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PoE设计六大重点 满足垂直应用需求
 

【作者: 王明德】2019年08月19日 星期一

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在工业乙太网路中,PoE一直是重点技术,尤其是近年来物联网概念深入各类型垂直应用领域,PoE更成为最隹选择,PoE透过乙太网路线提供设备所需电力,让设备布建时,免受电源线的制肘,在部份电源取得不易的地形环境中,如户外的监控摄影机或无人远端设备,PoE不但降低了布建难度,对系统来说,少了电源设计,整体系统将可大幅简化,同时也有助於後续的维修工作。



图1 : PoE设备安装於工业环境中,需要重点考虑的部分,包括可靠性、不同的输出电压、高电压需求和最大功率的限制、宽温操作温度、潜藏的DC断线与监控及管理功能等六大区块。(source:Belden)
图1 : PoE设备安装於工业环境中,需要重点考虑的部分,包括可靠性、不同的输出电压、高电压需求和最大功率的限制、宽温操作温度、潜藏的DC断线与监控及管理功能等六大区块。(source:Belden)

在PoE系统中,交换器是相当重要的设备之一。工业PoE交换器专为工厂环境的应用而设计,然而大多数商用PoE交换器支援的工作温度等级为0~40℃,并且没有发布相关抗震和耐冲击的规格。


再者,工业PoE供电交换器定位的工作温度至少为-20~60℃,并且具备出色的抗震和耐冲击特性,不同於商用PoE技术的应用。由此可知,将PoE设备投放安装到工业应用环境,需要面临大量的挑战,任何一点疏忽都可能导致系统故障、设备损坏或经济损失。


六大重点决定PoE效能

将PoE设备安装於工业环境中,需要重点考虑的,可从可靠性、不同的输出电压、高电压需求和最大功率的限制、宽温操作温度、潜藏的DC断线与监控及管理功能这六大部份来谈:


1.可靠性

可靠性部份可从PSE(供电设备)与PD(用电设备)两边来看。PSE为一个或多个PD设备供电,单一个PSE设备故障将会导致大量PD设备停机;因此不仅PSE本身的可靠性非常重要,为其供电的电源也是必须考虑的重点。


PSE需要在大多数恶劣的工作环境中稳定的运行,如温度、湿度、震动和冲击等等都必须考虑;一款强大的PSE设备甚至需要在未知系统故障时,具备自我保护功能,因此,可以采用UPS或其它供电来避免突然断线,保持输入电源的持续性。



图2 : 近年来物联网概念深入各类型垂直应用领域,PoE成为系统通讯最隹选择。(source:Homeland Security Today)
图2 : 近年来物联网概念深入各类型垂直应用领域,PoE成为系统通讯最隹选择。(source:Homeland Security Today)

在PD可靠性方面,PD的设计需如PSE可靠性描述中同样坚固,以适应恶劣的工业应用环境。一个智慧的PSE可以检测PD设备是否仍为正常运作状态,一旦检测到PD设备断线或故障,会透过多种管理机制将结果回报给IT工作人员,如email、Alarm、SNMP Traps,IT工作人员便可以对故障做出正确的处理。更具智慧化设计的PSE,还会提供供电重置功能,一旦发现故障就可以更加即时重新启动PD设备。


2.不同的输出电压

不同的工业应用有不同电压的需求,以大众运输系统为例,供电系统通常是DC 24V,该电压不在IEEE802.3af标准定义的44VDC~57VDC这个范围内。在多数情况下,必须透过外加变压器来解决该问题,只是这必须要面临一些如安装空间、维护保养和投资成本等细节问题。让PSE能够输出大范围的电压会是最简洁的解决方案,不过这必须满足多种工业应用的不同需要,对PSE设备制造商而言,无疑形成另一挑战。


由於目前PoE的应用对象为各垂直产业,生产型态为少量多样,各类产业所需的电压范围不同,例如前述未提及MRT、铁路与捷运等轨道交通,所需的电压值就有极大差异,如何针对不同产业设计出适当的电压范围,不只是技术上的问题,更扩及到不同领域的产业专业知识与经验。


3.高电压需求和最大功率的限制

随着标准化的发展,愈来愈多的高电量PoE应用投入市场。尤其是即将5G乃至於基站和PZT摄影机此类产品愈来愈多,当高电量应用需求已列入PoE技术规范,提供给PD的供电总量一定不能对现有PSE、缆线或PD设备本身造成任何损害。供电必然产生热能,而热能将会在缆线并列时产生聚热效应,因此出於安全考虑,如果PSE或PD任一设备没有按照标准进行设计,供电过程则需要进行良好的控制,从而防止高温损坏。


4.宽温操作温度

工业应用中,控制设备的存放环境通常位於户外或控制机房,而这些地方往往会出现高低温或高湿度情况,因此,工业级PoE乙太网路供电设备,必须能够在恶劣的环境中稳定可靠的运作。



图3 : PoE设备投放安装到工业应用环境,需要面临大量挑战,任何一点疏忽都可能导致系统故障、设备损坏或经济损失。(source:Windows Central)
图3 : PoE设备投放安装到工业应用环境,需要面临大量挑战,任何一点疏忽都可能导致系统故障、设备损坏或经济损失。(source:Windows Central)

前文提到供电会产生热量,供电量愈大,PoE设备的操作温度升得愈高,伴随着周围的高热量,周围的温度升高将使情况进一步恶化。因此,「宽温」将是工业PoE设备的重点设计。


5.潜藏的DC断线

一些PD产品可能会设计休眠模式用於省电,如果系统空闲一段时间则自动进入休眠状态,在省电模式下,电源功耗会降低。


然而,根据IEEE802.3af标准定义的DC断线规范,如果电量下降到DC断线标准最低值,PSE将会判断PD已经移除并对其停止供电,而後PD会关机并且不会因触发事件被唤醒,这麽一来,应用在工业上就会产生问题。工业应用必须是稳定可靠的,PD设计开发者不能仅局限於省电,需要注意这个潜在的因素,让PSE设备能够提供防止意外DC断线的保护机制。


6.监控及管理功能

在工业环境中,仅仅为PoE设备供电让其运行,往往是不够的。针对每台PD、PSE设备、甚至PSE每个埠的高级监控及管理功能,更重要的是必须要有IT工作人员进行多项系统维护,例如透过PSE各个埠的即时供电总量,有利於监控电流状态与了解PoE埠走势,便有可能提前察觉一些异常情况,如断电、过量供电或供电不足等情况,防止错误产生。


故障侦测还可以事件触发(event-trigger)的方式处理。透过设定状态临界值,任一超过这个临界值的突发事件会触发警报回报给IT工作人员,或启动预设指令。警报资讯可以有多种形式,过去多采Alarm、email、SNMP trap,近年来智慧手机当道,开始有厂商纳入Line、微信等App,随着警报资讯的发出,预设指令会立即执行,在IT工作人员收到警报但还未到达现场进行处理的情况下,先行保护或恢复系统。


此外,PoE系统的供电控制功能,可达到安全管理和节约电力的目的,排程供电控制便是节省电力、降低成本的方法。智慧型监控及管理功能提高了PoE乙太网路供电系统的可靠性、安全性和工作效率,而这三者对工业制造环境来说,恰好是重要性的前三名,PoE的出现,大幅简化了自动化架构的系统复杂度,让运作更为稳定,同时也将成为未来工控乙太网路的主流标准之一。


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