Weniger ist mehr: Mehrwert gewinnen mit Power-over-Ethernet

Ethernet erobert als Industrial Ethernet alle Ebenen der industriellen Automatisierung, also von der Unternehmensleit- und Betriebsführungsebene über die Steuerungsebene bis hinunter in die Feldebene und den Bereich der Sensorik. Dabei wird primär auf den Ethernet-Standard nach IEEE802.3 gesetzt. Dieser zieht eine ganze Reihe von Spezifikationen, Protokollen bzw. Substandards nach sich, die auf diesem Wege ebenfalls Einzug in die industrielle Anwendung finden. Ein wegweisender Vertreter dieser Substandards ist Power-over-Ether­net (PoE) nach IEEE802.3af. Er definiert die Spannungsversorgung von an Ethernet angeschlossenen Endgeräten über die ohnehin vorhandene Datenleitung. Grundsätzlich gibt es zwei Verfahren zur Einspeisung der Energie und zwei Verfahren zur Übertragung der Energie zwischen dem sogenannten Power Source Equipment (PSE), mit dem eingespeist wird, und dem Power Device (PD), dem Abnehmer der Energie, in der Regel ein Endgerät. Inkompatibilitäten aufgrund der verschiedenen Verfahren sind aber nicht zu befürchten. Das jeweils geeignete Verfahren wird abhängig von der vorhandenen oder geplanten Verkabelung gewählt. Zudem lassen sich Einspeise- und Übertragungsverfahren frei kombinieren. Zwei Möglichkeiten für die Energieeinspeisung Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Energie auf die Datenleitung zu bekommen. Entweder es geschieht direkt im Ethernet-Switch, an den die mit Power-over-Ethernet zu versorgenden Geräte angeschlossen sind (Endspan-Methode). Oder es wird ein Power Source Equipment zwischen Switch und Endgerät eingeschleift (Midspan-Methode). Das ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn Power-over-Ethernet nachgerüstet werden soll. Wird auf die Endspan-Methode gesetzt, z.B. bei kompletten Neuinstallationen, sollten Anwender bei der Wahl des Power-over-Ethernet-Switches darauf achten, dass der Switch neben seiner eigenen Spannungsversorgung nicht auch noch ein separates Netzteil für Power-over-Ethernet benötigt, das den Kostenvorteil wieder zunichte macht. Ein moderner industrieller PoE-Switch generiert sowohl die 48V für Power-over-Ethernet als auch die Energie für sich selbst (z.B. 24V) aus einem Netzteil heraus. – Endspan: PoE-Switch mit integrier- tem PSE > Endgerät – Midspan: Non-PoE Switch > eingeschleiftes PSE > Endgerät Übertragung der richtigen Energiemenge Hierzu stehen zwei Übertragungsverfahren zur Verfügung. Werden nicht alle Adernpaare einer Datenleitung genutzt, z.B. bei Einsatz einer achtadrigen Leitung für 100Mbit/s (benötigt nur vier Adern), so können diese zur Energieübertragung nach dem sogenannten Spare-Pair Verfahren verwendet werden. Das ist die übliche Vorgehensweise beim Nachrüsten von Power-over-Ethernet. Stehen keine freien Adern zur Verfügung (z.B. bei 1.000Mbit/s), so werden Energie und Daten über die vier respektive acht verfügbaren Adern übertragen. Dabei wird der Gleichspannung das Datennutzsignal als Wechselspannung überlagert. Dieses Verfahren wird als Phantom Power oder Phantomspeisung bezeichnet. Für die Übertragung der richtigen \’Energiemenge\‘ ist das Power Source Equipment zuständig, das selbstständig erkennt, ob ein angeschlossenen Endgerät auch tatsächlich Power-over-Ethernet unterstützt und wieviel Energie es benötigt. Einem nach IEEE802.3af standardisierten Endgerät ist es egal, ob es über Phantomspeisung oder über das Spare-Pair-Verfahren mit Energie versorgt wird. Power-over-Ethernet in der Anwendung Zur Versorgung eines Power-over-Ethernet-Endgerätes stehen gemäß Standard 12,95W zur Verfügung – unabhängig vom Einspeise- und Übertragungsverfahren. Diese können von verschiedenen Geräten in unterschiedlichen Anwendungen genutzt werden. Im IT-Umfeld ist Power-over-Ethernet schon seit Längerem etabliert und versorgt dort in erster Linie IP-Telefone, Print-Server, IP-Kameras und Wireless LAN Access Points. Zu finden sind diese Geräte auf Schreibtischen, wo durch Power-over-Ethernet z.B. Netzkabel und Netzteile eingespart werden. Noch deutlicher werden die Vorteile an schwer zugänglichen Orten, wenn Geräte an hohen Wänden und direkt unter Raumdecken montiert werden (Bild 1). Der offensichtlichste Vorteil von Power-over-Ethernet erschließt sich hier sofort: Die Einsparung einer separaten Energieleitung und der damit verbundene Installationsaufwand bzw. die -kosten. Auch wenn IP-Telefone im industriellen Umfeld nur selten anzutreffen sind bzw. nichts direkt mit der industriellen Anwendung zu tun haben, erschließen sich für Power-over-Ethernet in diesem Bereich von Automatisierungslösungen viele Einsatzfelder. Betrachtet man z.B. die rasante Verbreitung von WLAN im industriellen Einsatz, das der Verbreitung von Ethernet quasi \’auf dem Fuße\‘ folgt, multipliziert die oft hohe Anzahl eingesetzter WLAN Access Points und Client Modules die Vorteile des quasi halbierten Verkabelungsaufwandes. Ähnliches gilt für die stetig steigenden Qualitätsanforderungen und das Bedürfnis zur Rückverfolgbarkeit von Wa­ren, Prozessen bzw. deren Überwachung. Hier zeichnet sich z.B. in der Lagerlogistik ein Trend ab: Es gilt in Hochregallagern, sämtliche Schritte per Video zu überwachen bzw. im Störfall auf gespeichertes Bildmaterial zugreifen zu können, um die Störursache zu ermitteln. Vier IP-Kameras auf einem Regalbediengerät (RBG) sind hier keine Seltenheit mehr. Allein diese beiden Anwendungsfälle – WLAN Access Points und IP-Kameras im industriellen Umfeld – zeigen, dass Power-over-Ethernet durchaus ein Thema ist (Bild 2). Dazu kommen weitere Anwendungsfälle zur Energieversorgung rein industrieller Geräte, die im IT-Umfeld gar keine Rolle spielen. So tauchen immer mehr Power-over-Ethernet-fähige Endgeräte wie Scannersysteme oder Messwerterfassungsgeräte und in na­her Zukunft sicherlich auch Sensoren auf dem Industriemarkt auf. Die Einsparpotenziale und weitere Vorteile von Power-over-Ethernet wecken darüber hinaus weitere Begehrlichkeiten für den Einsatz der integrierten Energieversorgung. So denkt man hier bereits über HMI-Systeme und kleine Motoren nach, die über Ethernet angebunden werden. Die Zukunft von Power-over-Ethernet Hier stößt man an die Grenzen dessen, was Power-over-Ethernet nach IEEE802.3af heute leisten kann. Für die zuletzt genannten Anwendungen, aber auch für neue Access Points nach IEEE802.11n (WLAN mit bis zu 300Mbit/s) oder leistungsfähige Pan-Tilt-Zoom-Kameras (schwenken, neigen, zoomen) ist meist die zur Verfügung stehende Leistung von 12,95W nicht mehr ausreichend. Abhilfe wird hier der kürzlich verabschiedete Standard PoE+ nach IEEE802.3at schaffen. Er bietet mit 24W mehr Leistung bei grundsätzlich gleichbleibenden Einspeise- sowie Übertragungsverfahren und wird somit viele weitere Anwendungen bei der Energieversorgung unterstützen. Was bringt Power-over- Ethernet unter´m Strich? Die Anwendungsfälle zur Spannungsversorgung mittels Power-over-Ethernet über die Datenleitung wurden bereits genannt. Nachfolgend finden sich die Vorteile, die daraus resultieren und der Mehrwert, der durch Power-over-Ethernet-Versorgung generiert werden kann. Vorteile bei Installation und Betrieb von Ethernet-Netzwerken: – Einsparung von aufwendigen Dop- pelverkabelungen; Daten und Energie werden durch die Kombi- nation über eine einzige Leitung übertragen – Verzicht auf zusätzliche Netzteile für Endgeräte; spart Kosten und reduziert Fehlerquellen – Flexibilität durch Unabhängigkeit von Steckdosen und Verteilern bei der Platzierung von Endgeräten Folgender Mehrwert ergibt sich für die Anwendungen: – Einfache Fehlerlokalisierung, da zur Daten- und Energieübertragung nur ein Netzwerk notwendig ist – Nicht nur Versorgung von Endgeräten, sondern auch Steuerungsmöglichkeit: Abschalten der Energie bei Endgeräten in produktionsfreien Zeiträumen spart erheblichen Energieanteil; leichter Wiederanlauf von schlecht zugänglichen Geräten im Fehlerfall – Erhöhung der Verfügbarkeit: Wird ein Power-over-Ethernet-Switch durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) gestützt, so werden bei einem Stromausfall nicht nur Switch und Netzwerk wei- ter betrieben, sondern auch die an- geschlossenen Endgeräte Neuer Standard PoE+ erweitert Einsatzfelder Power-over-Ethernet ist ein klarer Trend in Ethernet-Netzwerken und spielt besonders im industriellen Einsatz seine Vorteile aus. Diese bestehen nicht nur aus Kosteneinsparungen über den Gesamtlebenszyklus hinweg sondern auch aus erhöhter Flexibilität und zusätzlichem Mehrwert bei Anschluss und Ansteuerung Power-over-Ethernet-fähiger Endgeräte. Die heute noch bestehenden Grenzen von Power-over-Ethernet \’sprengt\‘ der neue Standard PoE+. Die Siemens AG präsentiert das Thema Power over Ethernet auf der Hannover Messe 2010 in Halle 9 am Stand A72. www.siemens.de (Kasten) Power-over-Ethernet – Glossar Power-over-Ethernet – Glossar – PSE – Power Sourcing Equipment Einspeisung der für PoE benötigten Energie – PD – Power Device Endgerät, das die Energie bezieht – Endspan-Methode Einspeisung der Energie im PoE-Switch – Midspan-Methode Einspeisung der Energie durch ein eingeschleiftes PSE – Spare-Pair-Verfahren Energie und Daten werden über getrennte Adernpaare übertragen – Phantom-Power-Verfahren Energie und Daten werden über dieselben Adernpaare übertragen (Kasten 2) Power-over-Ethernet – Nutzbare Leistung angeschlossener Endgeräte Nach IEEE802.3af (PoE): 12,95W Nach IEEE802.3at (PoE+): 24,00W