Moderne Automatisierungsnetze: Power-over-Ethernet auf der Feldebene

Das Power-over-Ethernet-Verfahren (PoE), das in dem IEEE-Standard 802.3af normiert ist, ermöglicht die Stromversorgung von Endgeräten über die Datenleitung. Dadurch entfällt der Verkabelungsaufwand für separate Stromnetze, und die Planung des Netzwerkes wird vereinfacht und flexibel. So können an schwer zugänglichen Stellen, in denen viele Kabel stören würden, Switche und Endgeräte mit Ethernet-Schnittstellen installiert werden. Im Power-over-Ethernet­Standard werden zwei Gerätegruppen definiert, wobei die PSE-Komponenten (Power Sourcing Equipment) als Spannungsquelle fungieren, von welcher Powered Devices (PDs) über die Datenleitung mit Strom versorgt werden. Hierzu verfügen Power Sourcing Equipments über einen Prüfmechanismus, der nicht-kompatible Geräte bei Anschluss vor Beschädigung schützt. Somit können nur Geräte, die über ein auf dem Power-over-Ethernet-Standard basierendes Authentifizierungs-Merkmal verfügen, Strom über die Datenleitung erhalten. Hat das Power Sourcing Equipment ein Powered Device erkannt, beginnt es mit der Klassifikation, das heißt mit der Feststellung des Leistungsbedarfs des angeschlossenen Gerätes. Dafür legt das Power Sourcing Equipment eine definierte Spannung an das Power Interface (PI) des Powered Devices an und misst den resultierenden Strom. Anhand der Stromhöhe wird es einer Leistungsklasse zugeordnet. Danach wird die gesamte Spannung auf das Power Interface geschaltet. Die Leistung der Spannungsversorgung auf der PSE-Seite (Tabelle 1) ist in fünf verschiedene Klassen eingeteilt. Aufgrund der Leitungsverluste steht am Powered Device nicht mehr die komplette Spannung zur Verfügung. Energie via Datenleitung Beim Einsatz von Power-over-Ethernet wird zwischen Midspan- und Endspan-Versorgung unterschieden. Ein Midspan-Modul ist ein Gerät, das in ein schon bestehendes Netzwerk integriert werden kann, um Energie auf den Datenleitungen zur Verfügung zu stellen. Somit lässt sich ein Powered Device in ein Netzwerk ohne PoE-Technologie einbinden. Bei einem Endspan-Modul ist das Power Sourcing Equipment in den Switch integriert. Der Switch kann also Power-over-Ethernet an seinen Ethernet-Ports zur Verfügung stellen, weshalb kein Midspan-Modul oder eine andere externe Spannungsversorgung erforderlich ist. Für die Einspeisung des Stroms in die Datenleitung gibt es zwei Varianten: Bei der Phantomspeisung wird die Spannung auf die Adernpaare 1/2(-) und 3/6(+) eingekoppelt. Diese Methode kann sowohl bei Netzwerken mit vieradriger als auch mit achtadriger Verkabelung eingesetzt werden. Bei der Spare-Pair-Speisung wird die Spannung direkt auf die freien Adernpaare 4/5(+) und 7/8(-) gegeben. Diese Methode ist nur bei einer achtadrigen Verkabelung möglich. Eine Ausnahme bildet Gigabit-Ethernet, da hier alle acht Adern zur Signalübertragung verwendet werden und keine Spare-Pairs zur Verfügung stehen. Durch den zunehmenden Einsatz von Protokollen wie Modbus/TCP, Ethernet/IP, Profinet und High Speed Ethernet (HSE), die auf Ethernet aufsetzen, gewinnt die dezentrale Architektur mit Ethernet-E/A-Komponenten immer größere Bedeutung. Damit stößt dieses Protokoll in Bereiche vor, die bisher eine Domäne der Feldbusse waren und wo hohe Anforderungen an die Netzwerkgeräte bezüglich Temperaturbereich, Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie an die Schutzart – mindestens IP67 nach IEC60529 – gestellt werden. Feldtaugliche PoE-Geräte Auch im Feldeinsatz werden in Zukunft die Vorteile einer PoE-Versorgung wichtiger. Bereits heute stehen entsprechende Netzwerkgeräte zur Verfügung. Beispielsweise der IP67-Switch Octopus PoE hat acht M12-Ports für Phantomspeisung. Die M12-Anschlusstechnik wird bereits seit Jahrzehnten in industriellen Applikationen verwendet. Sie dient dabei als Standardverbindung für Sensoren und für verschiedene Feldbusse. Aufgrund der Ausfallsicherheit hat der kompakte M12-Steckverbinder in industriellen Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit, wie etwa in der Automobilindustrie, Maßstäbe gesetzt. Die Kompatibilität zwischen den verschiedenen Steckverbindertypen ist durch die Normierung des Steckbildes im Standard IEC60947-5-2 sichergestellt. Im Gegensatz zu den gekapselten, zueinander nicht kompatiblen RJ45-Steckverbindern ist es bei den M12-Steckern gelungen, eine für IP67-Anwendungen einheitliche Lösung zu spezifizieren. Noch beschränken sich die Anwendungen von Power-over-Ethernet im industriellen Umfeld hauptsächlich auf Endgeräte, die nur wenig Leistung verbrauchen. Hierzu gehören etwa IP-Kameras oder drahtlose Übertragungsgeräte wie W-LAN- bzw. Bluetooth-Access-Points. Power-over-Ethernet kann auch als redundante Spannungsversorgung für Switche genutzt werden, um die Ausfallsicherheit eines Netzwerkes zu verbessern. Automatisierungskomponenten wie Aktoren und Sensoren werden bisher kaum damit versorgt. Neue Anwendungsgebiete Es sind bereits erste Sensoren mit Ethernet-Schnittstelle auf dem Markt erhältlich. Deshalb ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis die Hersteller auch die Stromversorgung über das Datenkabel integrieren. Der Vorteil liegt weniger in der Einsparung eines Netzteils als vielmehr bei dem geringeren Verkabelungsaufwand. Darüber hinaus ist man unabhängig von Steckdosen oder Schaltschränken. Eine weitere Möglichkeit für den Einsatz von Power-over-Ethernet in der Feldebene ist die Versorgung von Aktoren. Dazu muss zunächst der IEEE802.3at-Standard (PoE Plus) verabschiedet werden. Durch die darin vorgesehene Erhöhung der Leistung auf voraussichtlich 24W pro Port – heute maximal 12,95W – stünde genug Energie bereit, um Geräte wie kleine Motoren, PAN-Tilt-Kameras oder HMIs über das Datenkabel mit Strom zu versorgen. Im Industriebereich werden vorwiegend linienförmige Netzwerke eingesetzt. Der aktuelle PoE-Standard beschreibt jedoch nur eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Um Power­over-Ethernet auch in Linien-Topologien verwenden zu können, ist es erforderlich, ein Powered Device mit einem Power Sourcing Equipment zu vereinen. Somit wäre es möglich, einen Switch via Power-over-Ethernet über einen Port mit Energie zu versorgen und über einen anderen Port einen weiteren Switch. Damit eine solche Hybrid-Technologie funktionieren kann, müsste die Leistungsaufnahme reduziert werden. Außerdem müssten die Verluste auf den Datenkabeln, die momentan beim IEEE802.3af-Standard und der Verwendung eines CAT5/5e-Kabels bei ca. 2,45W auf 100m liegen, reduziert werden. Das lässt sich nur bewerkstelligen, indem die elektrischen Eigenschaften der Kabel verbessert und die Versorgungsspannung erhöht werden. Der aktuelle IEEE-Standard sieht vor, dass ein Power Sourcing Equipment nur den Energiebedarf des angeschlossenen Gerätes erkennt. Das reicht für eine Linienspeisung nicht aus: Ein intelligentes Powermanagement muss die Energieverwaltung der einzelnen Switche übernehmen. Weitere Entwicklungen Viele Endgeräte benötigen auf der Feldebene eine höhere Spannungsversorgung als die zurzeit für Power-over-Ethernet normierten 12,95W. Hier wird der neue IEEE-Standard 802.3at, der eine Leistung von bis zu 24W pro Endgerät vorsieht, Abhilfe schaffen. Der IEEE802.3at-Standard ist mittlerweile abgesegnet und steht kurz vor der Veröffentlichung. Zusätzlich ist zu erwarten, dass zukünftig vermehrt Automatisierungskomponenten wie intelligente Sensoren, Remote I/Os oder Steuerungen als PDs angeboten werden, um die Vorteile von PoE zu nutzen. Und es müssen die Voraussetzungen geschaffen werden, um Power-over-Ethernet auch in Netzwerken mit Linien-Topologie einsetzen zu können. Dann wird dieses Verfahren dazu beitragen, dass Industrial Ethernet in noch weitere Bereiche der Automatisierung vordringt.