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Power over Ethernet
PoE und die Fakten
Der klassische Weg Komponenten zu verkabeln ist, Kabel für Daten und die Stromversorgung separat zu nutzen. So hatte zum Beispiel in der Automation früher jeder Sensor ein Netzteil und ein Anschluss zum zugewiesenen Controller.
Seit dem Einsatz von dezentralen Systemen hat sich die Frage gestellt, ob es nicht eine bessere Möglichkeit zu verkabeln gibt. Mit Ethernet als Defakto-Standard für Netzwerke hat sich aus dieser Situation heraus das Power over Ethernet-Konzept entwickelt.
Power over Ethernet oder PoE ist ein Standard welcher erlaubt, Daten und Strom über ein gemeinsames Cat5-Kabel zu übertragen. Er stellt 48 VDC zur Verfügung und ist als IEEE 802.3af-2008 standardisiert.
Der PoE-Standard unterscheidet zwischen zwei Gerätetypen: Strom gebende (PSE) und Strom nutzende (PD). PSE-Geräte sind hauptsächlich Adapter und Switches mit Stromversorgungen, an welche PD-Geräte angeschlossen werden. PD-Geräte können VoIP-Telefone, Kameras oder andere Komponenten sein.
802.3af erlaubt zwei unterschiedliche Modi. Im ersten werden Daten und Strom über die gleichen Kabeladern übertragen. Im zweiten Modus werden von Daten ungenutzte Adern zur Stromversorgung verwendet. Welcher Typ genutzt wird hängt vom PSE-Gerät ab, wobei jeweils nur ein Typ verwendet werden kann.
Jedes PSE-Gerät prüft zu Beginn, ob ein angeschlossenes PD-Gerät kompatibel für PoE ist. Falls nicht, wird vom PSE-Gerät kein Strom zur Verfügung gestellt, um Schäden zu vermeiden. Realisiert wird dieser Schutz über einen 25k Ohm Widerstand, welcher als Identifikation eines PoE-Produkt fungiert und dauerhaft abgefragt wird. Wir ein Verbraucher vom Netz getrennt, stoppt der Stromgeber die Stromversorgung auf diesem Anschluss.
Warum PoE?
Kabel zu verlegen und im laufenden Betrieb zu warten ist aufwendig und kostet Geld. Strom und Ethernet-Signale über eine Leitung zur Verfügung zu stellen bedeutet einen halbierten Aufwand. Durch die starke Vereinfachung der Verkabelung ergeben sich so technische und kommerzielle Vorteile.
Außerdem nutzen Netzwerkkomponenten meist DC-Spannung. Gleichstrom über eine lange Distanz zu nutzen ist problematisch, weshalb AC-DC Netzteile in der unmittelbaren Nähe der Komponente benötigt werden. Wechselstromleitungen müssen daher verlegt werden und die Netzteile verbaut werden. Dieser Aufwand fällt mit PoE-Komponenten weg.
Implementation von Power over Ethernet
PoE-Geräte können prinzipiell in jedes bestehende oder neue Ethernet-Netzwerk integriert werden. Mittels industriellen Switchen mit PoE-Funktion kann das Netzwerk an jeder gewünschten Stelle mit Power over Ethernet-Funktionen erweitert werden. An diese Switche können dann PoE-Endgeräte angeschlossen werden. Ursprünglich wurde der Standard für die Telekommunikation und für IT-Netzwerke entwickelt. Allerdings sind aufgrund der Vorteile heute fast alle Ethernet-basierten Sensoren und Feldgeräte mit PoE nutzbar.
Industrietaugliches PoE-Design
In industriellen Anwendungen ist es nötig, dass Geräte gegen Schock und Vibration besonders geschützt sind. Außerdem müssen die Geräte für ihren Einsatz in Fabriken und Produktionsstraßen entwickelt und ausgelegt sein.
Entwickler müssen sicherstellen, dass die Geräte mit robusten Gehäusen ausgestattet sind und auch in weiten Temperaturbereichen eingesetzt werden können. Oft werden die Geräte in Schaltschränken integriert, weshalb eine Hutschienen-Halterung benötigt wird. Andere Halterungsmöglichkeiten wie VESA-Löcher sind nötig, wenn die PoE-Komponenten dezentral eingesetzt werden.
Viele industrielle PoE-Geräte nutzen 24 VDC zur Stromversorgung, so dass keine externen Netzteile verbaut und genutzt werden müssen. In besonders kritischen Umgebungen kann durch eine redundante Stromversorgung eine besonders hohe Ausfallsicherheit garantiert werden.
Neben dem weit adaptierten 802.3af Standard hat es über die Jahre weitere PoE-Entwicklungen gegeben. Die unterschiedlichen Standards sind untereinander nicht kompatibel. Es sollte bei der Planung des Netzwerkes also darauf geachtet werden, dass ausschließlich Geräte eines Standards eingesetzt werden.
Nicht-PoE-Geräte mit PoE nutzen
In vielen Netzwerken werden Geräte zur Visualisierung oder auch Embedded Computer eingesetzt. Diese Systeme sind meist nicht mit PoE-Funktionalität ausgestatten und müssen daher gewöhnlich verkabelt werden. PoE-Splitter ermöglichen, solche Geräte ebenfalls mit nur einem Cat5-Kabel zu betreiben. Zum PoE-Splitter wird ein Kabel verlegt, welches Strom und Netzwerk überträgt. Der Splitter trennt diese Signale dann wieder in separate Ausgänge. Das Endgerät wird dann vom Splitter zum Einen mit Strom, zum Anderen mit Ethernet versorgt.
Die Zukunft von PoE
Power over Ethernet in der Industrie steht noch am Anfang und hat noch einen weiten Weg zu gehen, bis es voll implementiert ist. Es bietet jedoch große Möglichkeiten für die Konnektivität innerhalb vieler Anwendungen.
Die Vorteile eines einzelnen Cat5-Kabels für Strom und Netzwerk, kombiniert mit einem zentralen Strommanagement und die Möglichkeit für sicheren DC Niederspannungs-Strom sind eine wichtige Technologie für die Zukunft.
Im Moment sind PoE-Anwendungen vor allem auf Wireless Access-Points, Videoüberwachung und Industrielle Videoverarbeitung beschränkt. Jedoch sind Anwendungen in Verbindung mit Sensoren nicht weit entfernt.
Als immer weiter akzeptierter Standard innerhalb industrieller Anwendungen werden mehr Geräte PoE-konform entwickelt. Zum Beispiel gibt es heute schon einige Firmen, welche Sensoren mit Ethernet-Anschlüssen im Programm haben. Diese Sensoren können direkt ins Netzwerk integriert werden und benötigen keine analogen Transmitter. Mehrere Konsortien industrielle Feldbusse sind an der Evaluation, 802.3af Konformität bereit zu stellen, was weitere PoE-Anwendungen in der Zukunft in Aussicht stellt.