Technologia PoE/PoE+ #1 – Wprowadzenie

PoE (Power over Ethernet) to jedna z kluczowych technologii w aplikacjach przemysłowych zwłaszcza w Systemach Monitoringu Wizyjnego.

Jest to funkcjonalność powszechnie znana, natomiast, począwszy od tego wpisu, chcielibyśmy całą tę wiedzę przedstawić w skondensowanej i łatwo przystępnej formie. Zacznijmy zatem od podstaw.

Czym właściwe jest PoE?

Jak sama nazwa wskazuje, jest to technologia przesyłu energii elektrycznej za pomocą skrętki do urządzeń peryferyjnych będących elementami naszej sieci. Jest to w szczególności użyteczne w lokalizacjach, do których ciężko jest nam doprowadzić zasilanie w jego klasycznej formie (np. do punktu kamerowego w sieci monitoringu miejskiego) i tutaj z pomocą przychodzi nam Ethernet. Koncepcji realizacji przesyłu energii za pośrednictwem Ethernetu było wiele, natomiast w 2003 została ona ustandaryzowana i oficjalnie wprowadzono standard PoE 802.3af, wedle którego do zasilanego urządzenia możemy dostarczyć 15.4W. Z czasem standard ten rozwinięto i w 2009 roku zaprezentowano go w nowej odsłonie, którą nazwano 802.3at. Zgodnie z nowym standardem PoE+ (tak określany jest powszechnie 802.3at) do urządzenia końcowego możemy dostarczyć nawet 25W mocy. Od razu nasuwają się również jedno kluczowe pytanie.

Czy są jakieś ograniczenia dotyczące dystansu na jakim możemy dostarczać energię z wykorzystaniem technologii PoE?

Otóż odpowiedź na to pytanie definiuje sam standard. Możemy się z niego dowiedzieć, iż energię przesyłać możemy maksymalnie na dystansie do 100m. Należy jednak pamiętać, że dystans ten jest możliwy do osiągnięcia wyłącznie jeżeli zastosujemy dobrej jakości kabel. W tym przypadku zalecana jest skrętka co najmniej kategorii 5e. Ponadto pamiętać musimy o stratach energii wynikających rezystancji samego kabla w zależności od długości. Zatem im dłuższy kabel wykorzystamy, tym mniej energii finalnie będziemy mogli dostarczyć do naszego PD.

PSE, PD, endspan, midspan – co to właściwie oznacza?

Czytając dokumentacje bądź opis wdrożenia często możemy się spotkać z określeniami Powered Device (PD) oraz Power Sourcing Device (PSE). Jedno z tych określeń zostało również wykorzystane pod koniec poprzedniego akapitu. Co one oznaczają?

Przez PSE rozumieć będziemy te urządzenia, które dostarczają zasilanie do urządzeń peryferyjnych (Power Sourcing Equipment), a konkretnie switche, huby itp. Natomiast PD, to będą urządzenia zasilane (Powered Devices) – w przypadku aplikacji przemysłowych będą to głównie kamery IP, Acess Pointy oraz telefony IP. PSE możemy jeszcze sklasyfikować z uwagi na ich miejsce w torze transmisyjnym. Zgodnie z nomenklaturą  będą to urządzenia midspan oraz endspan. Midspan to tak zwane zasilacze PoE, włączane w tor pomiędzy switch a nasze PD. Będzie on znajdował się pośrodku (ang. middle) stąd też pochodzenie nazwy. Schematycznie wygląda to tak jak na rysunku poniżej.

Z kolei endspan możemy rozumieć analogicznie, mianowice będą to urządzenia końcowe (ang. end devices). W aplikacjach przemysłowych mówimy tutaj o konkretnie o switchach wyposażonych w technologię PoE. Wówczas PD możemy zasilić bezpośrednio z naszego przełącznika. Co w praktyce wyglądało będzie tak jak na poniższym rysunku poglądowym.

Kluczową kwestią, na jaką należy zwrócić uwagę w przypadku urządzeń PD oraz PSE, to sposób, w jaki ta energia jest przesyłana. Zgodnie ze standardem urządzenie PSE ma obowiązek dopasować się do urządzenia PD, tj. pracować w obydwu dostępnych wariantach (single pair oraz spare pair), natomiast PD jużtakiego obowiązku nie posiada. Praktyka jednak pokazuje, że nie zawsze jest to regułą i na ten aspekt, również warto zwrócić uwagę. Spare Pair/Single Pair – czyli jak przesyłana jest energia Jak już zostało wspomniane, standard PoE określa dwa typy w jakich możemy doprowadzić zasilane do naszego PD, mianowicie:

• Spare pair – na wolnej parze przewodów.
• Single pair – zasilanie przesyłane łącznie z danymi

Najwygodniej będzie zobrazować to na schemacie:

Zasilanie na wolnej parze przewodów (schemat po prawej stronie) wykorzystuje piny 4/5 oraz 7/8 do przesyłu energii. Natomiast zasilanie przesyłane łącznie z danymi wykorzystuje piny 3/6 oraz 1/2. Jakkolwiek obie metody są prawidłowe i zawsze powinniśmy mieć możliwość z nich skorzystania, powinniśmy mimo wszystko zwrócić szczególną uwagę czy nasze PSE oraz PD je obsługują. Jeżeli chodzi o podstawy aspektów technicznych, to by było wszystko. Aczkolwiek pozostaje nam jedynie kwestia, dlaczego mielibyśmy zastępować klasyczne zasilanie. Postarajmy się zatem odpowiedzieć na jeszcze jedno pytanie.

Dlaczego powinniśmy wykorzystywać PoE w swoich aplikacjach?

Oszczędność Przede wszystkim ze względu na oszczędność. Koszty okablowania strukturalnego oraz zasilaczy potrafią drastycznie zwiększyć koszty wdrożenia, zwłaszcza gdy mamy bardzo dużo urządzeń do podłączenia. Dodatkowe okablowanie strukturalne i zasilacze stanowią jednocześnie kolejny możliwy punkt awarii. Koszty serwisowania PoE są znacznie niższe dzięki technologii plug-and-play. Jest to często pomijany aspekt, natomiast koszty ewentualnego serwisu mogą znacznie podnieść finalne koszty instalacji. Ponieważ w aplikacjach szeroko pojętej automatyki, jednymi z najbardziej kosztownych rzeczy są czasy przestoju Skalowalność PoE zapewnia również dużą elastyczność na przyszłość. Z jednego PSE możemy zasilić nawet do 48 urządzeń (w przypadku przełączników firmy MOXA), co w przypadku przyszłej rozbudowy systemu daje nam ogromne możliwości. Jeżeli dołożymy do tego dystans, na którym energię możemy transmitować, robi nam się z tego całkiem spory system, skalowalny na rozpiętości +/- 100m, który możemy bardzo łatwo rozbudowywać dokładając kolejne PSE. Dodatkowo należy pamiętać, iż PD możemy montować w trudnych/niedostępnych lokalizacjach, gdzie z różnych przyczyn nie mamy dostępu do zasilania w klasycznej formie. Wszystko dzięki temu, że jedyną rzeczą jaką realnie doprowadzić musimy do punktu (nnp. Kamerowego) jest skrętka. Dzięki rozwiązaniu plug-and-play zyskujemy na elastyczności i czasie instalacji. Urządzenie zasilane jest od razu po wpięciu do sieci, a co za tym idzie możemy rozbudować naszą sieć o znacznie mniej dostępne lokalizacje w bardzo prosty sposób. Zarządzanie i bezpieczeństwo.

Natomiast bodaj największą zaletą stosowania PoE w aplikacjach jest późniejsze zarządzanie.

Z wykorzystaniem protokołu SNMP jesteśmy nieustannie monitorować status naszego urządzenia. Ponadto w przypadku przełączników firmy MOXA do dyspozycji dostajemy zaawansowaną diagnostykę oraz analitykę, która w przypadku zawieszenia się kamery (co niestety jest częstym przypadkiem w aplikacjach przemysłowych ze względu na trudne warunki), pozwala szybko reagować na pojawiający się problem.

Podsumowanie

Reasumując z powyższego artykułu dowiedzieliśmy się czym jest PoE. Jak je odróżnić od PoE oraz PoE+ oraz co to jest endspan oraz midspan. Sposób w jaki doprowadzane jest zasilanie z wykorzystaniem PoE, również nie powinno być dla nas tajemnicą. Nie wyczerpuje to jednak wiedzy na temat tej technologii a ten artykuł jest początkiem serii publikacji na temat tego protokołu oraz jego zastosowań. Mamy jednak nadzieję, że W kolejnej odsłonie zapraszamy do lektury Jak dobrać przełącznik PoE w aplikacjach przemysłowych.