PoE – Power Over Ethernet für das IoT verwenden

Was ist PoE?

Power over Ethernet (PoE) überträgt elektrische Energie und Daten gleichzeitig. Dies erfolgt über Datenpaare auf Ethernet-Kabeln. Dabei bietet PoE sowohl eine Datenverbindung als auch Betriebsstrom für Industrie-, IoT- und sogar Unterhaltungselektronikgeräte.

Die Überlegung, wie Sie Ihren Computer zu Hause mit Strom versorgen, beschränkt sich wahrscheinlich auf die Entscheidung, an welche Steckdose Sie ihn anschließen wollen. Hingegen ist die Stromversorgung von Industrie- und IoT-Geräten häufig viel komplizierter. Somit ist der geringere Stromverbrauch von Industrie-Computern eine attraktive Eigenschaft. Doch die Art der Stromversorgung kann den entscheidenden Unterschied für ihre Langlebigkeit, die Kosten und letztlich den Projekterfolg ausmachen.

Hier kommt Power Over Ethernet ins Spiel. Es ist eine beliebte Alternative zu einer eigenen Stromversorgung. Damit werden Geräte über das bereits angeschlossene Ethernet-Kabel mit dem benötigten Strom versorgt. So ist PoE zu einer beliebten Wahl für die Anwender:innen industrieller Hardware geworden, die die Anzahl der benötigten Kabel in ihrer Infrastruktur reduzieren und gleichzeitig eine verlässliche Stromversorgung sicherstellen möchten.

Wie PoE funktioniert

PoE-Systeme bestehen aus Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Devices (PD). PSEs liefern direkten Strom an ein Standard-Ethernet-Kabel (Cat 5/5e/6). Von dort aus wird der Strom über eine Entfernung von bis zu 100 Metern an ein PD übertragen.

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definiert mehrere Power-over-Ethernet-Standards für eine Vielzahl von Leistungsstufen. Der IEEE ist ein weltweiter Berufsverband für Techniker:innen, Wissenschaftler:innen, Ingenieur:innen und verwandte Berufsgruppen. Die gebräuchlichsten dieser IEEE-Standards sind IEEE 802.3af und IEEE 802.3at. Sie stellen bis zu 15,4 W bzw. 25,5 W für nachgeschaltete PDs über zwei der Datenpaare zur Verfügung. Neuere Standards ermöglichen eine höhere Leistung. So ermöglichen der Typ 2 IEEE802.3bt 60 W und der Typ 3 IEEE802.3bt 100 W. Dazu stellen sie Strom über alle vier Datenpaare bereit.

Alle PSE-Geräte sind in der Lage, nachgeschaltete Geräte mit einer Leistung zu versorgen, die gleich oder niedriger ist als die Einspeiseleistung. Beispielsweise kann ein IEEE-802.3at-konformes PSE sowohl IEEE-802.3at- als auch IEEE 802.3af-Geräte versorgen. Die Fähigkeiten des PSE müssen basierend auf den Anforderungen nachgeschalteter PD-Geräte ausgewählt werden.

Sicherheitsaspekte

Nachgeschaltete Geräte müssen über große Entfernungen mit ausreichend Strom versorgt werden, ohne dass es zu Leistungsverlusten im Übertragungsmedium kommt. Daher legen die IEEE-Normen eine Arbeitsspannung von 55 V DC fest. Außerdem muss sichergestellt werden, dass Nicht-PoE-Geräte und nichtkonforme PoE-PDs nicht durch diese hohe Spannung auf dem Ethernet-Kabel beschädigt werden. Deshalb gibt es mehrere Klassifizierungs- und Erkennungsstufen, die zwischen dem PSE und dem PD ablaufen. Erst dann werden die volle Spannung und das gesamte Leistungsniveau zugelassen.

Während dieses Erkennungs- und Klassifizierungsverfahrens kommuniziert ein spezieller Chip im PSE mit einem anderen integrierten Schaltkreis im PD. Das PSE zeigt dem PD seine Leistungsfähigkeit an. Daraufhin antwortet das PD mit dem von ihm angeforderten Leistungsniveau. Wenn das PSE nicht in der Lage ist, die volle vom PD geforderte Leistung zu erbringen, wird die Verbindung nicht hergestellt. So werden Stromausfälle beim PD vermieden. Erst wenn eine gültige Erkennungs- und Klassifizierungssignatur vorliegt, stellt das PSE dem Netzanschluss die volle angeforderte Leistung zur Verfügung.

Wenn ein PoE-PSE an ein Nicht-PoE-Gerät angeschlossen wird, wird die anfängliche Erkennungsphase vom nachgeschalteten Gerät nicht bestätigt. Also wird kein Strom angelegt. Dadurch sind PoE-fähige Ethernet-Ports sicher zur Verwendung mit Nicht-PoE-Geräten.

Sobald eine Verbindung zwischen einem gültigen PSE und PD hergestellt ist, gibt es mehrere Schutzstufen an beiden Enden. So wird sichergestellt, dass beide Geräte innerhalb der festgelegten Grenzen des IEEE-Standards arbeiten. Die PSE- oder PD-Geräte überwachen die Spannung und den Strom über die Ethernet-Verbindung. Werden Überstrom- oder Überspannungsbedingungen festgestellt, wird die Verbindung unterbrochen. Wenn die Ursache des Fehlers beseitigt ist, erfolgt eine automatische Erkennung. Dadurch wird die Verbindung zwischen PSE und PD wiederhergestellt.

Warum sollten Sie PoE verwenden?

In erster Linie ist PoE extrem einfach zu installieren, da die erforderliche Verkabelung wahrscheinlich bereits vorhanden ist. Zudem ermöglicht es den Nutzer:innen auch, ihre Kosten zu senken. Schließlich entfällt das Verlegen von Daten- und Stromkabeln für neue oder vorhandene Geräte.

Außerdem gibt es auch Power-over-Ethernet-Splittergeräte. Sie ermöglichen es, PoE-Installationen mit älteren Nicht-PoE-Geräten zu verwenden. Ein PoE-Splitter ist ein kleines Gerät, das als PoE-PD fungiert. Es trennt die Strom- und Datenverbindungen von einem vorgeschalteten PSE in einzelne Verbindungen für Daten und Strom. Meist erfolgt dies mit einem geregelten 12- oder 24-V-Gleichstromausgang.

Neben den Einsparungen bei der Verkabelung entfällt auch die Notwendigkeit, Steckdosen für jedes Ihrer Geräte zu finden oder zu erstellen. Die langfristigen Kosteneinsparungen durch den Einsatz einer Power-over-Ethernet-Infrastruktur können erheblich sein. Dies gilt insbesondere, wenn Ihr Unternehmen Hunderte oder sogar Tausende von Geräten benötigt.

Beispiele für PoE in Aktion

Mit der Ausweitung des industriellen Internet of Things (IIoT) nimmt auch die Zahl der PoE-Anwendungen weiter zu. Beispielsweise wird PoE häufig in IP-Kamera- und Wireless-Projekten eingesetzt. Somit ist es in Überwachungsanwendungen allgegenwärtig. Dort ermöglicht es eine schnelle Einrichtung und Bereitstellung. Durch die Kombination von PoE mit Wi-Fi- und/oder Bluetooth-Technologien werden ganze Projekte von der Notwendigkeit einer Wandsteckdose befreit.

Das Technologieunternehmen ‘IKE Solutions mit Sitz in Hawaii nutzt Machine Vision zur Überwachung von Fang- und Sicherheitsprotokollen an Bord von Hochseefangschiffen. Ihre Lösung verwendet mehrere Kameras und komplexe Machine-Vision-Algorithmen. Die Installation des Systems auf einem Schiff brachte Platz- und Energiebeschränkungen mit sich.

Matthew Carnes, der Gründer von IKE Solutions, bedankt sich bei OnLogic und dem Karbon 700 mit PoE-Fähigkeiten. Das System konnte den Platz- und Strombedarf des Unternehmens erheblich reduzieren.

Wie kann OnLogic dabei helfen?

OnLogic hat bereits selbst Kund:innen bei der Entwicklung einer breiten Palette innovativer Lösungen unterstützt, die Power over Ethernet nutzen. Viele der Rugged-PCs von OnLogic verfügen über PoE, um die Benutzererfahrung effizienter zu gestalten. Sie sind auf der Suche nach einer PoE-Lösung? Dann sehen Sie sich die verschiedenen PoE-fähigen Systeme von OnLogic an.