PoE-Switches

Standards erleichtern PoE-Einsatz

| Redakteur: Ines Näther

Weidmüller bietet Power-over-Ethernet (PoE) Switches im Produktsortiment Basic Line (Unmanaged) respektive Premium Line (Managed). Detail: 24 V für PoE-Versorgung.
Weidmüller bietet Power-over-Ethernet (PoE) Switches im Produktsortiment Basic Line (Unmanaged) respektive Premium Line (Managed). Detail: 24 V für PoE-Versorgung. (Weidmüller)

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Power over Ethernet (PoE) überzeugt als flexible und elegante Lösung: Daten und Strom zu den vernetzten Geräten werden in einer Leitung übertragen. Das für anspruchsvollere Anwendungen nötige PoE+ ist abwärts kompatibel zu PoE, folglich lassen sich IEEE 802.3af- und 802.3at-Geräte gleichzeitig versorgen. Weidmüller hat dafür managed und unmanaged PoE+ Industrial-Ethernet-Switches entwickelt.

PoE versorgt im Office-Umfeld seit 2003 vorrangig Netzwerkgeräte mit geringerem Leistungsbedarf wie Telefone - mit normierter Spannungsversorgung respektive einheitlichem RJ45-Steckverbinder. Ob als WLAN Access Points, Webcams oder kleinere Server - PoE hat sich zu einer universellen Systemspannung im Office gemausert.

Switche für den PoE-Einsatz gibt es seit längerem, am unteren Preisgefüge befinden sich non-managed also nicht konfigurierbare Geräte, außerdem ist nicht jeder Port stromgespeist. Im Mittelbereich finden sich Modelle mit sechs bis acht gespeisten Anschlüssen und diversen Funktionen wie VLAN (virtual LAN), QoS (Quality of Service) und Konfiguration/Überwachung via Browser sowie Fernabfrage per SNMP (simple network management protocol).

Hochwertige konfigurierbare Switches gestatten nicht nur das Abschalten einzelner PoE-Verbraucher per Browser, sondern bieten eine zeitgesteuerte Aktivierung, so etwa stundenweise an bestimmten Wochentagen. Derartige Switche offerieren ein echtes Energie-Management, weil für alle Ports die Leistungsaufnahme begrenzt und je Port ein definiertes Limit oder eine Prioritätssteuerung vorgegeben werden kann. Letzteres dient der automatischen Abschaltung von einzelnen Verbrauchern und verhindert eine Überlastung oder gar Abschaltung des gesamten Systems. Via Browser lässt sich das System hinsichtlich seiner Leistung als Ganzes und je einzelnem Port überwachen und kontrollieren, ein ausgereifter Switch gibt auch Alarme, etwa bei Überlast, aus.

PoE und PoE+ im industriellen Umfeld

Der industrielle Bereich stellt für PoE-Switche eine besondere Herausforderung dar, weswegen der Einsatz von Geräten aus dem Office-Bereich nicht ohne weiteres empfehlenswert ist. Im Office-Bereich genügt zumeist der herstellerübergreifende originale IEEE-Standard 802.3af. Hier stehen Endgeräten in 100 Meter Entfernung etwa 12,95 W nutzbare Leistung bereit. Bei anspruchsvolleren Industrieanwendungen mit erweitertem Funktionsumfang erfordern stromversorgte Geräte über Ethernet einen höheren Leistungspegel von einem Stromversorger (PSE, power sourcing equipment) – was zur Spezifikation von IEEE 802.3at führte, kurz PoE+ genannt (Zusatz 2009 verabschiedet).

Generell ist bei PoE+ eine 2-Event-Klassifizierung vorgeschrieben, also die zweimalige 802.3af-Spannungsmessung beim PSE: Vereinfacht formuliert dient die Klassifizierung dazu, den PSE hinsichtlich des Leistungsbedarfs der Verbraucher (PD, Powered Devices) abzufragen und zu bestimmen.

So lässt sich ein PoE-fähiges Enggerät erkennen

In der Praxis kommt es häufig vor, dass ein nicht PoE-fähiges Gerät an einen PoE-Port angeschlossen wird. Dabei stellt sich unweigerlich die Frage, funktioniert das, bzw. welche Schäden oder Probleme entstehen?

Generell gilt es Schäden an nicht PoE-fähigen Enggeräten zu vermeiden. Obwohl die Adern mit den Nummern 4, 5, 7 und 8 bei 10BaseT und 100BaseTX prinzipiell nicht belegt sind, bedeutet das nicht, dass die entsprechenden Pins nicht doch verwendet werden und entsprechend „durchgeschleift“ sind. Sollte an ihnen versehentlich „Power over Ethernet“ anliegen, so kann es zu irreparablen Schäden am angeschlossenen Gerät führen.

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Steckbrief: Weidmüller PoE+ Industrial-Ethernet-Switches

Um PoE-taugliche Endgeräte von untauglichen Endgeräten unterscheiden zu können, kommt im PoE-Versorger (802.3af-Standard) ein als „Resistive Power Discovery“ bezeichnete Verfahren zum Einsatz. Dabei werden die Adern zunächst mehrfach mit einer nur minimalen Spannung beaufschlagt, die normalerweise kein Gerät beschädigt. Bei diesem Vorgang erkennt man, ob und wo der Energieverbraucher einen 25-kOhm Abschlusswiderstand besitzt und somit PoE-fähig ist. Daraufhin wird der Verbraucher mit einer geringen Leistung versorgt, und muss nun signalisieren, zu welcher von vier im Standard definierten Leistungsklassen er gehört. Erst dann bekommt der PD-Controller die volle Leistung und kann den Betrieb aufnehmen.

PoE+ bietet mehr Leistung

Für PoE-Systeme ist am Ausgangsstecker des PSE und am Eingangsstecker des PD Leistung definiert. PoE versorgt Einzelgeräte in Sterntopologie und sieht keine Kaskadierung von Geräten in Linientopologien vor. Bei der PoE+-Spezifikation muss ein PSE so ausgelegt sein, dass es dauerhaft mindestens 600 mA bei einer minimalen Ausgangsspannung von 50 V liefert, was einer PSE-Ausgangsleistung von 30 W entspricht. Der in der Spezifikation festgelegte Kabelwiderstand darf nicht höher als 12,5 Ohm sein. Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads für die 48-V-Wandlung, stehen lediglich etwa 24,6 W für die PD-Last bereit.

Das Herz des Switches ist der interne PD-Controller. Während PoE Geräte mit einer maximalen Leistung von 12,95 W über die Ethernet-Schnittstelle versorgt werden (IEEE-Standard 802.3af), erhöht der Standard IEEE 802.3at die Versorgung am PD auf 25,5 W. Einzelne Hersteller heben die strikte Strombegrenzung auf und bieten deutlich mehr als 30 W, was kundenspezifische Versorgungspegel und über den PoE+-Standard hinaus reichende PD-Funktionen gestatten soll.

Generell ist der PoE+Standard entwickelt worden, um bei größeren Einheiten (Endgeräten) mit 30 W mehr Leistung verfügbar zu machen.

Turbo Ring erhöht die Ausfallsicherheit

Bei Industrie-Netzen ist die Ausfallsicherheit ein besonderes Kriterium, einzelne konfigurierbare Switche, wie bei Weidmüller, beherrschen ein proprietäres Redundanzprotokoll: Die Funktion „Turbo Ring“ umgeht Unterbrechungen innerhalb von 300 ms durch Umschalten auf die redundante Verbindung, seit kurzem gibt es eine neue Version, die in maximal 20 ms reagiert. Damit werden die beim RSTP (rapid spanning tree protocol) üblichen Umschaltzeiten im Sekundenbereich signifikant unterschritten.

Neuerungen durch IEEE 802.3at

Drei wesentliche Neuerungen kennzeichnen den PoE-Standard IEEE 802.3at:

  • Neu eingeführte PoE-Leistungsklasse (Klasse 4): Klassifikationsstrom zwischen 36 und 44 mA und maximale Entnahmeleistung zwischen 12,95 und 30 W.
  • Unterstützung von 1000Base-T (Gigabit-Ethernet), neben 10BaseT- und 100BaseT-Interfaces.
  • Phantomspeisung: Leistungsübertragung über alle vier Adernpaare (nur bei Gigabit-Ethernet). Auch die Phantomspeisung begrenzt den Strom auf 175 mA pro

Adernpaar. Bei Gigabit-Ethernet sind per Phantomspeisung auf allen vier Paaren maximal 60 Watt erreichbar.

Im Standard IEEE 802.3at wird, wie bereits beschrieben, der Stromversorger als Power Source Equipment (PSE) bezeichnet - zumeist ein PoE-fähiger Ethernet-Switch, der auch eine Stromversorgung bietet (sog. Endspan-Verfahren). Beim zweiten Verfahren - Midspan genannt - wird der Strom über einen Power-Injektor ins PoE-Netz eingespeist, er wird im Leitungsnetz zwischen normalem Switch und abgehender Netzwerkleitung zum Endgerät platziert. Beim Midspan-Verfahren lassen sich höhere Leistungsentnahmen bis 90 W durch Endgeräte realisieren. Der IEEE 802.3at Standard sieht dies optional vor, die PoE-Switches stellen die Leistung aber nicht bereit.

Standards erleichtern PoE-Einsatz

Neben der IEEE-Standardisierungsgruppe gibt es eine weitere treibende Kraft – das 2005 gegründete Konsortium PoETeC (Power over Ethernet Technology Consortium, www.0baset.org).

Vorrangiges Ziel der PoETeC ist, die Implementierung von PoE/PoE+ weitgehend zu vereinfachen. Das betrifft die Entwicklung eines Steckverbinders für PSE sowie die PoE-Controller und Kommunikationsschaltungen.

Die IEEE-Standardisierungsgruppe legte besonderen Wert auf die Rückwärtskompatibilität und die Unterstützung für herkömmliche PoE-Geräte oder Geräte mit niedrigem Stromverbrauch.

Zur Unterscheidung zwischen Geräten mit niedrigem/höheren Stromverbrauch wurde folgende Terminologie eingeführt: Typ 1: niedriger Stromverbrauch, Typ 2: hoher Stromverbrauch. Bei den Kabelanforderungen wird folgendes festgelegt: Bei PoE - Cat. 3 oder höher; bei PoE+ für Typ 1 = Cat. 3 oder höher, für Typ 2 = Cat. 5 oder höher.

PoE und PoE+ setzen auf Standardkabel, bei PoE+ wird die maximale Temperatur (Umgebung + interner Anstieg) auf 60° C begrenzt. Da der höhere Stromfluss in der Verkabelung zu einer höheren Wärmeentwicklung führt, empfehlen einige Anbieter die Verwendung von Kabeln einer höheren Kategorie. Hinsichtlich der fest installierten Kabellänge gibt der PoE+Standard eine maximale Länge von 90 m vor.

Beachtet werden soll: Trennen Anwender eine PoE-Verbindung, sollten zuerst die PoE-Geräte spannungsfrei geschaltet, danach können Stecker und Buchse physisch getrennt werden. Allerdings wird oftmals einfach „der Stecker gezogen“, was zu einem Lichtbogen und folglich einem Kontrakt-Abbrennen führen kann – dies reduziert die Lebensdauer der Geräte drastisch.

Weidmüller PoE+ Industrial-Ethernet-Switches

Weidmüller bietet Power-over-Ethernet (PoE) Switches für Anwendungen der industriellen Kommunikation im Produktsortiment Basic Line (Unmanaged) respektive Premium Line (Managed).

Verfügbar sind Unmanaged und Managed 6-Port-Switches mit vier PoE+ Ports. Alle PoE-Switches werden mit einer Spannungsversorgung ab 24 V betrieben und versorgen PoE-fähige Ethernet-Geräte bis zu einer Eingangsleistung von 30 W.

Zudem erlaubt die Managed-Version ein ferngesteuertes Ein-/Ausschalten bzw. Rücksetzen von angeschlossenen PoE-Endgeräten, beispielsweise per SNMP, Web-Interface oder über HMI/SCADA-Systeme in Kombination mit SNMP OPC.

Die 6 Port IEEE 802.3af/at PoE + Unmanaged bzw. Managed Ethernet Switches integrieren vier IEEE 802.3af/at konforme PoE und Ethernet Combo Ports.

Unmanaged und Managed PoE Ethernet Switches von Weidmüller besitzen umfangreiche internationale Zulassungen und Konformitäts-Bescheinigungen wie CE, FCC, UL/cUL Class I Div. 2 / Atex, DNV / GL.

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