發布日期：2022-07-14 點擊率：35
在許多工業領域，以太網供電（Power over Ethernet，PoE）已經成為一種流行技術，其發展速度令人關注。但這并不值得大驚小怪，因為PoE能夠為某些工業設備帶來實實在在的安裝靈活性，而PoE的高級版本PoE+更是如此。PoE可以用同樣的電纜與所連接的設備雙向傳送數據，并同時輸送電力，其廣闊的應用范圍和技術上的可行性，使得在空間受限制或者難以獲得電力的地方安裝網絡設備不再是一個難題。
工業用PoE設備必須能夠適應嚴酷的操作環境、不同的電力系統和網絡管理需求。最新的增強型工業級PoE設備就可以滿足這種需求，并且具有安裝靈活性，支持多種管理設備。
標準，是第一個用來定義經由以太網基礎設施輸送電力的國際標準。該標準使用的是啟動設備端的一種物理層分類方法，即把受電端設備（PD）分成五個級別，并指定了供電端設備（PSE）的最大功率電平輸出。
0級：（缺省）
1級：4W
2級：7W
3級：
4級：為將來使用預留
因此，VoIP電話和其他一些裝置都可以通過已有的Cat5（及以上）以太網網絡獲得電力，公司可以不需要電就能把各部門、會議與培訓室、呼叫中心等組織在一起，甚至可能快速而簡單地把這些辦公區域再定位。但是，當初2003年PoE標準中的對工業網絡來說比較受限制，未來傾向于使用更大的功率
PoE+帶來新期望
PoE的分類中第4級中考慮到了未來的發展——2009年，PoE+ 被納入了標準。之所以出現這一升級版標準，是因為新一代的用電設備需要更高的電力，越來越多的受電端設備所需要的電力超出了規定的范疇。這些設備主要包括 WiFi接入點設備、聯網LED顯示板（LEDs實際所需的功率超出了 PoE線所限定的）、覆蓋更大范圍的高性能無線裝置（多功能分集接受射頻前端需要更大的功率）、電動PTZ安全監控攝像頭、上網本和具有視頻會議等高級功能的IP電話。室外用攝像頭的集成加熱裝置也需要電力。所有這些設備都受益于標準的出現。
利用PoE+的增強型千兆以太網設施還能夠為道路管理網絡提供理想的建設基礎。長距離光纖足以覆蓋一個完整系列的交通信號燈設施與相關系統，比如智能信號燈、交通監控攝像頭、傳感器和嵌入式電腦，以太網電纜延伸到哪里，PoE+裝置就可以用到哪里。
表1. PoE與PoE+標準參數對比
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業界中Cat5電纜標準的不斷提高對該項技術也有所幫助，因為電纜的電阻減小能夠大大增加電纜所輸送的電流而不至于使電纜過熱。并且，PoE+是要求用Cat5（8線）電線替代Cat3（4線）電線，因為兩條四線電纜能夠輸送更多的電力。所以，標準能夠讓電源端設備（PSE）的功率提高到，用電端設備的功率提高到，電流可以高達600mA，電壓可以提高到50-57V（用電端42.5-57V）。參見表1 PoE參數的對比。
這足以為現行的一般網絡邊際設備提供電力，但是，從網絡數據電纜中汲取更多電力的開發并沒有停止。已經有制造商聲稱可以提高到60W，甚至更高，嚴格來講他們的產品已經不符合的規格要求。限定性因素并不在于供電端，而是在Cat5電線上。即使是，Cat5電線通常也需要降低溫度值來避免線纜過熱。
分級方式
標準所定義的用電端設備類別與標準相同，其目的是為了保證向后兼容。1型用電端設備是符合標準的設備，其最大功率需求是。供電端設備利用單層分級法（1-Event Physical Layer Classification）來為1型PD用電端設備提供電力。
2型用電端設備所需要的功率從提高到，它們必須支持以下分類方法：
1）雙層分級（2-Event Physical Layer Classification），即供電端設備發射兩種類別的脈沖用來探測用電設備。支持標準且所需功率大于的用電端設備會發送第四類信號給電源端設備。
2）數據鏈接層分級。在這種方法中，供電端設備只發射一種分類脈沖并為用電端設備提供電力，用電設備隨之利用一種類似于鏈路層發現協議（LLDP）的數據鏈接層協議開始與電源端設備進行通訊。利用LLDP協議，用電設備與供電設備就可以協調電力的使用了。
請注意，標準要求用電端設備必須支持兩種分級方法，而要求電源端設備只支持一種方法即可。
PoE辨識機制
標準擴展了單一基礎設施的服務范圍，其過程也同樣很簡單，因為它定義了電源端設備和用電端設備之間的一種新的通訊與辨識方法。在標準中，硬件層（層一）分類是選擇性的；但在標準中，這種分類是強制性的，并且還增加了一種數據層（層二）分類方法，即鏈路層發現協議（LLDP）。LLDP允許電源端設備向用電設備重復發送狀態信息請求，并隨之對電力進行動態分配。因此，用電端設備能夠更有效地使用電力，在需要時只發送最低的電力需求即可，因而能夠明顯節省費用。標準的這一特性尤其適用于那些必須在意電力消耗的應用，比如用蓄電池或者太陽能電池供電的遠程系統。
PoE+網絡
任何一個PoE+網絡的建設，首先應該是它的供電端設備，因為它要為用電設備提供電力。一般來說，電源開關通過一些與/標準相容的PoE/以太網組合接口來提供電力。其特征是，舉例來說，10/100M、全雙向/半雙向和MDI/MDI-X（介質相關接口/交叉模式介質相關接口）自動感應。這種規格可以提供經濟實用的PoE+系統基礎，還能夠允許現有的PoE系統支持更多的用電設備以適應未來的發展。一個由PoE適切管理的開關電源允許使用高級管理方式和協議支持，包括SNMP（簡單網絡管理協議）安全、組播過濾、服務質量和自動報警等。
PoE+的另一個好處是，它允許在一個RJ45連接器上存在兩個用電端接口，一個以模式A操作，另一個以模式B操作，只要模式B的限制是從用電端設備是否能夠接受PoE這個角度來理解，PoE+就會具有更高的安裝靈活性。所以，盡管PoE+能夠提供很多好處，但大家所關注的焦點大多還是怎樣充分利用PoE的靈活性。通常這意味著要使用能夠滿足用電端設備性能需求的工業增強型電源端設備，而不是滿足功率需求的設備。
工業以太網的通用特征是即插即用式安裝。所使用的設備可以進行加強設計，使其能夠達到-50℃到95℃的操作溫度范圍。它們能夠提供絕對的EMI/RFI（電磁干擾/射頻干擾）干擾抑制和保護，并且可以進行共形封裝保護，以避免潮濕、腐蝕性化學品和鹽類噴濺的侵蝕。
工業PoE開關電源還必須具有帶寬與管理裝置，用來處理以高數據傳送速率使用巨量帶寬的應用。這種組播通訊必須加以有效管理，以防止不必要的數據溢滿整個網絡。其中最好的基礎設施元件還能夠把提供IGMP（因特網組管理協議）管理軟件作為標準配置，這種軟件的好處是能夠提供一種管理這些數據流量的方法。
電力線以太網（EoP）
電力線以太網（或者叫電力線網絡）是“無需鋪設新線”就可以聯網這一概念的另一個亮點。它利用建筑物或者設施中已經存在的動力線來創建網絡，以降低安裝成本。任何存在電源插座的地方都可能成為一個網絡接口。市場上有各種各樣的以太網開關，即含有通過總電源線傳送數據所需要的以太網橋接電路的適配器。
市場上出現的較早產品是Intelogis公司開發的基于Passport參數規格的版本。用今天的性能標準來看，它的速度太慢，還不足一兆，即便是要達到這樣的速率還要看電纜的狀況和實際的功率使用情況。再后來出現在市場的產品是基于PowerPacket（電力包）參數規格由Intellon公司所開發的。該產品的速度要快很多，它不會受電力線電力中斷的影響；在保持連接和速率方面的性能要好得多，并且不會因為電線狀況而造成信號衰減。雖然用電力線來處理數據傳輸不太理想，但是PowerPacket使用正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）能夠提供可靠的數據通信。
正交頻分復用技術是電話線網絡中所使用的頻分復用技術（FDM）的一種變化方式。利用正交頻分復用技術， 數據載波上的頻率值可以分成84個獨立的次級載波。把數據包同時用幾個載波頻率傳送，速度更快，性能更可靠。如果電力使用中出現的噪聲或者電涌使一個頻率中斷，PowerPacket芯片就能感測到，它便會把這些數據轉移到另一個載波上。這種速率調節設計能夠讓PowerPacket在電力網絡中保持以太網級的連接，并且不會丟失數據。
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該技術在重要工業應用中的可靠性和有效性如何呢？第一個問題是傳輸速率。200Mbps通常被認為是最高速度，雖然也有人說500Mbps，即便是這樣，離千兆速率也有很大的差距。第二個問題，每一條電力線都存在大量噪聲和頻率依存性信號衰減問題；隨著傳送速率的提高，錯誤率也可能會提高。所以，通訊速度越快，連接就可能越不可靠。較高程度的錯誤偵測和一般程度的通信穩健性必須從一開始就設計到網絡中。
最后一個問題是，到目前為止，市面上各種各樣的EoP解決方案遠沒有達到現實世界工業應用中對增強型產品的要求。
展望未來
工業以太網供電的前景如何呢？在去年11月份于德國紐倫堡舉行的SPS Drives 展會上，西門子工業自動化公司的Ewald Kuk先生透露了一絲端倪。他對我們說：“對工業自動化應用來說，PoE將來會越來越多地進入到終端設備和遠程I/O中。這種情況現在還沒有出現，是因為可以傳送的電力還比較低。PoE+可以通過提供30W或更高的電力來為此提供幫助，最新的設備都有這樣的功率需求。但是，很多新接入點設備的操作和大多數的I/O的操作會需要更多的電力，并且，用來驅動電機所需要的電力更是要多得多。
“我們有具有PoE功能的開關電源，也有接入點設備，但目前因為電力問題還沒有帶有PoE功能的遠程I/O。但在未來，我們覺得幫助解決這一難題的方法之一是減少設備的能源需求。我們相信，利用電力消耗更少而效率更高的芯片等技術我們能夠做到這一點。
Kuk先生接著說：“在與各種速度驅動和電機有關的地方，我們目前還不能使用PoE甚至是PoE+，因為它們的電力需求要高得多；需求已經存在，但這是一段時間以后的事；或許是在接下來的五年中。然而，在一個單軌應用中，我們確實已經做了引導性設備安裝，其中使用無線電源的無線通訊能夠提供100W以上的電力。這種‘Wireless Po-Air’運作良好，但問題是，當你從空中獲得電力時，無論通過什么方式導入，人們都會覺得不安全，即便它確實是很安全的。他們不喜歡這種做法。通過電線傳送較高的電力，他們并不擔心，他們擔心的是通過無線方式！我們正在進一步研究這方面的事情。”
結語
在2003年作為標準引入并且在2009年更新為標準，以太網供電對靈活、低成本、可靠的工業網絡做出了重要貢獻。不僅PoE和PoE+能夠讓大量的網絡設備在沒有電力的遠程地點獲得電力，而且PoE還將會持續地推動工業應用進行重大變革。把信號和電力混合在一條以太網線纜連接中的優勢，將為向基于工業控制系統的以太網的快速轉變做出貢獻。
利用現代化增強型的供電端設備和用途日益廣泛的用電端設備，PoE和PoE+正在為具有大型數據傳送速率和需要電力靈活分布的應用提供更好的解決方案。工廠的地面安裝，尤其是那些網絡邊際現場設備的安裝，正在變得越來越簡單。并且，由于限定了高壓應用中的最高電壓，把電流和故障保護納入到標準中，從本質上來說，PoE和PoE+是安全的電力技術，所以與之兼容的工業開關電源也應該符合產品安全檢測和認證服務提供商Underwriters Laboratories (UL)公司關于安全工作環境的額定安全低電壓（Safety Extra Low Voltage，SELV）分類，這將會促成更深層的工業應用。
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