04.06.2013

Power-over-Ethernet-Switch für die raue Industrieumgebung

Geringere Installationskosten beim Ausbau von Ethernet

Der Power-over-Ethernet(PoE)-Standard wird auch in den industriellen Bereichen immer häufiger eingesetzt. Denn die Technologie stellt über ein Kabel sowohl die Versorgung als auch die Datenanbindung zur Verfügung, was die Installationskosten einer auf Ethernet-Kommunikation basierenden Maschine oder Anlage senkt. Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact sein Netzwerktechnik-Portfolio um einen Unmanaged Switch auf Basis der PoE-Technologie erweitert.

Autor: Larry Komarek, Phoenix Contact Inc..


Der FL Switch 1001T-4POE bietet insgesamt fünf Ports über RJ45-Anschlüsse, die eine Übertragungsrate von 10/100MBit/s unterstützen. Vier der Ports arbeiten gemäß dem aktuellen PoE-Standard mit erhöhter Leistungsabgabe nach IEEE802.3at. Beim fünften Port handelt es sich um einen Standard-Ethernet-Anschluss, der zum Datenaustausch mit dem restlichen Netzwerk oder zur Ankopplung zusätzlicher Feldgeräte ohne PoE genutzt werden kann. Der FL Switch 1001T-4POE eröffnet den Anwendern verschiedene Vorteile. So wird eine Verringerung der Installationskosten des Gesamtnetzwerks erreicht, weil das Endgerät mit PoE bereits über das Ethernet-Kabel mit Energie versorgt wird. Somit entfällt das Netzanschlusskabel und es werden weniger Anschlussdosen benötigt. Durch die Integration der PoE-Technologie in den Switch kann zudem auf die Anschaffung und Installation von PoE-Injektoren verzichtet werden. Da der FL Switch 1001T-4POE eine Unmanaged-Variante ist, sind keine Einstellungen oder eine IP-Adresse erforderlich. Der Anwender schließt das Gerät einfach an und nimmt es in Betrieb.

Für Neuinstallationen und zur Nachrüstung geeignet

Ein weiterer Nutzen ergibt sich aus der großen Auswahl an mit PoE versorgten Feldgeräten. Der Switch beliefert hier jeden der vier via PoE angeschlossenen Teilnehmer mit bis zu 34W. Dieser Wert ist doppelt so hoch wie beim früheren IEEE-PoE-Standard. Daher lässt sich der FL Switch 1001T-4POE auch zur Anbindung von Feldgeräten verwenden, die die erhöhte Leistungsabgabe des neuen PoE-Standards nutzen. Die Netzwerktechnik-Komponente eignet sich darüber hinaus sowohl für Neuinstallationen als auch zur Nachrüstung bestehender Anwendungen. Die PoE-Ports versorgen die PoE-Endgeräte dazu mit 55VDC. Ein Eingangsspannungsbereich von 18 bis 57VDC zum Switch erlaubt den Betrieb mit herkömmlichen 24VDC-Netzteilen bei Neuinstallationen wie auch mit 48VDC-Stromversorgungen, die normalerweise bei vorhandenen PoE-Applikationen zum Einsatz kommen. Der FL Switch 1001T-4POE zeichnet sich ferner durch eine hohe elektrische Störfestigkeit gemäß IEC61000-4, einen weiten Temperaturbereich von -40 bis 75°C sowie eine Schockbeständigkeit bis 30g und Resistenz gegen Vibrationen bis 5g aus. Deshalb kann er selbst in Anschlusskästen verbaut werden, die in extrem rauer industrieller Umgebung montiert sind. Wird der Unmanaged Switch über redundante Netzteile versorgt, erhöht sich die Verfügbarkeit der Anwendung. Sollte ein Netzteil ausfallen, schließt sich das Störmelderelais automatisch. Wegen der genannten Vorteile bietet sich die PoE-Technologie zum Anschluss von Sicherheitskameras oder drahtlosen Access Points an. In letzter Zeit hat sich der Verwendungsbereich um Barcode- oder ID-Lesegeräte sowie maschinelle Inspektionskameras erweitert. Dabei unterstützt PoE die Nutzung dezentraler Feldgeräte und reduziert gleichzeitig die Anzahl der Anschlusskästen, respektive Netzanschlüsse sowie der separaten Netzkabel und -anschlüsse. PoE eignet sich außerdem zur unternehmensinternen Kommunikation via VoIP (Voice over Internet Protocol) zwischen Betriebs- und Wartungspersonal.

Speiseleistung verdoppelt

Die Vorteile, die sich aus dem Einsatz von Industrial Ethernet als Netzwerklösung ergeben, sind bekannt. Der größte Nutzen besteht jedoch darin, dass die IEEE-Normen kontinuierlich für viele Technologiebereiche wie Funknetze, WAN oder LAN verbessert werden. Somit lassen sich die stetig steigenden Anforderungen der Industrie mit der Ethernet-Technologie erfüllen. Das gilt auch für die PoE-Technik, die Teil der IEEE-Norm 802.3 ist. Die bisherigen technischen Vorgaben aus der Version von 2003 erlaubten eine Stromzufuhr durch Power Sourcing Equipment (PSE) von 15,4W bei einer Stromstärke von maximal 350mA, was bei den als Powered Devices (PD) benannten Endgeräten einer Mindestzufuhr von 12,95W entsprach. Die Angaben für PoE basieren auf einer herkömmlichen Betriebsspannung von 50 bis 57VDC, die sich von den industriell üblichen 24VDC unterscheidet. Das bedeutet, dass die Endgeräte (PD) speziell für PoE ausgelegt werden müssen. Ist die Funktion der PoE-Stromversorgung in einen Switch integriert, wird dieser als Endpoint-Gerät bezeichnet. Wenn der PoE-Strom hinter einem Nicht-PoE-Switch und vor dem Endgerät (PD) in das Ethernet-Kabel eingespeist wird, handelt es sich bei dem Teilnehmer um ein Midspan-Gerät oder einen PoE-Injektor. 2009 trat die aktuelle Norm IEEE802.3at in Kraft. Als größter Vorteil erweist sich die Verdopplung der verfügbaren Leistung. Aufgrund der neuen PoE-plus-Leistung können Powered Devices (PD) durch Power Sourcing Equipment (PSE) mit bis zu 34,2W beliefert werden. Bei 600mA Stromstärke ergibt sich daraus ein Minimum von 24,5W bei 42,5 bis 57VDC. Die zusätzliche Leistung ermöglicht nun die Ankopplung von Geräten mit höherem Stromverbrauch über den Wireless Access Point wie Kameras mit Schwenk-, Kipp- und Zoom-Funktionen, einige Anzeigegeräte sowie intelligente Lese- und Prüfgeräte mit erweiterten Funktionen.

Stromversorgungs-Alternative B wird unterstützt

Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Powered Devices über Power Sourcing Equipment (PSE) mit Strom zu versorgen. Sie differenzieren sich lediglich darin, auf welchen Stiften des RJ45-Steckverbinders der Strom zugeführt wird. Gemäß der neuen Norm IEEE802.3at müssen Endgeräte (PD) beide Alternativen unterstützen, wohingegen die PSE kompatibel zu 10Base-T, 100Base-TX und/oder 1000Base-T sein können. Viele PSE können eine oder auch beide Alternativen anbieten, allerdings nicht zur gleichen Zeit auf dem gleichen Link. In der Praxis heißt das für Gigabit-taugliche Geräte, dass sie entweder Alternative A oder B nutzen. Bei Geräten, die für eine Datenrate von 10/100MBit/s ausgelegt sind, wird meist Alternative B verwendet, obwohl sich beide Alternativen technisch realisieren lassen:

  • • Alternative A speist den Strom über die RJ45-Pins 1, 2, 3 und 6 ein. Diese Leitungen werden für die Kommunikation mit Übertragungsraten von 10, 100 oder 1.000MBit/s genutzt. Bei einer Datenrate von 10 oder 100MBit/s erweist sich Alternative B als beliebter, da die Pins, die nicht für den Datenaustausch eingesetzt werden, als Ersatz fungieren.
  • • Alternative B speist den Strom über die RJ45-Pins 4, 5, 7 und 8 ein. Geräte mit einer Übertragungsrate von 10 oder 100MBit/s benötigen diese Pins nicht für die Kommunikation und präferieren daher Alternative B, obwohl sie technisch ebenfalls Alternative A anwenden könnten. Alternative B setzt eine achtadrige Ausführung des Ethernet-Kabels voraus, während bei Alternative A auch eine vieradrige Ausführung bei 100MBit/s möglich wäre. Bei einer Datenrate von 1.000MBit/s werden alle Pins zur Kommunikation verwendet.

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Data-Link-Layer-Klassifizierung optimiert den Strombedarf

Wie beim vorhergehenden PoE-Standard IEEE802.3af wird bei der neuen Version IEEE802.3at der Strom beim Erstanschluss nicht sofort gespeist. Vielmehr stellt das Power Sourcing Equipment (PSE) bei der ersten Verbindung mit dem Powered Device aus Sicherheits- und Effizienzgründen erst einmal fest, ob das Endgerät (PD) PoE unterstützt und bestimmt dann, wie viel Strom das PD braucht. Dazu informiert das Endgerät über die erforderliche maximale Leistungsaufnahme. Anschließend speist das PSE den Strom ein. Die IEEE802.3at definiert folgende Leistungsklassen:

  • • Klasse 0: 15,4W (voreingestellt)
  • • Klasse 1: 4,0W
  • • Klasse 2: 7,0W
  • • Klasse 3: 15,4W
  • • Klasse 4: über 15,4W.

Diese Klassen sind gemäß der alten Norm IEEE802.3af für die Endgeräte optional. Die IEEE802.3at verlangt hingegen, dass PD vom Typ 2 nur mit einer Datenverbindungs-Klassifizierung arbeiten. Endgeräte, die mehr als 12,95W verbrauchen, müssen zwei verschiedene Klassifizierungs-Methoden zulassen, wobei ein PSE möglicherweise lediglich ein Verfahren anbietet:

  • • Zwei-Event-Physical-Layer-Klassifizierung: Nach dem Verbindungsaufbau werden zwei Impulse vom PSE an das Endgerät gesendet. Das PD antwortet je nach Strombedarf mit einer Stromklasse von 1 bis 4.
  • • Data-Link-Layer-Klassifizierung: Ist die Verbindung hergestellt, schickt das PSE einen einzelnen Impuls an das PD, initiiert die Stromversorgung und kommuniziert via LLDP (Link Layer Discovery Protocol) mit dem Endgerät, um den Strombedarf zu detektieren. Dieser sollte in regelmäßigen Abständen verifiziert werden, damit das PD beispielsweise einen eventuell gesunkenen Strombedarf melden kann.

Bei Nutzung der Data-Link-Layer-Klassifizierung lässt sich der Strombedarf somit optimieren, da er in wiederkehrenden Abständen neu angefragt wird. Zu diesem Zweck muss das PSE-Gerät allerdings über die notwendige Intelligenz verfügen. Die Zwei-Event-Physical-Layer-Klassifizierung, die den Strombedarf nur einmalig bestimmt, kann dagegen mit kostengünstigeren PSE-Geräten umgesetzt werden. Wenn ein nicht-PoE-fähiger Teilnehmer über einen PoE-Port an ein PSE - beispielsweise einen PoE-tauglichen Ethernet-Switch - angeschlossen wird, findet keine Anfrage des Strombedarfs statt und es wird auch kein Strom bereitgestellt. Deshalb können nicht-PoE-fähige Endgeräte problemlos an die PoE-Ports der Switches angebunden werden, ohne dass eine Gefahr für Personen oder Geräte besteht.

Fazit

Die PoE-Technologie bietet erhebliche Einsparpotentiale bei der Installation sowie neue Möglichkeiten für industrielle Ethernet-Anwendungen. Der Unmanaged PoE-Switch von Phoenix Contact wurde daher für industrielle Applikationen optimiert. Durch die Abdeckung des aktuellen IEEE802.3at-Standards sowie den weiten Bereich zulässiger Betriebstemperaturen und Eingangsspannungen stellt er die Vorteile der PoE-Technologie für vielfältige Anwendungsbereiche zur Verfügung. n

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