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6-2013

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Kommunikation

Kommunikation Stromversorgung im rauen Alltag – Power-over- Ethernet für industrielle Umgebungen Power-over-Ethernet kann entweder vom Switch bereitgestellt werden (so genanntes Endpoint-Verfahren, „Powered Switch“), oder – falls der Switch diese Möglichkeit nicht bietet – durch so genannte Injektoren. Injektoren besitzen zwei RJ-45- Anschlüsse pro Ethernet-Link: Ein Anschluss („Data In“) wird mit dem Switch verbunden und empfängt die Ethernet-Daten. Der zweite („Data and Power Out“) leitet die Daten inklusive der Stromversorgung an das Endgerät weiter. Bild 1: MS656030 - kompakter 2-Port Industrial Power-over-Ethernet+ Injektor mit hoher Packungsdichte Schon längst hat Industrial Ethernet, das „Ethernet für industrielle Umgebungen“, die Fertigungshalle verlassen und ist zum Synonym für Ethernet-basierende Anwendungen geworden, deren Umgebungsbedingungen besonders hohe Anforderungen an die Produktlösungen stellen. Transportwesen, Energiegewinnung, Berg-/ Tagebau und nicht zuletzt die Sicherheitstechnik bauen verstärkt auf Ethernetfähigen Lösungen auf. Ethernet bietet neben einem einheitlichen Kommunikationsprotokoll noch einen weiteren Vorteil: Mit Power-over-Ethernet können Endgeräte über die Kupferdatenleitung mit Strom versorgt werden. Steckdosen und Netzteile werden dadurch nicht mehr benötigt. Dies bietet einen signifikanten Autor: Dipl.-Ing Thomas Kwaterski, Geschäftsführer bei Microsens Bild 2: MS655033X - Power-over-Ethernet Injektor für raue Umgebungen; durch einen internen Step-Up DC/DC-Wandler kann er mit einer Spannung zwischen 24 und 48 VDC versorgt werden Kostenvorteil, denn die Installation von dezentralen 230-V-Steckdosen für die Endgeräte ist teuer. Sie muss durch einen Elektriker erfolgen, was neben den Kosten auch einen höheren Koordinationsaufwand bedeutet. Industrial Ethernet: robust und zuverlässig Geräte des Industrial Ethernet müssen sehr viel robuster und zuverlässiger sein als herkömmliche Lösungen, wie man sie aus Büro oder Heimnetzwerk kennt. Sie verfügen über einen erweiterten Temperaturbereich, unterstützen redundante Netztopologien wie die Ringverkabelung und sind deutlich unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen. Die Stromversorgung der Geräte muss dem ebenfalls Rechnung tragen. Vorteile von Power-over-Ethernet Power-over-Ethernet, kurz PoE, vereinfacht die Infrastruktur und den Betrieb von Datennetzen. Weltweit millionenfach bewährt, greifen im industriellen Umfeld Wireless LAN Access Points, Kameras für drinnen und draußen, Steuerungen, Signalgeber, Funkanlagen, Laserlinks, Barcode- und RFID-Leser ebenso auf Power-over-Ethernet oder die leistungsfähigere Variante Power-over-Ethernet+ zurück, wie Anwendungen der Verkehrsüberwachung und Verkehrssteuerung, der Fertigung, des Transportwesens und der Logistik. Einfache Funktion erleichtert Marktakzeptanz PoE und PoE+ sind praxisgerecht einfach konzipiert. Sie unterscheiden stromgebende Geräte (Power Sourcing Equipment, kurz PSE) und stromaufnehmende Geräte (Powered Device, kurz PD). Das PSE erkennt über Kapazität und Gleichstromwiderstand, ob ein angeschlossenes Endgerät PoE-fähig ist. Falls ja, erhöht das PSE die Spannung schrittweise bis zum Maximalwert, den das Endgerät braucht. Injektoren und Switches für Industrial Ethernet Injektoren und Switches für Industrial Ethernet unterscheiden sich zwangsläufig von herkömmlichen Lösungen für die Büroumgebungen. Robuste Metallgehäuse, erweiterte Schock- und Vibrationsfestigkeit, erweiterter Temperaturbereich von -40 °C bis +75 °C und hohe Packungsdichte bei gleichzeitig wirtschaftlichen Preisen sind manchmal echte Herausforderungen. In vielen kleineren Anwendungen müssen nur zwei Geräte – eine IP-Kamera und ein WLAN Access Point – versorgt werden. Injektoren, die auf engem Raum zwei PoE+-Links besitzen, bieten deutliche Vorteile bei Platzbedarf und Kosten (Bild 1). Ein besonderes Plus bieten Injektoren, deren eigene Spannungsversorgung durch einen internen Step- Up DC/DC-Wandler in einem breiten Bereich zwischen 24 bis 48 Volt DC liegen kann (Bild 2). Dadurch muss für den Injektor kein eigenes 48 VDC- Netzteil angeschafft werden. Wirtschaftliche Vorteile durch Switch-Modularität Lösungen für Industrial Powerover-Ethernet müssen einfach und unkompliziert zu handhaben und zu konfigurieren sein. Robuste Switches sind idealerweise modular aufgebaut und erweiterbar, damit der Anwender nur in das investieren muss, was er auch wirklich nutzt. Mit der Profi Line Modular Serie stellt Microsens neueste Switching-Lösungen mit einer hohen Portanzahl bei voller Gigabit Performance vor (Bild 3). Bereits der Basis-Switch besitzt 13 Giga- 24 PC & Industrie 6/2013

Kommunikation bit Ports bei minimalem Platzbedarf und ermöglicht eine bedarfsgerechte Erweiterung nach dem „Pay as you grow“-Prinzip. Alle lokalen Kupferports bieten je nach Versorgungsspannung PoE oder PoE+. Die Glasfaseranschlüsse werden über entsprechende SFP-Steckplätze realisiert. Switch-Erweiterungsmodule mit sechs oder zwölf Gigabit Ports werden einfach seitlich angereiht. Mit einem solch modularen Konzept können maximal 17 Kupferports mit PoE/PoE+ Funktionalität samt acht weiteren TX/SFP Combo-Ports bedarfsabhängig und wirtschaftlich realisiert werden. Power-over-Ethernet bei Glasfaserstrecken Gemäß Norm sind Ethernet-Strecken mit Kupferleitungen auf eine Leitungslänge von 100 Metern begrenzt. Bei größeren Entfernungen sind Glasfaserleitungen vorzusehen. Da Glas elektrischen Strom nicht leitet, ist bei Glasfasernetzen keine Versorgung der Endgeräte über die Power-over-Ethernet (PoE) Standard IEEE 802.3af IEEE 802.3at Spannung 48 VDC nom. (44 bis 57 V am PSE) (37 bis 57 V am PD) max. Stromstärke 350 mA 600 mA max. Leistung am PSE 15,4 W 34,2 W max. Leistung am PD 12,95 W 25,5 W PSE = Power Sourcing Equipment, stromgebendes Gerät („Stromquelle“) PD = Powered Device, stromaufnehmendes Gerät („Verbraucher“) PoE und PoE+ im Vergleich Datenleitung möglich. Dieses Problem lösen PoE-Medienkonverter. Sie stellen den angeschlossenen Endgeräten nicht nur Daten, sondern auch Strom über Power-over- Ethernet/Power-over-Ethernet+ zur Verfügung. Dies ist besonders bei der punktuellen Anbindung von Endgeräten in harten Umgebungen wie dem Produktionsumfeld interessant. WLAN Access Points und IP-Kameras werden hier bei elektromagnetischen Belastungen der Umgebung oder notwendigen Leitungslängen von mehr als 100 m mit Glasfaserleitungen angebunden. Energiemanagement mit PoE/PoE+ Lösungen für industrielle Anwendungen müssen nicht nur zuverlässig, sondern auch wirtschaftlich sein. Ein wichtiger Punkt sind dabei mögliche Einsparungen durch die richtige Dimensionierung und das Management von Stromversorgungen. Nicht jedes PoE-fähige Endgerät benötigt die maximale Leistung, die mit Power-over-Ethernet+(PoE+) 53 V DC nom. (50 bis 57 V am PSE) (42,5 bis 57 V am PD) PoE und PoE+ möglich ist. Der PoE-Standard definiert Leistungsklassen für die zu versorgenden Geräte und ermöglicht damit eine Optimierung der Stromversorgung, doch nicht alle Hersteller nutzen sie konsequent. Durch NMP (Network Management Platform) hat Microsens schon frühzeitig ein intelligentes, applikationsbezogenes Energiemanagement auf der Basis der IEEE- Standards ermöglicht. Mit NMP ist eine geräte- und anschlussbezogene Bereitstellung der Switch- Abgabeleistung über PoE in sehr feinen Abstufungen möglich, was je nach Anwendung zu einer optimierten Auslegung der Stromversorgung und damit der Senkung der Investitionsausgaben führt. Die Bedeutung des Energiemanagements wird künftig weiter zunehmen: Power-over-Ethernet mit 60 W und mehr ist bereits in Vorbereitung. Fazit PoE und PoE+ haben sich in industriellen Anwendungen millionenfach bewährt. Technische wie wirtschaftliche Vorteile machen die Stromversorgung von Endgeräten über die Datenleitung in einer Fülle von Anwendungen zur bevorzugten Technologie, und ständig kommen neue Anwendungen für PoE und PoE+ hinzu. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass gerade bei Industrial Ethernet PoE/PoE+- Komponenten besondere Anforderungen an Zuverlässigkeit, Ausfallsicherheit und Wirtschaftlichkeit erfüllen müssen. • MICROSENS GmbH & Co. KG www.microsens.de Fernwartung per Smartphone Bild 3: Modulare Industrial Ethernet- Switche von Microsens mit PoE+ bieten höchste Performance auf engstem Raum und sind bedarfsabhängig erweiterbar („Pay as you grow“) Neben der klassischen Fernwartung ermöglichen die Industrie-Router mbNET auch die Überwachung von Produktionsund Gebäudeanlagen per Smartphone. Unabhängig von Zeit und Ort können Betreiber den momentanen Betriebszustand und aktuelle Verbrauchswerte ihrer Anlagen abfragen. Dazu hat MB Connect Line die Industrie-Router mit der mbNET.toolbox ausgestattet. Diese umfasst verschiedene Software-Erweiterungen wie eine freie Scriptsprache, eine Datenbank, FTP-Server/Client-Funktionalität sowie eine Webvisualisierung. Der Aufbau der Visualisierung erfolgt durch das Verknüpfen der mitgelieferten Widgets (Anzeige- und Steuerelemente) mit der Datenbank. HTML- oder Programmierkenntnisse sind dazu nicht erforderlich. Die Webvisualisierung ist für Smartphones und Tablet-PCs optimiert und mit jedem Standardbrowser darstellbar. Auf spezielle Clients oder Apps wird bewusst verzichtet. • MB Connect Line GmbH www.mbconnectline.de PC & Industrie 6/2013 25

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