnere che ha progettato segherie e dispositivi medici; ha affrontato l'incertezza nei sistemi di produzione aerospaziale e ha creato strumenti laser innovativi. Ha pubblicato in numerose riviste peer-reviewed e sintesi governative ... e ha scritto rapporti tecnici per Rolls-Royce, SAE International e Airbus. Attualmente è a capo di un progetto per sviluppare una bicicletta elettrica, i cui dettagli si trovano su betterbicycles.org. Muelaner si occupa anche degli sviluppi relativi alle tecnologie di decarbonizzazione.

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