Vereenvoudiging van industriële Ethernet-netwerken met Smart PoE-schakelaars

Het meest gebruikte bekabelde netwerkprotocol in Industrial Internet of Things (IIoT)-toepassingen is Ethernet. Hierdoor zijn ethernetkabels overal in elke industriële automatiseringsfaciliteit te vinden. Omdat er ook overal waar Ethernet is geïnstalleerd elektrische stroom beschikbaar moet zijn, zijn er ook bijna overal Ethernet-kabels te vinden - meestal in dezelfde kabelbundels.

Power over Ethernet (PoE) is ontstaan om de industriële automatisering sterk te vereenvoudigen. Door het overbrengen van elektrische stroom via dezelfde kabel als Ethernet-connectiviteit hoeft er minder bekabeling te worden aangelegd over de faciliteit, waardoor het gemakkelijker wordt om een productielocatie op te zetten of te herconfigureren.

Dit artikel bespreekt hoe slimme industriële Ethernet-schakelaars die PoE ondersteunen een fabriekslay-out kunnen vereenvoudigen en tegelijkertijd de kosten kunnen verlagen. Vervolgens worden twee DIN-rail ethernetschakelaars van Henrich Electronics geïntroduceerd die zowel netwerkconnectiviteit als voeding kunnen leveren via dezelfde ethernetkabel.

Vereenvoudiging van de industriële automatiseringskabel layout

Veel industriële automatiseringsinstallaties zijn zo ontworpen dat ze gemakkelijk opnieuw kunnen worden geconfigureerd. Zo kan het nodig zijn een assemblagelijn in een productiebedrijf af te breken en op te zetten om een ander product te vervaardigen. De combinatie van Ethernet met PoE verhoogt de modulariteit van een fabrieksvloer door sommige apparatuur bijna in het stopcontact te steken en af te spelen - het in het stopcontact steken van de Ethernet-kabel zorgt voor zowel de netwerkverbinding als de stroomvoorziening. Dit vereenvoudigt de fabrieksopstelling, waardoor de kabels gemakkelijker naar de apparatuur kunnen worden geleid.

Dit bespaart ook tijd bij het ontwerp van de installatie, terwijl de kosten van extra bekabeling en de benodigde mankracht voor het leggen van de kabel worden bespaard. Bovendien zorgt PoE door het leveren van één centrale voedingsbron voor elk PoE-eindpunt - of Powered Device (PD) - op het netwerk, voor één enkel onderhoudspunt. Een PoE-geschikte schakelaar of hub kan veilig tot 90 watt (W) vermogen leveren voor elke PD, waardoor PoE geschikt is voor camera's, compacte bedieningspanelen en sommige fabrieksapparatuur zoals kleppen of deuren.

PoE maakt ook ruimte vrij voor extra bedrading. De meeste kabelbundels in industriële installaties zijn beperkt tot ongeveer 24 kabels in totaal vanwege warmtekwesties. Kabels in dezelfde bundel worden meestal bij elkaar gehouden met behulp van zware kabelbinders die de kabels stevig naast elkaar houden. Als gevolg daarvan delen alle kabels in de bundel en vangen ze warmte op, waardoor de temperatuur van de hele kabelbundel stijgt, de zogenaamde "temperatuurstijging". Omdat de weerstand toeneemt met de temperatuur, neemt het vermogen en het signaalverlies door warmte toe, waardoor het vermogensrendement van elke kabel in de bundel afneemt. PoE elimineert veel van de stroomkabels die in de industriële automatisering worden gebruikt, waardoor het aantal kabels in een bundel afneemt, waardoor de warmte wordt verminderd en signaalafname in getwiste ethernetparen wordt voorkomen. Dit verbetert ook de efficiëntie voor het transport van de apparatuur.

Er zijn momenteel drie standaarden voor het leveren van PoE via standaard Cat5e Ethernet-bekabeling: 802.3af kan tot 15,4 W gelijkstroom leveren van de stroombronnen naar elke PD; 802.3at (PoE +) levert tot 25,5 W vermogen; en de nieuwste standaard, 802.3bt (PoE ++), kan tot 60 W vermogen leveren via standaard Cat5e Ethernet-bekabeling. 802.3bt kan ook tot 90 W vermogen ondersteunen met Cat6- of Cat6a-bekabeling, die stroom over een dikkere draad voert. Elk van de normen is achterwaarts compatibel.

Toevoegen van Ethernet en PoE aan een nieuwe industriële automatiseringsfaciliteit

De eenvoudigste manier om PoE toe te voegen bij het bouwen van een nieuw netwerk is om ethernet-schakelaars te integreren die PoE ondersteunen. Een eenvoudige oplossing is het gebruik van de Henrich Electronics HES5A-4E60-VL DIN-rail vijfpoorts onbeheerde PoE-ethernet-switch (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De Henrich Electronics HES5A-4E60 Ethernet-schakelaar biedt vijf Ethernet-poorten, waarvan er vier 802,3b PoE++ ondersteunen. (Bron afbeelding: Henrich Electronics)

De Henrich Electronics HES5A-4E60 onbeheerde Ethernet-schakelaar wordt op een standaard DIN-rail of -paneel gemonteerd. Hij is compact met slechts 92 x 116 x 67,2 millimeter (mm), waardoor hij geschikt is voor installaties met beperkte ruimte. De HES5A-4E60-VL heeft vijf ethernetpoorten op het frontpaneel. Een daarvan is een standaard 10/100Base-T-poort en vier zijn Ethernet PoE++-poorten die elke PD tot 60 W kunnen leveren. Met behulp van Cat6/a-bekabeling kan de HES5A-4E60-VL tot 90 W leveren. Hij heeft een IP40-classificatie en kan werken bij -40 °C tot +60 °C, waardoor hij geschikt is voor de meeste industriële automatiseringsinstallaties.

De HES5A-4E60-VL is ook achterwaarts compatibel met de vorige PoE-standaarden van 802.3af, die 15,4 W per eindpunt ondersteunt, en 802.3at, die 25,5 W per eindpunt ondersteunt.

Wanneer een kabel wordt aangesloten op een van de vier PoE++ Ethernet-poorten, start de HES5A-4E60-VL een kort PoE-handshakingprotocol met de PD. Deze handshake bepaalt of het eindpunt PoE-vermogen nodig heeft, en zo ja, hoeveel vermogen het eindpunt vraagt. Hierdoor kan de PoE-schakelaar de gevraagde stroom veilig en efficiënt op het Ethernet-eindpunt toepassen en de stroom van de PD veilig loskoppelen als de Ethernet-kabel wordt losgekoppeld of als het eindpunt niet meer reageert. Als een PD op de juiste manier wordt gevoed, brandt er een LED-indicator voor die PoE-poort op de schakelaar om aan te geven dat de poort stroom ontvangt. Dit helpt ook bij de diagnose van eventuele stroomproblemen. Als bijvoorbeeld een PD niet werkt en het bijbehorende PoE-lampje uit is, kan dit wijzen op een beschadigde of losgekoppelde kabel, of mogelijkerwijs op het feit dat het eindpunt de PoE-handshake niet goed afmaakt.

De HES5A-4E60-VL is een onbeheerde schakelaar, wat betekent dat hij plug and play is. Zodra een ethernetkabel op een van de vijf poorten is aangesloten, vraagt de schakelaar het ethernet-MAC-adres van het eindpunt op. De HES5A-4E60-VL heeft een 1.024 entry MAC-tabel voor het opslaan van bekende MAC-items op IP-adressen. Als het MAC niet in de MAC-tabel staat, krijgt het een nieuw IP-adres toegewezen. Als het MAC-adres in de tabel wordt gevonden, wordt het IP-adres uit de invoer in de MAC-tabel gelezen en aan het eindpunt toegewezen. De schakelaar hoeft niet te worden geconfigureerd of beheerd.

Voor meer geavanceerde industriële automatiseringsnetwerken biedt Henrich Electronics de HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN-rail zespoortsmanagementschakelaar PoE+ Ethernet (Afbeelding 2). Deze Ethernet-schakelaar met IP30-classificatie heeft een bedrijfstemperatuur van -40 °C tot +75 °C, waardoor hij geschikt is voor droge, stofvrije industriële omgevingen die te onherbergzaam kunnen zijn voor langdurige blootstelling van de mens.

Het heeft een 4.096 entry MAC-tabel en ondersteunt 10/100/1000Base-T, waardoor het compatibel is met de nieuwste gigabit Ethernet-norm. Het ondersteunt tot 30 W vermogen voor elke PD.

Afbeelding 2: De Henrich Electronics HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN-rail ethernetswitch heeft zes ethernetpoorten, waarvan er vier PoE+ ondersteunen. De switch kan worden geconfigureerd door een webbrowser om alarmen en waarschuwingen in te stellen voor verschillende bewerkingen. (Beeldbron: Henrich Electronics)

De HES6GM-4E serie kan op een DIN-rail of paneel worden gemonteerd. Het is een managed switch, wat betekent dat het volledig plug and play kan zijn zoals de HES5A-4E60, of het kan ook worden geconfigureerd met behulp van een webbrowser vanaf een PC die is aangesloten op een van de Ethernet-poorten. De beveiliging maakt het mogelijk om tot tien IP-adressen toestemming te geven voor toegang tot de webbrowserinterface. Andere kenmerken van de webbrowserconfiguratie-interface zijn automatische e-mailwaarschuwingen voor beveiligingsproblemen, het instellen van Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)-parameters, havengebaseerde verkeerscontrole, en het beperken van, het doorsturen van poorten en de toegang tot het systeemlogboek. De browserinterface kan ook toegang krijgen tot de 4.096 items in de MAC-tabel om de items te bekijken, te bewerken of te verwijderen.

Bekabeling voor ruwe industriële omgevingen

Industriële omgevingen kunnen extreme temperaturen zien en worden blootgesteld aan vloeistoffen, variërend van zout water tot olie en benzine, die onbeschermde oppervlakken kunnen aantasten. Bij bekabeling kan voortdurend fysiek misbruik, zoals het uitrekken van scherpe hoeken of overrijden door vrachtwagens, de afscherming van de kabels aantasten of beschadigen, of in extreme gevallen de elektrische geleiders die gegevens en stroom dragen, kapotmaken. Dit vereist een zware industriële krachtkabel die gebouwd is om industrieel misbruik te weerstaan. Ook, om zowel het signaal als de stroomtoevoer aan te kunnen, heeft PoE hoge kwaliteitskabels nodig. Er zijn vier gedraaide paren nodig om gegevens en vermogen te leveren. Draadmeter mag niet kleiner zijn dan 24 AWG om de warmteontwikkeling te minimaliseren met voldoende efficiëntie om 60 W vermogen per kabel te leveren.

Voor de ruwste omgevingen heeft Samtec Inc. de RCE-01-G-13.00-D Cat5e Ethernet-kabelsamenstelling geïntroduceerd (afbeelding 3). Deze 13 meter lange kabel bevat vier gedraaide paren - twee paren voor data en twee paren voor PoE-vermogen.

Figuur 3: De Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D is een Cat5e-kabelassemblage met een IP68-classificatie. Zowel de kabel als de RJ45-connectoren zijn bestand tegen de zwaarste industriële omgevingen. (Beeldbron: Samtec Inc.)

Elke mannelijke RJ45-connector heeft een ruimtebesparend rechthoekig ontwerp en is afgedicht tegen stof en vloeistoffen. De connectoren maken gebruik van een push-to-seal vergrendelmechanisme dat een duidelijke hoorbare klik creëert wanneer ze op de juiste manier worden geplaatst. De grendels zijn zo ontworpen dat ze gemakkelijk en met minimale inspanning kunnen worden verwijderd.

De RCE-01-G-13.00-D Cat5e kabel maakt gebruik van 24 AWG geleiders waardoor deze geschikt is voor 802.3af en 802.3at stroomvoorziening.

Conclusie

PoE is gemakkelijker te gebruiken geworden met de introductie van Ethernet-switches die de stroom aankunnen. Het selecteren van de juiste PoE Ethernet-switch voor een industriële automatiseringstoepassing kan tijd en kosten besparen, terwijl het tegelijkertijd een veilige en efficiënte stroomvoorziening en betrouwbare netwerkverbindingen op dezelfde kabel biedt.