Power over Ethernet (PoE) באוטומציה תעשייתית

מערכות חיבוריות Power Over Ethernet‏ (PoE‏) מוגדרות על ידי תקן IEEE 802.3 ומעניקות דרך נוחה לספק הן נתונים והן הספק חשמלי לתוך רכיבי מכונות באמצעות כבל Ethernet‏ הכול-באחד יחידי. קראו את המאמר של Digi-Key משנת 2013 מבוא ל- Power-over-Ethernet לקבלת רקע על המבנה של PoE‏.

כיום ישנם שלושה תת-סיווגים סטנדרטיים עבור PoE:

• PoE חלופה B משתמשת בחוטים נפרדים כדי להעביר נתונים והספקת-כוח. ספציפית יותר, תת-סיווג PoE זה מגדיר את השימוש בכבל Ethernet‏ Cat-5 עם ארבעה זוגות מפותלים – שני זוגות הנושאים נתונים ושני זוגות הנושאים הספקת-כוח. הסדרי PoE חלופה B יכולים לפיכך לתמוך רק בקצב נתונים של עד Mbps‏ 100‏ (100BASE-TX) – למרות שמשתמשים בכבלים המדורגים עבור Gigabit Ethernet‏.
• חלופה A מוגבלת גם היא לקצב נתונים של Mbps‏ 100‏ אך היא משתמשת באותם שני זוגות כדי לשאת הן נתונים והן הספקת-כוח. המשמעות היא שהסידורים של חלופה A‏ של PoE‏ תואמים לכבל Ethernet‏ עם שני זוגות מפותלים כמו גם לכבלי Cat-5‏ עם ארבעה-זוגות מפותלים.
• 4PPoE‏ משתמש בכל ארבעת הזוגות המפותלים כדי להעביר הספקת-כוח ולכן יכול לספק זרמים גבוהים יותר. הזוגות המפותלים נושאים גם נתונים בקצב הנתונים הגבוה ביותר של Gigabit Ethernet ומעבר לכך.

שלושת הסטנדרטים העיקריים הללו מכונים לעתים פשוט אופן A, אופן B וארבעה-זוגות PoE. ישנן תצורות פינים שונות עבור כל אחד מהאופנים. עם זאת, לא משנה מה הגרסה, כל התקן מוזן (PD) חייב להיות מסוגל להתאים לחיבורים של אופן A ואופן B גם יחד.

בסופו של דבר, ציוד מקור הספקת-הכוח (הנקרא לעיתים בקיצור PSE) של מערכת PoE הוא שיקבע באיזה אופן משתמשים, והוא עשוי לתמוך באופן אחד או במספר אופנים. התקן PD יכול להצביע על תאימותו ל- PoE באמצעות ההתנגדות בין הזוגות המוזנים. התנגדות קבועה של kΩ‏ 25‏ מציינת תאימות כללית לתקנים, בעוד שניתן להשתמש בהתנגדות משתנה לבקשת אופן הספקת-כוח ספציפי.

איתות דיפרנציאלי ויכולות הספקת-כוח נתמכות

כבל Ethernet‏ מעביר נתונים על זוגות מפותלים באמצעות איתות דיפרנציאלי. המשמעות היא שכל חוט בזוג המפותל נושא את אותו מידע כך שהתקן קולט-אותות יכול למדוד את הפרש המתחים בין השניים. סידורים כאלה הם הרבה יותר אמינים לעומת תכנים שפשוט עוקבים אחר המתח על חוט יחיד ביחס להארקה, מכיוון שאלה מאפשרים גילוי ודחייה של כל הפרעה אלקטרומגנטית (EMI) המשפיעה על הכבל. השימוש ב- PoE בזוגות מפותלים משמעותו היא גם שניתן להגדיל את המתח בזוג החוטים להעברת הספקת-הכוח מבלי להשפיע לרעה על אותות הנתונים הנישאים גם הם על ידי הכבל.

עם התפתחות תקני ה- PoE, גדל ההספק שניתן להעביר. אלה מיוצגים על ידי ארבעה דורות של PoE או סוגים:

• ה- PoE‏ Type-1‏ המקורי תומך בהספק של עד 13 וואט עם תחום מתחים של 37 עד 57 וולט. זה בדרך כלל מספיק עבור התקנים כמו נקודות גישה לאלחוט ופאנלי גישה לדלתות.
• Type 2‏ או +PoE‏ תומך בהספק של עד 25 וואט עם תחום מתחים של 42 עד 57 וולט. ברמת הספק זו ניתן לתמוך גם בהתקנים כמו מצלמות אבטחה, קוראי RFID ומערכות אזעקה.
• Type 3 תומך בהספק של עד 51 וואט, עם תחום מתחים של 42 עד 57 וולט. זה מספיק להזנת מחשבים ניידים ופאנלי בקרה.
• Type 4‏ תומך בהספק של עד 71 וואט עם תחום מתחים של 41 עד 57 וולט. זה שימושי במיוחד עבור הזנת תאורת LED‏, ומאפשר תאורה חכמה ללא ספק כוח.

עבור Type-1‏ התנגדות הכבל המקסימלית היא Ω‏ 20 אך הזרמים הגבוהים יותר של הדורות המאוחרים מגבילים זאת ל- Ω‏ 12.5‏.

רכיבי רשת נפוצים בהתקנות PoE‏

ההתקנים המשמשים לבניית רשתות PoE כוללים:

• מתגי PoE, שהם מתגי רשת המספקים PoE ביציאות שלהם. הם אבני הבניין הבסיסיות של רשתות PoE מורחבות – בדרך כלל פועלות כ- PSE ברוב הרשתות.
• מזרקי PoE מוסיפים הספקת-כוח לכבל Ethernet‏ שאינו מוזן. ניתן לשלב אותם בתוך תכנים כדי להוסיף הספקת-כוח לרשתות שאינן PoE. לדוגמא, מערכת בה מתג רשת שאינו PoE מחבר התקן לרשת. אם המטרה היא להזין את ההתקן באמצעות כבל ה- Ethernet‏ שלו, המתקין יחבר את הכבל ממתג הרשת לתוך מזרק PoE ואז יעביר כבל שני מהמזרק להתקן. מזרק PoE דורש ספק-כוח משלו.
• מפצלי PoE מפרידים בין הספקת-הכוח לבין הנתונים מכבל PoE, ומאפשרים להזין התקן תואם שאינו PoE‏ באמצעות כניסה נפרדת. ניתן לחשוב על מפצל כמו מזרק לאחור.

• רכזות PoE הן למעשה גיבוב של מזרקים. מספר כבלים ללא הספקת-כוח נתקעים לתוך צד אחד ואז הכבלים הנתקעים בצד השני הופכים להיות עם הספקת-כוח.
• מאריכי PoE מאפשרים לרשתות Ethernet‏ לפעול מעבר לטווח הרגיל של 100 מטר.

יישומי PoE ‏ לדוגמה

 

היכולת לספק כוח כמו גם להעביר נתונים באמצעות כבל יחיד היא הכרחית עבור יישומים רבים, מכיוון שהיא מפשטת ומפחיתה את העלות של פונקציות אוטומטיות. למעשה, PoE הוא שימושי במיוחד במקומות שבהם אין ספק-כוח זמין. יתרה מכך, בגלל המתחים הנמוכים המעורבים, התקנת כבל PoE אינה דורשת חשמלאי. זה יכול להביא לחיסכון משמעותי בעלויות אם האלטרנטיבה תהיה התקנת שקעי חשמל נוספים. יתכן וניתן יהיה להשתמש גם בכבלי רשת או טלפון קיימים עבור PoE.

מכיוון שהמתחים נמוכים, המערכת בטוחה יותר. המשמעות היא גם כי אין צורך תעלות ובמארזי הארקה … שבתורם מפחיתים עוד יותר את עלות ההתקנה. המתחים המקסימליים נותרים בגבולות בטוחים, וה- PSE שולח זרם בדיקה ב- 10 וולט לפני העברת ההספק המלא. המתח המלא מופעל רק אם מתגלה התנגדות של Ω‏ 25‏ על ה- PD. זה מונע פגיעה בהתקנים המחוברים.

כאשר נדרשים שינויים, קל יחסית להחליף התקנים המחוברים ל- Ethernet ולהחליף כבלים. זה דורש שטכנאי פשוט יחבר את כבלי ההתקנים החדשים לתוך מתגי הרשת. בניגוד לחלקי מכונה אוטומטיים הפועלים מהספקת-כוח AC‏ (אשר במקרים מסוימים יכולה לדרוש בידוד של רצפות אוטומטיות שלמות בזמן ביצוע העבודה), PoE הוא מסוג של הכנס-והפעל. המשמעות היא שניתן לבצע שינויים בזמן שהרשת ממשיכה לפעול. קל גם להשתמש בנתוני השימוש של ההתקנים כדי לבקר את ההספק לתוך התקנים ספציפיים. יכולת זו להפעיל או לכבות לסירוגין את הספקת-הכוח לתוך התקן יכולה להפחית משמעותית את צריכת ההספק.

קחו לדוגמה יישום PoE אחד: מערכות תאורה PoE הן יישום נפוץ יותר ויותר עם יישומיות נרחבת. הם כוללים נורות LED עם חיישנים ובקרות תאורה המתחברות באמצעות כבלי ומתגי Ethernet‏. שימוש אחד הוא במתקני מחסנים לחיקוי מחזורי אור יום טבעיים לשיפור הבריאות, הנוחות והפרודוקטיביות של העובדים. שילוב של חיישני תנועה ואלגוריתמים פרדיקטיביים הפועלים על בקרי PoE מאפשר שימוש יעיל ביותר באור כדי לחסוך באנרגיה ולקצץ בעלויות התפעול.

יישום חדש יחסית אחר עבור PoE הוא מנועים. מנועי PoE משולבים יכולים להפחית את כמות הכבלים הדרושים עבור אוטומציה בדידה, מכיוון שהם חוסכים את הדרישה עבור כבלי משוב ייעודיים בין המנוע לבין בקר תנועה חיצוני. ביחידות עם דוחף המשולב בבית המנוע, המנוע יכול פשוט לקבל פקודות בקרה ביחד עם הספקת-הכוח באמצעות כבל Ethernet‏ יחיד. זה מקטין את חתימת-השטח הכוללת של ההתקנה תוך פישוט תהליך ההתקנה.

מנועים מוכני-PoE משולבים כאלו יכולים לקבל תוכניות בקרת תנועה או פקודות בזמן-אמת על גבי חיבור הנתונים של ה- Ethernet.

סיכום

(Power over Ethernet (PoE הוא שימושי עבור התקנים הדורשים חיבורי הספקת-כוח ונתונים גם יחד. הוא מקטין את עלויות ההתקנה, מספק נוחות תכנון, והוא בטוח ואמין יותר מחיבורי הספקת-כוח ונתונים מופרדים. ישנם שני סוגים של התקנים המשתמשים יותר ויותר ב- PoE:

• התקנים כגון נורות שבאופן מסורתי דרשו רק הספקת-כוח … אך נמכרים יותר ויותר כהתקנים חכמים המסתמכים על העברת נתונים לצורך יכולות חדשות ומתקדמות יחסית.
• רכיבים כמו מנועים חשמליים שהחלו למנף את היכולות המשופרות של PoE כאופציה חסכונית, בטוחה ונוחה עבור הספקת-כוח וחיבוריות נתונים גם יחד.

אין פלא ש- PoE הפך במהירות לטכנולוגיית ליבה במוצרים לצרכנים כמו גם לבניינים חכמים ואוטומציה של מכונות המשתמשים ביכולות האינטרנט התעשייתי (IIoT).

 

---