PoE Power over Ethernet nach IEEE 802.3af

Einleitung

Die Vernetzung von Industrieanlagen ist ein wichtiges Thema in der Automatisierungswelt und nimmt stetig zu. Nach dem Vorbild der Büro-Netzwerke hält die Ethernet Vernetzung nun auch Einzug in die Industrie-Welt und beginnt andere Standards wie z.B. Profibus zukünftig zu ersetzen. Unter dem Namen Industrial Ethernet werden nun von diversen Firmen, Vernetzungslösungen angeboten. Das Angebot reicht vom kleinen entry Level Switch über modulare Gigabit Switches bis hin zu Wireless LAN (WLAN) Access Points. Um Installationskosten einzusparen und in der Vernetzung flexibler zu werden, wurde der Standard IEEE 802.3af eingeführt, der eine gemeinsame Übertragung von Daten und Energie über ein Netzwerk ermöglicht. Dies bedeutet, dass statt je einem Kabel für das Datennetz, Energienetz und Telefonnetz (VoIP), nun in Zukunft alles über ein LAN-Kabel geführt werden kann. Im Bürobereich werden jetzt schon Geräte wie z.B. IP-Telefone und Access-Points mit PoE Funktionalität erfolgreich eingesetzt. Im Gegensatz zum Büronetzwerk mit Sternförmiger Netzstruktur, wird in der Industrie meist jedoch ein linienförmiges Netzwerk eingesetzt. Da der Power over Ethernet (PoE) Standard nur eine Punkt zu Punkt-Verbindung beschreibt, ist der Einsatz von PoE in der Industrie beschränkt.

Grundlagen PoE

Um Kosten bei der Planung, Verkabelung und Installation von Netzwerken zu sparen, wurde das Verfahren Power over Ethernet (PoE) entwickelt, welches unter IEEE 802.3af standardisiert ist.
Die Stromversorgung der Geräte erfolgt direkt über die Datenleitung (z.B. über ein CAT 5/5e Kabel bis 100m). Durch PoE wird die Netzwerkplanung flexibel und unabhängig von Schaltschränken und Steckdosen. Mehraufwände für Strom- und Telefonnetz (VoIP) Verkabelung entfallen. Hauptvorteil von Power over Ethernet ist, dass man das Stromversorgungskabel einsparen kann und so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in Bereichen, in denen viele Kabel stören würden, Geräte mit Ethernet-Schnittstelle installieren kann. Somit lassen sich zum einen drastische Installationskosten einsparen und zum anderen die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte durch Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) erhöhen. PoE wird überwiegend von Endgeräten genutzt, die wenig Leistung verbrauchen. Die Technik wird typischerweise in IP-Telefonen, Kameras oder in schnurlosen Übertragungsgeräten wie z.B. WLAN-Access-Points oder Bluetooth-Access-Points eingesetzt. PoE kann jedoch auch als redundante Spannungsversorgung für Switches genutzt werden, um so die Ausfallsicherheit eines Netzwerkes zu verbessern. Beispielsweise könnte bei Ausfall der Versorgungsspannung eines Switches, die Energieversorgung über PoE weiter erfolgen, somit lässt sich die Netzwerkverfügbarkeit deutlich erhöhen. PoE ist in vier adrigen sowie acht adrigen Netzwerken einsetzbar. In vier adrigen Netzwerken kann lediglich die Phantomspeisung eingesetzt werden, in acht adrigen Netzwerken kann sowohl Phantom- als auch Spair-Pair-Speisung eingesetzt werden. Power over Ethernet ist von der IEEE in der Norm 802.3af definiert und standardisiert. Es werden zwei Gerätegruppen definiert:

1. Power over Ethernet PSE (Power Sourcing Equipment) Gerät fungiert als Spannungsquelle und versorgt PoE PD Geräte mit Strom über die Datenleitung.

2. Power over Ethernet PD (Powered Device) Gerät wird durch PoE PSE Gerät über die Datenleitung mit Strom versorgt.

PD Erkennung und Klassifizierung

IEEE 802.3af PSE-Geräte verfügen über einen Prüfmechanismus, um bei Anschluss nicht kompatibler Geräte, diese vor Schaden zu schützen. Nur Geräte, die über ein auf dem IEEE 802.3af Standart basierendes authentifizierendes Merkmal verfügen, erhalten somit über die Datenleitung Strom. Um festzustellen, ob ein PD angeschlossen ist, werden folgende Eingangsparameter geprüft:

• charakteristischer Widerstand = RGOOD(19k - 26, 5k),
• typischer Widerstandswert = RTY P (25k),
• charakteristische Kapazität = CGOOD(max.150nF).

Dieses Verfahren nennt man ”Resistive Power Discovery“. Die Detektions-Spannung Vdetect muss im gültigen Bereich Vvalid liegen. Das PSE misst bei zwei unterschiedlichen Spannungen Vdetect den Strom am Power Interface (PI) des PD’s und generiert daraus ein ?Vtest sowie ein ?Itest. Hieraus berechnet sich dann der differenzielle Eingangswiderstand des PD’s. Der Wert des Eingangswiderstandes ist ausschlaggebend für die Entscheidung des PSE’s zur Aktivierung der Fremdspeisung:

• R = RGOOD ?? PD vorhanden
• R = RBAD ?? kein PD vorhanden.

Hat das PSE ein PD erkannt, beginnt es mit der Klassifikation, d.h. mit der Feststellung des Leistungsbedarfs des angeschlossenen Gerätes. Dafür legt das PSE eine definierte Spannung Vclass an das PI des PD’s an und misst den resultierenden Strom Iclass. Anhand der Stromhöhe wird das PD einer Leistungsklasse zugeordnet. Erst jetzt wird die gesamte Spannung Vport auf das PI geschaltet.

Beispiel eines gesamten Zykluses: Detektiion, Klassifikation, turn ON

PD Ablehnungskriterium

• Widerstand kleiner oder gleich RBADmin(<= 15k) oder
• Widerstand größer oder gleich RBADmax(>= 33k) oder
• Kapazität größer oder gleich CBADmin(>= 10µF)

PoE Leistungsklassen

In der IEEE 802.3af wird die Leistung der Spannungsversorgung auf PSE Seite (siehe Tabelle 2.2) sowie die Stromaufnahme des PD’s auf PSE Seite (siehe Tabelle 2.3) in fünf verschiedene Klassen eingeteilt. Aufgrund der Leitungsverluste (siehe Bild: 2.5) steht am PD nicht mehr die komplette Leistung zur Verfügung (siehe Tabelle 2.4).

Tabelle 2.2: PoE PSE Leistungsklassen:

Klasse	Verwendungszweck	Minimum Leistungsleverl am Ausgang des PSE
0	Standart	15,4 Watt
1	optional	4,0 Watt
2	optional	7,0 Watt
3	optional	15,4 Watt
4	reserviert für zukünftige Anwenungen	wie Klasse 0 behandeln

Tabelle 2.3: PD Klassifikation:

Gemessener Klassifizierungsstrom Iclass	Klassifikation
0mA bis 5mA	Klasse 0
> 5mA und y < 8mA	Klasse 0 oder 1
8mA bis 13mA	Klasse 1
> 13mA und < 16mA	Klasse 0, 1 oder 2
16mA bis 21 mA	Klasse 2
> 21mA und < 25mA	Klasse 0, 2 oder 3
25mA bis 31 mA	Klasse 3
> 31mA und < 35mA	Klasse 0, 3 oder 4
35mA bis 45mA	Klasse 4
> 45mA und < 51mA	Klasse 0 oder 4
=> 51mA	Klasse 0

Tabelle 2.4: PD Leistungsklassen

*Klasse*	*Verwendungszweck*	*Minimum Leistungslevel am Eingang des PD´s*
0	Standart	0,44 bis 12,95 Watt
1	optional	0,44 bis 3,84 Watt
2	optional	3,84 bis 6,49 Watt
3	optional	6,49 bis 12,95 Watt
4	nicht erlaubt	reserviert für zukünftige Anwendungen

Tabelle 2.5: PoE PD Klassifizierung, gemessen am Eingang

Parameter	Konditionen	Minimum	Maximum	Einheit
Strom für Klasse 0	14,5 V bis 20,5 V	0	4	mA
Strom für Klasse 1	14,5 V bis 20,5 V	9	12	mA
Strom für Klasse 2	14,5 V bis 20,5 V	17	20	mA
Strom für Klasse 3	14,5 V bis 20,5 V	26	30	mA
Strom für Klasse 4	14,5 V bis 20,5 V	36	44	mA

Leistungsverluste

Das PSE schickt eine maximale Leistung von 15.4W mit 350mA bei einer minimalen Spannung von 44V an das PD. Ein Standard Cat5 Kabel kommt bei einer Länge von 100m auf einen Widerstand von ca. 20O somit ergibt sich ein Leitungsverlust von ca. 2.45W.

RCABLE = (20O||20O) + (20 O||20O) = 20O
PCABLE = (350mA)² *20O = 2.45W
PPD = 15.4W - 2.45W = 12.95W

Einspeiseorte

Bei dem Gebrauch von PoE muss weiterhin eine Unterscheidung zwischen Midspan und Endspan Versorgung getroffen werden.

Midspan

Ein Midspan Modul ist ein Gerät, welches in ein schon bestehendes Netzwerk integriert werden kann, um Energie auf den Datenleitungen zur Verfügung zu stellen. Somit kann relativ einfach ein PoE Powerd Device (PD) in ein nicht PoE Netzwerk eingebunden werden. Dadurch ist eine Hochrüstung bestehender Netzwerke leicht möglich.

Endspan

Bei einem Endspan Modul ist das PSE bereits in dem Switch integriert. Dies bedeutet, der Switch kann PoE an seinen Ethernet Ports zur Verfügung stellen, somit ist kein Midspan Modul und keine weitere Spannungsversorgung nötig.

Einspeisungsmethoden
Für die Einspeisung der Spannung auf die Datenleitung gibt es zwei verschiedene Varianten:

1. Phantomspeisung
2. Spare-Pair Speisung

Ein Powerd Device muss immer beide Varianten unterstützen. Bei dem Power Sourcing Equipment ist es dem Hersteller überlassen, welche Methode er unterstützt.

Phantomspeisung

Bei der Phantomspeisung wird die Spannung auf die Adernpaare 1/2 (-) und 3/6 (+) eingekoppelt. Diese Methode kann bei Netzwerken mit vier adriger oder acht adriger Verkabelung eingesetzt werden.

Spare-Pair-Speisung

Bei der Spare-Pair-Speisung werden die freien Adernpaare genutzt. Die Spannung wird direkt auf die freien Adernpaare 4/5 (+) und 7/8 (-) gegeben. Diese Methode kann ausschließlich bei Netzwerken mit acht adriger Verkabelung angewendet werden. Dies gilt nicht für Gigabit Ethernet, da hierbei alle acht Adern zur Signalübertragung verwendet werden und somit keine Spair-Pairs zur Verfügung stehen.

Poe Lösungen von Hirschmann

Die Hirschmann Automation and Control GmbH bietet Power over Ethernet Lösungen von der Hutschiene bis in den Backbone. Angefangen bei dem Modularen System MICE, welches ein vier Port PoE Medienmodul bietet, über die PoE Kompaktgeräte der OpenRail Familie, welche Ende 2008 auf den Markt kommen. Weiter geht es mit Hirschmanns neuester Familie, der MACH1000 PoE Switche im 19“ Format, die besonders für raue Umgebungsbedingungen geeignet sind. Auch unsere Backbone Switche MACH4000 können mit einem PoE Modul ausgestattet werden, und können so bis zu 32 PoE Ports (max. 100W) unterstützen.

Da Power over Ethernet in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird, können unsere Wireless Lan Access Points der BAT Familie, heute schon über PoE versorgt werden.

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