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PoE設計六大重點 滿足垂直應用需求
 

【作者: 王明德】   2019年08月19日 星期一

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在工業乙太網路中,PoE一直是重點技術,尤其是近年來物聯網概念深入各類型垂直應用領域,PoE更成為最佳選擇,PoE透過乙太網路線提供設備所需電力,讓設備佈建時,免受電源線的制肘,在部份電源取得不易的地形環境中,如戶外的監控攝影機或無人遠端設備,PoE不但降低了佈建難度,對系統來說,少了電源設計,整體系統將可大幅簡化,同時也有助於後續的維修工作。



圖1 : PoE設備安裝於工業環境中,需要重點考慮的部分,包括可靠性、不同的輸出電壓、高電壓需求和最大功率的限制、寬溫操作溫度、潛藏的DC斷線與監控及管理功能等六大區塊。(source:Belden)
圖1 : PoE設備安裝於工業環境中,需要重點考慮的部分,包括可靠性、不同的輸出電壓、高電壓需求和最大功率的限制、寬溫操作溫度、潛藏的DC斷線與監控及管理功能等六大區塊。(source:Belden)

在PoE系統中,交換器是相當重要的設備之一。工業PoE交換器專為工廠環境的應用而設計,然而大多數商用PoE交換器支援的工作溫度等級為0~40℃,並且沒有發佈相關抗震和耐衝擊的規格。


再者,工業PoE供電交換器定位的工作溫度至少為-20~60℃,並且具備出色的抗震和耐衝擊特性,不同於商用PoE技術的應用。由此可知,將PoE設備投放安裝到工業應用環境,需要面臨大量的挑戰,任何一點疏忽都可能導致系統故障、設備損壞或經濟損失。


六大重點決定PoE效能

將PoE設備安裝於工業環境中,需要重點考慮的,可從可靠性、不同的輸出電壓、高電壓需求和最大功率的限制、寬溫操作溫度、潛藏的DC斷線與監控及管理功能這六大部份來談:


1.可靠性

可靠性部份可從PSE(供電設備)與PD(用電設備)兩邊來看。PSE為一個或多個PD設備供電,單一個PSE設備故障將會導致大量PD設備停機;因此不僅PSE本身的可靠性非常重要,為其供電的電源也是必須考慮的重點。


PSE需要在大多數惡劣的工作環境中穩定的運行,如溫度、濕度、震動和衝擊等等都必須考慮;一款強大的PSE設備甚至需要在未知系統故障時,具備自我保護功能,因此,可以採用UPS或其它供電來避免突然斷線,保持輸入電源的持續性。



圖2 : 近年來物聯網概念深入各類型垂直應用領域,PoE成為系統通訊最佳選擇。(source:Homeland Security Today)
圖2 : 近年來物聯網概念深入各類型垂直應用領域,PoE成為系統通訊最佳選擇。(source:Homeland Security Today)

在PD可靠性方面,PD的設計需如PSE可靠性描述中同樣堅固,以適應惡劣的工業應用環境。一個智慧的PSE可以檢測PD設備是否仍為正常運作狀態,一旦檢測到PD設備斷線或故障,會透過多種管理機制將結果回報給IT工作人員,如email、Alarm、SNMP Traps,IT工作人員便可以對故障做出正確的處理。更具智慧化設計的PSE,還會提供供電重置功能,一旦發現故障就可以更加即時重新啟動PD設備。


2.不同的輸出電壓

不同的工業應用有不同電壓的需求,以大眾運輸系統為例,供電系統通常是DC 24V,該電壓不在IEEE802.3af標準定義的44VDC~57VDC這個範圍內。在多數情況下,必須透過外加變壓器來解決該問題,只是這必須要面臨一些如安裝空間、維護保養和投資成本等細節問題。讓PSE能夠輸出大範圍的電壓會是最簡潔的解決方案,不過這必須滿足多種工業應用的不同需要,對PSE設備製造商而言,無疑形成另一挑戰。


由於目前PoE的應用對象為各垂直產業,生產型態為少量多樣,各類產業所需的電壓範圍不同,例如前述未提及MRT、鐵路與捷運等軌道交通,所需的電壓值就有極大差異,如何針對不同產業設計出適當的電壓範圍,不只是技術上的問題,更擴及到不同領域的產業專業知識與經驗。


3.高電壓需求和最大功率的限制

隨著標準化的發展,愈來愈多的高電量PoE應用投入市場。尤其是即將5G乃至於基站和PZT攝影機此類產品愈來愈多,當高電量應用需求已列入PoE技術規範,提供給PD的供電總量一定不能對現有PSE、纜線或PD設備本身造成任何損害。供電必然產生熱能,而熱能將會在纜線並列時產生聚熱效應,因此出於安全考慮,如果PSE或PD任一設備沒有按照標準進行設計,供電過程則需要進行良好的控制,從而防止高溫損壞。


4.寬溫操作溫度

工業應用中,控制設備的存放環境通常位於戶外或控制機房,而這些地方往往會出現高低溫或高濕度情況,因此,工業級PoE乙太網路供電設備,必須能夠在惡劣的環境中穩定可靠的運作。



圖3 : PoE設備投放安裝到工業應用環境,需要面臨大量挑戰,任何一點疏忽都可能導致系統故障、設備損壞或經濟損失。(source:Windows Central)
圖3 : PoE設備投放安裝到工業應用環境,需要面臨大量挑戰,任何一點疏忽都可能導致系統故障、設備損壞或經濟損失。(source:Windows Central)

前文提到供電會產生熱量,供電量愈大,PoE設備的操作溫度升得愈高,伴隨著周圍的高熱量,周圍的溫度升高將使情況進一步惡化。因此,「寬溫」將是工業PoE設備的重點設計。


5.潛藏的DC斷線

一些PD產品可能會設計休眠模式用於省電,如果系統空閒一段時間則自動進入休眠狀態,在省電模式下,電源功耗會降低。


然而,根據IEEE802.3af標準定義的DC斷線規範,如果電量下降到DC斷線標準最低值,PSE將會判斷PD已經移除並對其停止供電,而後PD會關機並且不會因觸發事件被喚醒,這麼一來,應用在工業上就會產生問題。工業應用必須是穩定可靠的,PD設計開發者不能僅侷限於省電,需要注意這個潛在的因素,讓PSE設備能夠提供防止意外DC斷線的保護機制。


6.監控及管理功能

在工業環境中,僅僅為PoE設備供電讓其運行,往往是不夠的。針對每台PD、PSE設備、甚至PSE每個埠的高級監控及管理功能,更重要的是必須要有IT工作人員進行多項系統維護,例如透過PSE各個埠的即時供電總量,有利於監控電流狀態與瞭解PoE埠走勢,便有可能提前察覺一些異常情況,如斷電、過量供電或供電不足等情況,防止錯誤產生。


故障偵測還可以事件觸發(event-trigger)的方式處理。透過設定狀態臨界值,任一超過這個臨界值的突發事件會觸發警報回報給IT工作人員,或啟動預設指令。警報資訊可以有多種形式,過去多採Alarm、email、SNMP trap,近年來智慧手機當道,開始有廠商納入Line、微信等App,隨著警報資訊的發出,預設指令會立即執行,在IT工作人員收到警報但還未到達現場進行處理的情況下,先行保護或恢復系統。


此外,PoE系統的供電控制功能,可達到安全管理和節約電力的目的,排程供電控制便是節省電力、降低成本的方法。智慧型監控及管理功能提高了PoE乙太網路供電系統的可靠性、安全性和工作效率,而這三者對工業製造環境來說,恰好是重要性的前三名,PoE的出現,大幅簡化了自動化架構的系統複雜度,讓運作更為穩定,同時也將成為未來工控乙太網路的主流標準之一。


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