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工業自動化中的乙太網路供電 (PoE)

作者:Jody Muelaner

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

乙太網路供電 (PoE) 連線系統係由 IEEE802.3 標準定義,使用單一多合一乙太網路纜線,提供便利的方式傳輸資料和電力至機器元件。請閱讀 2013 年 Digi-Key 的文章《乙太網路供電介紹》,初步瞭解 PoE 及其架構。

PoE 現今有三種標準子分類:

  • PoE Alternative B 使用個別電線承載資料和電力。更明確地說,此 PoE 子分類指明 Cat-5 乙太網路四對雙絞線的用途,即兩對用於承載資料,另外兩對用於承載電力。因此,PoE Alternative B 配置僅支援高達 100 Mbps (100BASE-TX) 的數據傳輸率,即使使用額定為 Gigabit 乙太網路的纜線。
  • Alternative A 也受限於 100 Mbps 的數據傳輸率,但使用相同的兩對雙絞線同時承載資料和電力。這表示 PoE Alternative A 配置相容於涵蓋兩對雙絞線的乙太網路纜線,以及完整的 Cat-5 四對纜線。
  • 4PPoE 使用所有四對雙絞線傳輸電力,因此可以提供更高電流。此雙絞線也以 Gigabit 乙太網路及更高的最高數據傳輸率承載資料。

乙太網路供電 (PoE) 安裝單線變體示意圖圖 1:乙太網路供電 (PoE) 安裝單線變體。(圖片來源:Design World)

這三種主要標準通常簡稱為模式 A、模式 B、四對 PoE。各模式可採用不同引腳配置。無論其變體為何,任何受電裝置 (PD) 必須要能接受模式 A 和模式 B 連接。

最終還是由 PoE 系統的電力流出設備 (有時簡稱為 PSE) 決定所使用的模式,也可能只支援一或多種模式。PD 可以透過跨帶電對的電阻,指明與 PoE 的相容性。固定的 25 kΩ 電阻指明與標準的一般相容性,亦可改變電阻以要求特定電源模式。

Maxim 的 MAX5969A/MAX5969B IC 安裝在 PoE 受電裝置 (PD) 組件圖圖 2:MAX5969A/MAX5969B IC 安裝在 PoE 受電裝置 (PD) 組件。IEEE 802.3af/at 相容 IC 提供 PD 偵測和分類簽章,以及具有湧入電流控制的隔離電源開關。(圖片來源:Maxim Integrated)

差動訊號和支援電力能力

乙太網路纜線使用差動訊號在雙絞線上傳輸資料。這表示雙絞線的各電線承載相同的資訊,訊號接收裝置可量測兩條電線的電壓差。相較於只在單一纜線上相對於接地追蹤電壓的設計,此種配置由於能夠偵測並拒斥任何影響纜線的電磁干擾 (EMI),因此大幅提升可靠性。PoE 使用雙絞線也代表提升電線對的電壓傳輸電源,不會對纜線同時承載的資料訊號有不良影響。

兩對和 Cat-5 四對乙太網路纜線圖圖 3:多種 PoE 配置採用兩對和 Cat-5 四對乙太網路纜線。PoE 的主要優勢在於只需佈設單一纜線連接 PoE 裝置。(圖片來源:Getty Images)

PoE 標準有所演進,可傳輸的電力也增加。呈現在四代的 PoE 或類型:

  • 傳統 Type-1 PoE 支援高達 13 W 的電力傳輸,電壓範圍為 37 至 57 V。這通常足夠一些裝置使用,例如無線存取點和門禁面板。
  • Type 2 或 PoE+ 支援高達 25 W 的電力傳輸,電壓範圍為 42 至 57 V。使用此位準電力的裝置包含保全攝影機、RFID 讀取器等,亦支援警報系統。
  • Type 3 支援高達 51 W 的電力傳輸,電壓範圍為 42 至 57 V,足夠為筆記型電腦和控制面板供電。
  • Type 4 支援高達 71 W 的電力傳輸,電壓範圍為 41 至 57 V。針對 LED 照明供電特別實用,能讓智慧型照明無須主電源供應器。

Type 1 的最大纜線電阻為 20 Ω,但其具有更高電流的接連幾代類型的限制則為 12.5 Ω。

PoE 安裝常見的網路元件

用來建構 PoE 網路的元件包含:

  • PoE 開關,是在其連接埠上提供 PoE 的網路開關。這些元件是延伸 PoE 網路的基礎建構模塊,在大多數網路中,一般用作 PSE。
  • PoE 注入器可為未帶電的乙太網路纜線加入電力。可以整合到設計中,為非 PoE 網路加入電力。例如,針對以非 PoE 網路開關連接裝置至網路的系統,若目標為透過裝置的乙太網路元件為其供電,安裝人員需要將纜線從網路開關插入至 PoE 注入器,接著從注入器接上第二條纜線至裝置。注入器本身需電源供應器。
  • PoE 分離器可分離 PoE 纜線的電力和資料,允許非 PoE 相容裝置使用分離的輸入供電。分離器可以視為與注入器有相反的功能。

Phihong USA 的 PoE 分離器圖圖 4:此 PoE 分離器 (詳細資訊請參閱 Phihong PTM) 可以在選定的 IEEE802.3 系統提供高達 45 W,並具有過電流和過壓保護。(圖片來源:Phihong USA)

  • PoE 集線器基本上是注入器的堆疊。多條不帶電纜線插入一端,然後纜線插入的另一端則會帶電。
  • PoE 延伸器可讓乙太網路的作業超過其正常的 100 m 範圍。

PoE 範例應用

對許多應用而言,能夠透過單一纜線供應電力及傳輸資料為絕對必要,由於能簡化自動化功能並降低其成本。事實上,PoE 在沒有可用電源供應器的位置特別實用。此外,由於採用低電壓,因此安裝 PoE 纜線無須電工。相較於安裝額外電氣插槽,這能大幅節省成本。也可以運用設施中的既有網路或電話纜線於 PoE。

由於使用低電壓,系統也更安全。這代表不需要管道和接地外殼,進一步節省安裝費用。最大電壓維持在安全限額內,且 PSE 在供應完整功率前,會先傳送 10 V 的測試電流。只有在 PD 上偵測到 25 Ω 電阻時,才會施加完整電壓,這能防止連接的裝置受損。

需要進行變更時,則能輕鬆變換乙太網路連接裝置和抽換纜線,只需技術人員將新裝置的纜線插入網路開關即可。相較於以 AC 電源運作的自動化機器單元 (在某些情況下,運作時需要隔離整間自動化廠房),PoE 可隨插即用。這代表可在網路持續運作下進行變更。也很容易部署裝置使用資料以控制電力傳輸至特定裝置。這項在裝置中開啟或關閉電力的能力,可大幅降低功耗。

探討其中一項 PoE 應用:PoE 照明系統是越來越常見的應用,具有廣泛的用途。其中包含具有感測器的 LED 照明,以及連接至乙太網路纜線和開關的照明控制。其中一項用途為倉庫設施,可模模擬自然日光循環,提升員工的健康、福祉、生產力。動作感測器的整合與在 PoE 控制器上執行的預測性演算法,能讓照明達到最高效率,以節省能源和縮減營運成本。

另一項相對新穎的 PoE 應用為馬達。整合式 PoE 馬達可以減少離散自動化的纜線佈線數量,這是由於馬達和外接動作控制器之間無須專用回授纜線。在整合驅動至馬達外罩的單元中,馬達能夠以單一乙太網路纜線輕鬆接收控制命令及電力。這能縮減整體安裝覆蓋區,同時簡化安裝流程。

此類整合式 PoE 就緒馬達可以透過乙太網路資料連接接收動作控制程式或即時命令。

結論

乙太網路供電 (PoE) 非常適合同時需要電力和資料連接的裝置。不但能夠降低安裝成本、提供設計便利性,並且相較於隔離式電力和資料連接,更為安全及可靠。有兩種類型的裝置不斷增加對 PoE 的運用:

  • 照明等傳統上僅需電力的裝置,越來越多以智慧型裝置銷售,倚賴資料傳輸以達到更新且相對先進的能力。
  • 電力馬達等元件已開始運用 PoE 提升的能力,成為電力和資料連接的經濟、安全、便利選項。

不難理解為何 PoE 快速成為消費性商品的核心技術,以及運用工業物聯網 (IIoT) 能力的智慧大樓和機器自動化。

聲明:各作者及/或論壇參與者於本網站所發表之意見、理念和觀點,概不反映 Digi-Key Electronics 的意見、理念和觀點,亦非 Digi-Key Electronics 的正式原則。

關於作者

Jody Muelaner

Jody Muelaner 博士是一名工程師,曾設計鋸木機與醫療裝置、協助排除航太製造系統的難題,並打造創新的雷射儀器。他曾在同儕審查的期刊與政府總結書中發表多篇文章,也曾為勞斯萊斯、國際汽車工程學會與空中巴士撰寫技術報告。他目前指導的專案是開發電動單車,詳情情至 betterbicycles.org。Muelaner 也參與除碳技術的相關開發工作。

關於出版者

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