Dies ist das Drittens Teil einer sechsteiligen Blogserie von Mouser Electronics! Am Ende des Artikels zeigen wir Ihnen einen Link zum Lesen Vierter Teil …

Verstehen Sie die Vorteile einer gemeinsamen Daten- und Energieübertragung im industriellen Kontext

Mark Patrick, Mouser Electronics

Welche Themen werden in der Reihe behandelt?

In dieser Reihe von Blogs werden wir uns mit wichtigen Energietechnologien befassen, die die industrielle Effizienz steigern werden, und sehen, wie Ingenieure die Werkzeuge fortschrittlicher Halbleitertechnologien, Leistungsumwandlungstopologien und Verteilungstechniken nutzen können, um zur Effizienz unserer Industrien beizutragen.

Industrielle Energie wird in dieser Blogserie untersucht: Wie werden neue Materialtechnologien und Designtechniken Energieeinsparungen im nächsten Jahrzehnt ermöglichen?

Blog 1: Einleitung: Die industrielle Energieumwandlung der Zukunft
Blog 2: Konverter in der vierten industriellen Revolution
Blog 3: Der Wert von Power over Ethernet (PoE)
Blog 4: Energiegewinnung im industriellen Bereich
Blog 5: PoL: Industrielle Schaltungen vor Energieherausforderungen
Blog 6: Das nächste Jahrzehnt industrieller Energie

Welche Themen wird die Reihe behandeln?

Industrielle Energie wird in dieser Blogserie untersucht: Wie werden neue Materialtechnologien und Designtechniken im nächsten Jahrzehnt Energieeinsparungen ermöglichen?

In den beiden vorangegangenen Blogs haben wir uns mit globalen Energieüberlegungen in industriellen Umgebungen befasst. Wir zeigen auf, wie die Förderung der Energie- und Prozesseffizienz die Landschaft der Fertigungsanlagen verändert. Die Umsetzung von Industrie 4.0 und dem IIoT verlagert einerseits die Datenspeicherung von lokalen Servern in die Cloud und andererseits die Datenverarbeitung hin zu Sensoren und Aktoren unter Verwendung von „Edge Computing“, damit Entscheidungen getroffen werden können schnell und lokalisiert.

Kombinieren Sie Strom und Daten

Um Peripheriegeräte mit Sensoren, die über einen Mikrocontroller, einen Speicher oder eine kabelgebundene oder drahtlose Datenverbindung verfügen, mit Strom zu versorgen, benötigen Sie Zugang zu einer Stromquelle. Optionen für drahtlose Sensoren und Aktoren sind Batterien, AC-DC-Adapter oder vielleicht Power Harvesting. Zur Stromversorgung werden jedoch häufig kabelgebundene Ethernet-Datenverbindungen verwendet, da diese weit verbreitet sind. Die Gründe sind nicht nur historischer Natur: Wireless-Technologie ist von Natur aus weniger sicher, und die meisten Geräte arbeiten in lizenzfreien Bändern. Überlastung, Paketverzögerungen und Stabilitätsprobleme können auftreten, insbesondere wenn Vielfache in einer industriellen Umgebung mit viel elektrischem Rauschen gesättigt sind.

Die Entwicklung von Power over Ethernet (PoE)

Den Ethernet-Standard gibt es seit 1973, und obwohl es sich ursprünglich um ein auf Koaxialkabeln basierendes System handelte, ist heute die Verwendung von Differenzsignalen auf Twisted-Pair-Kabeln weit verbreitet. Gigabit/s-Kommunikationen verwenden typischerweise vier Twisted-Pair-Drähte. Die niedrigeren Geschwindigkeiten verwenden nur zwei Twisted-Pair-Kabel, was in industriellen Anwendungen zur Verarbeitung von Sensordaten üblich ist.

PoE kann vorhandene Ethernet-Installationen in Gebieten ohne AC-DC-Steckdosen nutzen. Darüber hinaus kann es ohne qualifizierte Elektriker installiert werden.

IEEE 802.3af-Standard

Unter dem 802.3af-Standard (IEEE 802.3 – 2003) könnten ungenutzte Paare Strom liefern, bekannt als B-Modus oder Midspan. Die PoE-Midspan-Methode verwendet PoE-Injektoren, um PoE zu Ihren Netzwerken hinzuzufügen, ohne vorhandene Nicht-PoE-Switches hinzuzufügen oder zu ersetzen. Sie sind intelligente Geräte: Sie erkennen, ob das Powered Device (PD) Strom benötigt, und stellen ihn gegebenenfalls bereit. PoE-Injektoren sind nützlich, wenn Sie eine kleine Anzahl von Geräten haben, die Strom benötigen.

Der IEEE 802.3af-Standard ermöglicht auch die Übertragung von Energie über die Datenleitungen als Gleichtaktspannung, die an jedes Paar angelegt wird. Da Ethernet ein differentielles Signal verwendet, wird die Datenübertragung, bekannt als Modus A o Endspanne, ist nicht betroffen.

Abbildung 1 zeigt die Verwendung der Mittelabgriffe von Impulstransformatoren an jedem Ende eines Kabels, um Datensignalenergie anzulegen und dann zu extrahieren.

Abbildung 1 – PoE verwendet zwei Twisted-Pair-Drähte in einem Ethernet-Kabel

Diese Technologie, die häufig in RJ45-Steckverbindern von Anbietern wie z Molex y TE Connectivity, vereinfacht Layouts und spart Platz auf Platinen.

Das Endspan-PoE-Verfahren verwendet einen Switch mit integriertem PoE. Beim Anschließen des Endgeräts an den PoE-Switch erkennt dieser, ob das Endgerät PoE unterstützt, und schaltet den Strom automatisch ein, wenn dies der Fall ist.

Die PoE-Leistungspegel sind erheblich gestiegen

Der PoE-Standard IEEE 802.3af spezifiziert eine Technologie, die bis zu 15,4 W DC (mindestens 44 V) liefern kann_CC und 350 mA) zu jedem Gerät. Aufgrund von Kabelverlusten garantiert der Standard nur 12,95 W Verfügbarkeit am Powered Device (PD), was für kleine Sensoren, Überwachungskameras und ähnliche Lasten ausreicht.

IEEE 802.3bt Typ 4

Im Laufe der Zeit hat sich der Standard weiterentwickelt, um unter bestimmten Bedingungen höhere Leistungspegel zuzulassen. Im Jahr 2018 führte das IEEE den neuen High Power-Standard 802.3bt Typ 4. Gemäß IEEE 802.3bt Typ 4 sind maximal 100 W von Power Supply Equipment (PSE) aus einem Spannungsbereich von 52-57 V zulässig des Kabels 12,5 Ω beträgt und seine Temperatur innerhalb gewisser Grenzen fest bleibt, verbleibt am Powered Device (PD) eine Mindestspannung von 41,1 V. Um diese maximale Leistung zu erreichen, müssen unbedingt alle vier Paare verwendet werden.

Die ursprünglich für PoE vorgesehenen einfachen Anwendungen haben sich mit der Erhöhung der Nennleistung erweitert. Strom kann zugeführt werden an:

• drahtlose Zugangspunkte
• Router
• Sicherheitsplatten
• ein Laptop oder Tablet mit den entsprechenden Bewertungen

Dies erhöht den Nutzen von PoE erheblich.

PoE-Beleuchtung

PoE-Beleuchtung ist ein Bereich, der viel Interesse weckt. Durch die schnelle Einführung von LED-Leuchten reicht die PoE-Leistung für die Notbeleuchtung aus und in einigen Fällen sogar für den "normalen" Gebrauch. Wenn Beleuchtungskörper Bewegungs- und Lichtsensoren enthalten, entstehen endlose Steuerungs- und Überwachungsmöglichkeiten. Wenn beispielsweise in einem Gebäude ein Notfall eintritt, könnte ein batteriebetriebenes PoE-Sicherheitsbeleuchtungssystem erkennen, wo sich eine Person im Gebäude befindet, und sie in Sicherheit bringen, indem es ausgewählte LED-Leuchten einschaltet oder ihre Farbe ändert, um Ihnen einen Safe zur Verfügung zu stellen Route.

Fazit

Power over Ethernet (POE) ist eine geniale Möglichkeit, Strom über vorhandene Kabelnetze zu verteilen. Ermöglicht Geräten an entfernten Standorten den Zugriff auf eine lokale DC-Quelle. Protokolle und Standards ermöglichen es, diese bestehenden Strukturen zu nutzen, ohne den Datenfluss zu unterbrechen. Industrie 4.0 und IIoT bauen auf dieser Innovation für die Datenerfassung auf und werden mit der Entwicklung dieser Technologie zunehmend PoE in weiteren Anwendungsfällen einsetzen.

Im nächsten Blog der Serie werden wir uns mit der zunehmenden Rentabilität von Energy Harvesting als Workaround für die Stromversorgung von IIoT-Sensoren befassen.

Mäusefänger unterstützt Ingenieure bei ihren Bemühungen, eine bessere Zukunft aufzubauen, indem sie ihnen Zugang zu den neuesten Technologien und Komponenten sowie zu einer Vielzahl von Design-Ressourcen entworfen, um das Leben einfacher zu machen.

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