Mit Power over Ethernet (PoE) werden PoE-fähige Geräte – beispielsweise Überwachungskameras – über ein Kabel mit Daten und Spannung versorgt. Auf diese Weise lässt sich der Verdrahtungsaufwand reduzieren, die Vernetzung gestaltet sich flexibler und aufgrund der schlanken PoE-Verkabelung werden Installationskosten eingespart. Neben der Belieferung im Videoüberwachungsbereich hat sich PoE schnell zur Versorgung der in Bürogebäuden verbauten IP-Telefone etabliert. Auf dem Markt sind heute PSE-Geräte (Power Sourcing Equipment), wie Switches und Injektoren, zahlreicher Anbieter verfügbar. Die meisten Komponenten eignen sich allerdings nur für die Nutzung in der Gebäudeinstallation oder im heimischen Umfeld. Sie bieten einfache Spannungsversorgungskonzepte, sind wenig robust und somit günstig in der Anschaffung. PoE kommt jedoch mittlerweile auch in Industrieapplikationen zum Einsatz. Hier gibt es viele Anwendungsmöglichkeiten, z.B. die Belieferung von WLAN Access Points. In der industriellen Automation wachsen die Anforderungen an performante Kommunikationsnetzwerke zunehmend. Die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit der Applikation rücken immer mehr in den Vordergrund. Um den Ansprüchen sämtlicher Nutzungsbereiche gerecht zu werden, ist eine hohe Robustheit der Geräte gefordert. Zur Absicherung vor Gefahren, die sich aus Überspannungen, unterschiedlichen Potentialen und EMV-Einflüssen ergeben, bedingen insbesondere Ethernet-Installationen mit ausfallsicheren Schutzmechanismen.
Galvanische Trennung interner DC/DC-Wandler
Wird eine PoE-Versorgung unter industriellen Aspekten benötigt, sollten die Komponenten ebenfalls den üblichen Voraussetzungen für eine robuste Nutzung entsprechen. Ergänzend zu einem hohen Temperaturbereich sowie Schock- und Vibrationsfestigkeit muss eine EMV-Festigkeit vorhanden sein. Die Erdung der Geräte erfolgt über die DIN-Rail-Montage. Bei der Installation im Schaltschrank sieht das Versorgungsspannungskonzept eine Gleichspannung von 24VDC nominal oder 48VDC nominal vor. Damit die PoE-Versorgungsgeräte nicht erhitzen, sind zahlreiche PSE mit 48 bis 57VDC zu beliefern. Einige PoE-Komponenten – etwa Injektoren – verfügen zudem über einen Weitspannungsbereich von 18 bis 57VDC. Um eine 24V-Versorgung auf die benötigte PoE-Spannung von 54V zu erhöhen, beinhalten die Geräte einen internen DC/DC-Wandler. Gerade bei PoE, wo mitunter hohe Ströme auf dem Netzwerkkabel fließen, ist eine galvanische Trennung des Wandlers wichtig, die aktive industrielle Netzwerkkomponenten in der Regel bieten. In Videoüberwachungsanlagen mit einer PoE-Versorgung werden allerdings PoE-Switches oder -Injektoren verwendet, die keine Trennung im Netzteilkonzept aufweisen. Da PoE hier anfangs vornehmlich zur Anbindung von Kameras eingesetzt wurde, gab es keine entsprechenden Anforderungen.
Eine Frage der Sicherheit
PoE-Komponenten, die den kommenden Standard IEEE 802.3bt erfüllen, können bis zu 90W Leistung an Endgeräte abgeben. Dabei fließen bis zu 960mA auf einem Adernpaar. Folglich kann ein Kurzschluss zwischen den PoE-führenden Datenleitungen gegen den Kabelschirm zur Zerstörung der Komponente führen. Schlimmer ist jedoch die Gefahr, dass vorgeschaltete Netzteile und andere Geräte im Versorgungssegment nicht mehr funktionieren. Daher umfassen die PoE-Injektoren von Phoenix Contact optional eine galvanische Trennung des internen Netzteils. So lassen sich die erheblichen aus einem Anlagenausfall resultierenden Kosten vermeiden. Ferner ist die Nutzung galvanisch getrennter Netzteile in vielen Anwendungen vorgeschrieben. Bei einem Gerät ohne Trennung des internen DC/DC-Wandlers kommt eine einfache Messung zu einem interessanten Ergebnis. Wenn das PoE-führende Kabel ohne Last betrieben wird, erfolgt keine Aushandlung der PoE-Versorgung und auf dem Kabel darf keine PoE-Spannung anliegen. Die Voltmeter-Messung zwischen Pin 1 des Kabels und dem GnD der Versorgungsspannung ergibt allerdings 54V. Allein durch einen Kurzschluss im nicht beschalteten Zustand können hier schon hohe Ströme fließen. Bei Hinzunahme eines 24Ohm-Widerstands in die Messverbindung steigt der Messwert auf 2A. Aus Sicherheitsgründen sollten Komponenten wie Injektoren oder Switches also eine galvanische Trennung aufweisen. In diesem Fall ist im nicht belasteten Zustand weder Spannung noch Strom feststellbar.
Weitere Einsatzbereiche
IEEE 802.3 bt wird auch als 4PPoE (Four Pair PoE) oder PoE++ bezeichnet, definiert die weiteren Leistungsklassen fünf bis acht und verwendet bis zu vier Adernpaare des LAN-Kabels für die Spannungsübertragung. Bei voller Leistung von 90W müssen am PD 71W ankommen. Der Rest verbleibt als Verlust auf der Leitung, die maximal 100m lang sein kann. Im Vergleich zu den PD bei PoE+ mit 30W Ausgangs- und 25,5W ankommender Leistung ist dies somit ein deutlicher Zuwachs. Das eröffnet zusätzliche Anwendungsbereiche für PoE. Neue Geräte werden den PoE-Markt zudem beflügeln. Wo die hohe Leistung bisher für PTZ-Kameras (Pan Tilt Zoom) mit separater Infrarotbeleuchtung eine große Rolle spielte, kommen jetzt weitere Einsatzbereiche wie Kioske (Bestellterminals) oder POS-Terminals (Point of Sale) zum bargeldlosen Bezahlen hinzu. In der Automatisierung werden Monitore, abgesetzte PCs, HMIs oder Thin Clients über PoE gespeist. Im Bereich der Gebäudeautomation eignet sich der Standard z.B. zur Ansteuerung und Versorgung der LED-Beleuchtung.
