工业自动化中的以太网供电 (PoE)

作者:Jody Muelaner

投稿人:Digi-Key 北美编辑

以太网供电 (PoE) 连接系统由 IEEE 802.3 标准定义,提供了一种以单一一体化以太网电缆同时给机器零部件提供数据和电力的方便方式 。有关 PoE 的原理和结构入门介绍,请参看 2013 年 Digi-Key 文章以太网供电介绍

如今 PoE 已经出了三个标准子类:

  • PoE 替代方案 B 使用单独的电线来传输数据和电源。具体说来,就是这个 PoE 子类规定了四对双绞线 Cat-5 以太网电缆的使用——两对用于传输数据,两对用于传输电力。因此,PoE 替代方案 B 的安排只能支持最高 100 Mbps 的数据速率 (100BASE-TX)——即使使用了额定规格达到千兆位以太网的电缆。
  • 备选方案 A 的数据速率也被限制在 100Mbps,但使用两个同样的线对进行数据传输和供电。这意味着 PoE 替代方案 A 的安排与包含两对双绞线的以太网电缆以及完整 Cat-5 四线对电缆兼容。
  • 4PPoE 使用所有四对双绞线来传输功率,因此可以提供更高的电流。这些双绞线还能以千兆位以太网及以上级网络的最高数据速率进行数据传输。

一种以太网供电 (PoE) 装置的布线变型方式示意图图 1:这是以太网供电 (PoE) 装置的一种布线变型。(图片来源:Design World

这三种主要标准通常简称为模式 A、模式 B 和四对 PoE。每种模式都可采用不同的引脚配置。但无论如何变化,任何用电设备 (PD) 都必须能够接受模式 A 和模式 B 的连接。

最终,是 PoE 系统的供电设备(有时简称 PSE)决定使用哪种模式,可能只支持一种模式,也可能支持多种模式。PD 可以通过供电线对之间的电阻来指示其与 PoE 的兼容性。固定 25-kΩ 电阻表示一般符合标准,而变化电阻可用于要求特定的供电模式。

Maxim MAX5969A/MAX5969B IC 安装在 PoE 用电设备 (PD) 组件中图片图 2:MAX5969A/MAX5969B IC 安装在 PoE 用电设备 (PD) 组件中。这款符合 IEEE 802.3af/at 标准的 IC 提供了具有检测和分类签名的 PD,以及具有浪涌电流控制的隔离电源开关。(图片来源:Maxim Integrated

差分信令和支持的功率容量

以太网电缆利用差分信令在双绞线上传输数据。这意味着双绞线中的每根线都携带相同的信息,这样信号接收设备就可以测量两根线之间的电压差。这种安排比简单地跟踪单个导线上相对于地的电压的设计要可靠得多,因为这些设计可以检测和拒绝任何影响电缆的电磁干扰 (EMI)。PoE 使用双绞线也意味着可以提高线对中电压来传输功率,而不会对电缆中携带的数据信号产生负面影响。

双线对和 Cat-5 四线对以太网电缆图片图 3 :各种 PoE 安排均采用双线对和 Cat-5 四线对以太网电缆。一个主要 PoE 好处是只需要铺设一条电缆来连接 PoE 设备。(图片来源:Getty Images)

随着 PoE 标准的发展,可以传输的功率也在增加。这些都是四代 PoE 或类型的代表特征。

  • 原有的 1 型 PoE 支持最高 13W 的功率传输,电压范围为 37 至 57 V,一般情况下足以满足无线接入点和门禁面板等设备的需求。
  • 2 型或 PoE+ 支持最高 25 W 的功率传输,电压范围为 42 至 57 V。在这种功率水平下,还可以支持安全摄像头、RFID 读取器和报警系统等设备。
  • 3 型则支持最高 51 W 的功率传输,电压范围为 42 至 57 V,这足以为笔记本电脑和控制面板供电。
  • 4 型支持最高 71 W 的功率输送,电压范围为 41 至 57 V,特别适用于为 LED 照明供电,实现无市电智能照明。

对于 1 型的最大电缆电阻是 20 Ω,但后几代的高电流将其限制在 12.5 Ω。

PoE 装置中的常见网络组件

用于构建 PoE 网络的设备包括:

  • PoE 交换机,是指在其端口上提供 PoE 的网络交换机。它们是扩展 PoE 网络的基本构件——通常在大多数网络中充当 PSE。
  • PoE 供电器,将电力添加到无电源的以太网电缆上。它们可以集成到设计中,为非 PoE 网络增加电源。例如,考虑一个系统,其中一个非 PoE 网络交换机将某个设备连接到网络。如果目标是通过其以太网电缆为该设备供电,安装人员可以将电缆从网络交换机插入 PoE 供电器,然后用第二条电缆将供电器连接到该设备。供电器需要自己的电源。
  • PoE 分路器,将电源和数据从 PoE 电缆中分开,允许非 PoE 兼容设备使用单独的输入进行供电。分路器可以视为一个反向的供电器。

Phihong USA PoE 分路器图片图 4:这款 PoE 分路器(更多信息请参见 Phihong PTM)可以在选定的 IEEE802.3 系统上提供最高 45 W 的功率,具有过流以及过压保护功能。(图片来源:Phihong USA

  • PoE 集线器,本质上是一堆供电器。多根非电电缆插在一边,然后另一边插入用电电缆。
  • PoE 扩展器,能够让以太网网络的工作范围超出正常的 100 米范围。

PoE 应用实例

能够通过单一电缆进行供电和传输数据对于许多应用来说是不可或缺的,因为它简化了自动化功能并降低了成本。事实上,PoE 在没有电源的地方特别有用。更重要的是,由于涉及的电压较低,PoE 电缆的安装不需要电工。如果替代方案只是安装额外的电源插座,那么就可以节省大量成本。它也可以使用设施中已有的现有网络或电话线实现 PoE。

因为电压很低,所以系统比较安全。这也意味着不需要管道和接地外壳...从而进一步降低了安装成本。最大电压保持在安全范围内,PSE 在全功率供电前会发出一个 10V 的测试电流。只有在 PD 上检测到 25 Ω 电阻时,才会施加全电压。这样可以防止连接设备受损。

当需要更改时,更换以太网连接设备和交换电缆相对容易。只需要技术人员将新设备的线缆插入网络交换机即可。与靠交流电运行的自动化机器部分相比(在某些情况下,需要在工作时隔离整个自动化楼层),PoE 是即插即用的。这意味着可以在网络继续运行时进行更改。它还可以很容易地采用设备使用的数据来控制电力进入特定设备。这种开关进入设备的电力的能力可以大大降低功耗。

考虑这样一个 PoE 应用:PoE 照明系统是一个越来越普及的应用,具有广泛的适用性。它们涉及带有传感器和照明控制的 LED 灯,通过以太网电缆和开关连接。其中一个用途是在仓库设施中模拟自然日光周期,以改善工人的健康、舒适度和生产力。通过整合运动传感器和运行在 PoE 控制器上的预测算法,可以最有效地利用灯光,以节约能源和削减运营成本。

PoE 的另一个比较新的应用是电机。集成 PoE 电机可以减少分立自动化器件所需的布线量,因为它们消除了电机和外部运动控制器之间的专用反馈电缆的要求。在将驱动器集成到电机外壳中的装置中,电机可以简单地通过一根以太网电缆接收控制命令和电力。这减少了总的安装量,同时简化了安装过程。

这种集成式 PoE 就绪型电机可以通过以太网数据连接接收运动控制程序或实时命令。

结语

以太网供电 (PoE) 对于需要电力和数据连接的设备非常有用。它降低了安装成本,带来了设计上的便利,而且比电源和数据分开的连接更安全、更可靠。有两种类型的设备在增加使用 PoE:

  • 像灯具这样传统上只需要电的设备...却越来越多地当作依靠数据传输的智能设备而销售,实现了更新、更先进的功能。
  • 诸如电机之类组件,已经开始利用 PoE 的容量增加,将之作为一种经济、安全、便捷的电源和数据连接选择。

难怪 PoE 已经迅速成为消费品以及智能建筑和机器自动化利用工业物联网 (IIoT) 功能的核心技术。

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关于此作者

Jody Muelaner

Jody Muelaner 博士是一位工程师,他曾设计过锯木厂和医疗设备,解决过航空航天制造系统的不确定性,并创造了具有创新意义的激光仪器。他在许多同行评审期刊和政府总结中发表过文章,并为劳斯莱斯、国际工程师协会和空客撰写技术报告。目前,他负责一个开发电动自行车的项目,详见 betterbicycles.org。Muelaner 还介绍与脱碳技术有关的发展情况。

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