Mit der zunehmenden Vernetzung von Maschinen, Kameras, Access Points und industriellen IoT-Geräten wird die Stromversorgung zu einem integralen Bestandteil der Netzwerkplanung. Power over Ethernet (PoE) verbindet beide Ebenen: Ein Ethernet-Kabel überträgt Daten und elektrische Leistung gleichzeitig. Damit wird die Netzwerkinfrastruktur auch zum Pfad für die dezentrale Energieversorgung.
Das Grundprinzip unterscheidet zwischen Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Device (PD). Das PSE speist die Energie in die Leitung ein, das PD nimmt sie am anderen Ende auf. Ein PSE kann im Switch sitzen oder als Midspan zwischen Switch und Endgerät angeordnet sein. Der PD-9601GCI arbeitet als Single-Port-Midspan: Der Datenpfad vom Switch wird über „Data In“ geführt, die DC-Versorgung separat eingespeist und am zweiten RJ45-Anschluss als „Data & Power Out“ zum Endgerät weitergegeben.
Vier Adernpaare für höhere Leistung
Für höhere Leistungsbereiche ist IEEE 802.3bt entscheidend. Während die PoE-Typen 1 und 2 die Versorgung über zwei Adernpaare vorsehen, nutzt IEEE 802.3bt für die höheren Leistungsklassen alle vier Paare der Ethernet-Verkabelung. Type 4 definiert eine garantierte PSE-Leistung von 90 W. Die am Powered Device verfügbare Mindestleistung liegt wegen der zu berücksichtigenden Leitungsverluste niedriger: Für Type 4 werden mindestens 71 W am PD spezifiziert.
Vor dem Einschalten der Versorgung prüft das PSE, ob ein kompatibles Powered Device angeschlossen ist. Über Detektion und Klassifizierung werden Eignung und Leistungsbedarf bestimmt. IEEE 802.3bt erweitert dafür die Leistungsklassen und die bei der Aushandlung ausgetauschten Informationen. Für Entwickler heißt das: Nicht nur die Nennleistung des Endgeräts, sondern auch PoE-Klasse, PSE-Leistung und die Verluste auf der Leitung müssen in das Power Budget eingehen.
Midspan statt Switch-Tausch
In Bestandsanlagen ist ein Midspan interessant, wenn vorhandene Ethernet-Switches keine PoE-Funktion besitzen oder nicht die benötigte Leistungsklasse bereitstellen. Der Daten-Switch bleibt bestehen, während die Leistungseinspeisung nachträglich in die Verbindung integriert wird. Beim PD-9601GCI dienen dafür zwei geschirmte RJ45-Buchsen. Unterstützt werden 10/100/1000BASE-T und damit Datenraten bis 1 Gbit/s.
Für die Ethernet-Strecke vom Netzwerkgerät bis zum entfernten Endgerät sind maximal 100 m vorgesehen. Die Kombination aus Daten- und Energiepfad reduziert besonders bei dezentral montierten Geräten den Installationsaufwand. Statt Ethernet und eine separate Niederspannungsversorgung zum Verbraucher zu führen, übernimmt die Netzwerkleitung beide Funktionen.
20 bis 60 V DC auf der Eingangsseite
Auf der Versorgungsseite arbeitet der Midspan mit 20 bis 60 V DC. Die Energie wird über einen abnehmbaren sechspoligen Klemmenblock zugeführt. Zwei getrennte DC-Eingänge ermöglichen die Versorgung aus separaten Quellen. Zusätzlich steht ein Öffnerkontakt zur Alarmierung zur Verfügung: Fehlt an einem oder beiden Eingängen die Versorgung, öffnet das Relais. Damit kann der Zustand der Einspeisung in eine übergeordnete Anlagenüberwachung eingebunden werden.
Für die Eingangsbeschaltung sind Leitungen mit einer Stromtragfähigkeit von 6 A und einem Leiterquerschnitt entsprechend AWG 16 pro Anschluss vorgesehen. Die beiden RJ45-Schnittstellen sind als SELV beziehungsweise ES1 klassifiziert. Die Integration des Midspans ist damit nicht nur eine Netzwerk-, sondern ebenso eine Aufgabe der Stromversorgungs- und Schutzkonzeption.
Temperatur beeinflusst die verfügbare Leistung
Ein wichtiger Faktor für das Power Budget ist die Umgebungstemperatur. Der PD-9601GCI stellt die spezifizierten 90 W bis zu einer Umgebungstemperatur von 65 °C bereit. Bei 75 °C reduziert sich die Ausgangsleistung auf 60 W. Insgesamt reicht der spezifizierte Betriebstemperaturbereich von -40 bis 75 °C. Für Entwickler bedeutet das: Die maximale PoE-Leistung muss gegen die thermischen Bedingungen am tatsächlichen Einbauort geprüft werden.
Das Stahlgehäuse misst 77,5 × 126 × 40,8 mm und wiegt 675 g. Für die industrielle Integration sind unter anderem DIN-Schienen- und Wandmontage vorgesehen. Hinzu kommen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit; dokumentiert sind beispielsweise EN 55032 Class A und EN 55035.
Stromversorgung wird Teil der Netzarchitektur
Mit IEEE 802.3bt Type 4 lässt sich ein deutlich höherer Leistungsbereich über standardisierte Ethernet-Verkabelung erschließen. Die 90 W am PSE bedeuten dabei nicht automatisch 90 W verfügbare Leistung am Verbraucher: Kabelverluste, Leistungsklasse und Betriebsbedingungen müssen bei der Dimensionierung berücksichtigt werden. IEEE 802.3bt trägt dem mit der Vierpaar-Speisung und einer erweiterten Leistungsklassifizierung Rechnung.
Für die Entwicklung müssen Netzwerk und Stromversorgung deshalb gemeinsam betrachtet werden. PSE- und PD-Klasse, Leitungslänge, Power Budget, DC-Eingangsversorgung, Redundanz und Temperatur bestimmen zusammen, wie zuverlässig ein Endgerät über Ethernet versorgt werden kann. Ein industrieller Midspan ist damit mehr als ein PoE-Adapter: Er ergänzt vorhandene Ethernet-Strukturen um einen definierten Versorgungspfad und macht die Netzwerkleitung zum gemeinsamen Transportmedium für Daten und Energie.
