Power over Ethernet (PoE) en la automatización industrial

Los sistemas de conectividad Power over Ethernet (PoE) están definidos por la norma IEEE 802.3 y ofrecen una forma cómoda de suministrar tanto datos como energía eléctrica a los componentes de las máquinas mediante un único cable Ethernet todo en uno. Lea el artículo de DigiKey de 2013 Una introducción a Power-over-Ethernet (alimentación a través de Ethernet) para conocer la introducción y la estructura de PoE.

Hoy en día existen tres subclasificaciones estándar para PoE:

• La alternativa B de PoE utiliza cables separados para transportar datos y energía. Más concretamente, esta subclasificación de PoE especifica el uso de cable Ethernet de Cat-5 con cuatro pares trenzados, con dos pares que transportan datos y dos pares que transportan energía. Por lo tanto, las disposiciones de la alternativa B de PoE solo pueden admitir una velocidad de datos de hasta 100 Mbps (100BASE-TX), aunque se utilicen cables clasificados para Gigabit Ethernet.
• La alternativa A también está limitada a una velocidad de datos de 100 Mbps, pero utiliza los mismos dos pares para transportar datos y energía. Esto significa que los arreglos PoE Alternativa A son compatibles con el cable Ethernet que contiene dos pares trenzados, así como con los cables completos de cuatro pares Cat-5.
• 4PPoE utiliza los cuatro pares trenzados para transmitir la energía y, por lo tanto, puede proporcionar corrientes más altas. Los pares trenzados también transportan datos a las velocidades más altas de Gigabit Ethernet y más allá.

Figura 1: Esta es una variante de cableado de una instalación de Power over Ethernet (PoE). (Fuente de la imagen: Design World)

Estos tres estándares principales suelen denominarse simplemente modo A, modo B y PoE de cuatro pares. Son posibles diferentes configuraciones de pines de cada modo. Sin embargo, independientemente de la variación, cualquier dispositivo alimentado (PD) debe ser capaz de aceptar conexiones tanto en modo A como en modo B.

En última instancia, es el equipo de suministro de energía del sistema PoE (a veces abreviado PSE) el que determina qué modo se utiliza y puede admitir uno o varios modos. Un PD puede indicar su compatibilidad con PoE por la resistencia a través de los pares alimentados. Una resistencia fija de 25 kΩ indica el cumplimiento general de las normas, mientras que una resistencia cambiante puede utilizarse para solicitar un modo de alimentación específico.

Figura 2: Los CI MAX5969A/MAX5969B se instalan en conjuntos de dispositivos alimentados por PoE (PD). Los circuitos integrados que cumplen con la norma IEEE 802.3af/at proporcionan a las DP firmas de detección y clasificación, así como un interruptor de alimentación de aislamiento con control de corriente de irrupción. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Señalización diferencial y capacidades de potencia soportadas

El cable Ethernet transmite los datos por pares trenzados mediante una señalización diferencial. Esto significa que cada cable de un par trenzado lleva la misma información para que el dispositivo receptor de la señal pueda medir la diferencia de tensión entre ambos. Estas disposiciones son mucho más fiables que los diseños que se limitan a realizar un seguimiento de la tensión en un solo cable con respecto a tierra, ya que permiten detectar y rechazar cualquier interferencia electromagnética (EMI) que afecte al cable. El uso de PoE en pares trenzados también significa que la tensión en un par de cables puede aumentar para transmitir energía sin afectar negativamente a las señales de datos que también transporta el cable.

Figura 3: Diversas disposiciones de PoE emplean cable Ethernet de dos pares y de cuatro pares Cat-5. Una de las principales ventajas de PoE es que sólo es necesario colocar un único cable para conectar los dispositivos PoE. (Fuente de la imagen: Getty Images)

A medida que los estándares PoE se han ido desarrollando, la cantidad de energía que se puede transmitir ha aumentado. Estos están representados por cuatro generaciones de PoE o Tipos:

• El PoE de tipo 1 original admite la entrega de energía de hasta 13 W con un rango de tensión de 37 a 57 V. Esto suele ser suficiente para dispositivos como puntos de acceso inalámbricos y paneles de acceso a puertas.
• El tipo 2 o PoE+ admite la entrega de energía de hasta 25 W con un rango de tensión de 42 a 57 V. Con este nivel de potencia, también se pueden admitir dispositivos como cámaras de seguridad, lectores RFID y sistemas de alarma.
• El tipo 3 admite un suministro de energía de hasta 51 W, con un rango de tensión de 42 a 57 V. Esto es suficiente para alimentar ordenadores portátiles y paneles de control.
• El tipo 4 permite suministrar una potencia de hasta 71 W con un rango de tensión de 41 a 57 V. Esto es especialmente útil para alimentar la iluminación LED, lo que permite una iluminación inteligente sin una fuente de alimentación de red.

Para el tipo 1, la resistencia máxima del cable es de 20 Ω, pero las mayores corrientes de las generaciones posteriores la limitan a 12.5 Ω.

Componentes de red habituales en las instalaciones PoE

Los dispositivos utilizados para construir redes PoE incluyen:

• Conmutadores PoE, que son conmutadores de red que proporcionan PoE en sus puertos. Son los componentes básicos de las redes PoE ampliadas, y suelen actuar como PSE en la mayoría de las redes.
• Los inyectores PoE añaden energía a un cable Ethernet sin alimentación. Pueden integrarse en un diseño para añadir potencia a las redes no PoE. Por ejemplo, considere un sistema en el que un conmutador de red no PoE conecta un dispositivo a la red. Si el objetivo es alimentar ese dispositivo a través de su cable Ethernet, el instalador conectaría el cable del conmutador de red a un inyector PoE y luego pasaría un segundo cable desde el inyector hasta el dispositivo. El inyector necesita su propia fuente de alimentación.
• Los divisores PoE separan la alimentación y los datos de un cable PoE, lo que permite alimentar un dispositivo no compatible con PoE utilizando una entrada independiente. Un divisor puede considerarse como un inyector al revés.

Figura 4: Este divisor PoE (véase el Phihong PTM para más información) puede proporcionar hasta 45 W en determinados sistemas IEEE802.3 con protección contra sobrecorriente y sobretensión. (Fuente de la imagen: Phihong USA)

• Los concentradores PoE son esencialmente una pila de inyectores. Se conectan varios cables sin alimentación en un lado y luego los cables conectados en el otro lado pasan a tener alimentación.
• Los extensores PoE permiten que las redes Ethernet funcionen más allá de su alcance normal de 100 m.

Ejemplos de aplicaciones PoE

La capacidad de suministrar energía y transmitir datos a través de un solo cable es indispensable para muchas aplicaciones, ya que simplifica y reduce el costo de las funciones automatizadas. De hecho, PoE es especialmente útil en lugares donde no hay suministro eléctrico disponible. Además, debido a los bajos voltajes involucrados, la instalación de un cable PoE no requiere un electricista. Esto puede suponer un importante ahorro de costes si la alternativa sería instalar tomas de corriente adicionales. También es posible utilizar los cables de red o telefónicos existentes en una instalación para la PoE.

Como las tensiones son bajas, el sistema es más seguro. Esto también significa que no se necesitan conductos ni cajas de puesta a tierra... lo que a su vez reduce aún más el costo de la instalación. Las tensiones máximas se mantienen dentro de los límites de seguridad y el PSE envía una corriente de prueba a 10 V antes de suministrar toda la potencia. La tensión completa solo se aplica si se detecta una resistencia de 25 Ω en la DP. Esto evita que los dispositivos conectados se dañen.

Cuando hay que hacer cambios, es relativamente fácil cambiar los dispositivos conectados a Ethernet e intercambiar los cables. Para ello, el técnico solo tiene que conectar los cables de los nuevos dispositivos a los conmutadores de red. A diferencia de las secciones de máquinas automatizadas que funcionan con corriente alterna (que en algunos casos pueden requerir el aislamiento de plantas automatizadas enteras mientras se realiza el trabajo), PoE es del tipo "conectar y usar". Eso significa que se pueden hacer cambios mientras la red sigue funcionando. También es fácil emplear los datos de uso de los dispositivos para controlar la alimentación de los mismos. Esta capacidad de encender y apagar la energía en un dispositivo puede reducir significativamente el consumo de energía.

Considere una aplicación PoE: Los sistemas de iluminación PoE son una aplicación cada vez más común con una amplia aplicabilidad. Se trata de luces LED con sensores y controles de iluminación que se conectan mediante cables e interruptores Ethernet. Uno de los usos es en las instalaciones de los almacenes para imitar los ciclos de luz natural y mejorar la salud, el bienestar y la productividad de los trabajadores. La integración de los sensores de movimiento y los algoritmos predictivos que se ejecutan en los controladores PoE permiten el uso más eficiente de la luz para ahorrar energía y recortar los costes operativos.

Otra aplicación relativamente nueva de la PoE son los motores. Los motores PoE integrados pueden reducir la cantidad de cableado necesario para la automatización discreta, ya que eliminan la necesidad de cables de retroalimentación dedicados entre el motor y el controlador de movimiento externo. En las unidades con un accionamiento integrado en la carcasa del motor, éste puede recibir simplemente las órdenes de control junto con la alimentación a través de un único cable Ethernet. Esto reduce la huella total de la instalación al tiempo que simplifica el proceso de instalación.

Estos motores integrados listos para PoE pueden recibir programas de control de movimiento o comandos en tiempo real a través de la conexión de datos Ethernet.

Conclusión:

Power over Ethernet (PoE) es útil para los dispositivos que requieren conexiones de energía y de datos. Reduce los costes de instalación, proporciona comodidad de diseño y es más seguro y fiable que las conexiones de energía y datos separadas. Hay dos tipos de dispositivos que hacen un mayor uso de PoE:

• Dispositivos como las luces, que tradicionalmente sólo requerían energía... pero que cada vez se venden más como dispositivos inteligentes que dependen de la transmisión de datos para capacidades más nuevas y relativamente avanzadas.
• Componentes, como los motores eléctricos que han comenzado a aprovechar las mayores capacidades de PoE como una opción económica, segura y conveniente tanto para la alimentación como para la conectividad de datos.

No es de extrañar que la PoE se haya convertido rápidamente en una tecnología fundamental en los bienes de consumo, así como en los edificios inteligentes y en la automatización de máquinas aprovechando las capacidades del Internet de las cosas industrial (IIoT).