使用智慧型 PoE 交換器簡化工業乙太網路佈設

在工業物聯網 (IIoT) 應用中，最廣泛使用的有線網路協定就是乙太網路。因此，乙太網路纜線在工業自動化設施中隨處可見。由於安裝乙太網路的地方也需要有電源，因此有乙太網路纜線的地方，幾乎都看得到電源線；這兩種線通常會在同一捆線束中。

乙太網路供電 (PoE) 的興起大幅簡化工業自動化設施。與乙太網路連線使用同一條纜線來傳輸電力，設施需要佈設的纜線就會減少，因此能更輕鬆建立或重新配置製造站點。

本文將探討支援 PoE 的智慧型工業乙太網路交換器如何簡化廠房佈局並降低成本。接著將介紹 Henrich Electronics 的兩款 DIN 軌道乙太網路交換器，其皆可透過同一條乙太網路纜線提供連網能力和電力。

簡化工業自動化纜線佈局

許多工業自動化設施的設計是為了能輕鬆重新配置。舉例來說，某個製造設施的裝配線可能需要拆除再安裝，以製造不同的產品。整合乙太網路與 PoE，，讓某些設備擁有將近隨插即用的能力，也就是插入乙太網路纜線，便可提供連網能力和電力，便可增加廠區的模組化效能。這可簡化廠房的架設作業，因此能更輕鬆將纜線連接到設備。

這也會節省設施的設計時間，並節省額外的佈線成本以及鋪設纜線所需的人力。此外，在網路上對每個 PoE 端點 (又稱為受電裝置 (PD)) 提供一個中央電源，即可達到單點維護。具備 PoE 功能的交換器或集線器可對每個受電裝置安全地提供高達 90 W 電力，因此 PoE 非常適合用於攝影機、緊湊型控制面板，以及閥門或門之類的廠房設備。

此外，PoE 也可釋放空間以便進行額外佈線。礙於散熱問題，工業設施中的大多數線束只能包含總共大約 24 條纜線。同一捆線束中的纜線，通常會使用重型紮帶固定在一起，確保纜線彼此緊密地捆紮起來。因此，線束內的所有纜線會共享並滯留熱能，導致整捆纜線的溫度上升，稱為「溫升」。由於電阻會隨著溫度而增大，因此當溫升增加時，因熱能而耗損的電力和訊號，也會降低線束中每條纜線的電源效率。PoE 省去了工業自動化中使用的許多電源線，因此可減少線束中的纜線數量，進而減少熱能並預防乙太網路雙絞線的訊號衰退。這也可提高輸送電力給設備的效率。

目前，有三種標準透過標準型 Cat5e 乙太網路纜線達到 PoE：802.3af 可從供電設備向每個受電裝置提供高達 15.4 W 的 DC 電源；802.3at (PoE+) 可提供高達 25.5 W 的電源；而最新的 802.3bt (PoE++) 標準可透過標準型 Cat5e 乙太網路纜線提供高達 60 W 的電源。另外，802.3bt 還可透過 Cat6 或 Cat6a 纜線支援高達 90 W 的電源，這些纜線將用更粗的線規傳輸電力。這些標準都能向下相容。

在新的工業自動化設施中增添乙太網路和 PoE

要在建構新網路時增添 PoE，最簡單的方法就是納入支援 PoE 的乙太網路交換器。有個簡單的解決方案就是使用 Henrich Electronics 的 HES5A-4E60-VL DIN 軌道五埠非網管型 PoE 乙太網路交換器 (圖 1)。

圖 1：Henrich Electronics 的 HES5A-4E60 乙太網路交換器提供五個乙太網路連接埠，其中四個支援 802.3bt PoE++。(圖片來源：Henrich Electronics)

Henrich Electronics 的 HES5A-4E60 非網管型乙太網路交換器安裝在標準 DIN 軌道或面板上。其外形小巧，尺寸僅有 92 x 116 x 67.2 mm，非常適合用於空間受限的安裝場合。HES5A-4E60-VL 的前面板有五個乙太網路連接埠。一個是標準 10/100Base-T 埠，另外四個是乙太網路 PoE++ 埠，可供應高達 60 W 電力給每個受電裝置。若使用 Cat6/a 纜線，HES5A-4E60-VL 可提供高達 90 W 的電力。此產品具有 IP40 防護等級，並能在 -40°C 至 +60°C 溫度下工作，適合用於大多數的工業自動化設施。

此外，HES5A-4E60-VL 還向下相容以前的 PoE 標準 802.3af (每個端點支援 15.4 W) 和 802.3at (每個端點支援 25.5 W )。

若將纜線插入四個 PoE++ 乙太網路連接埠之一，HES5A-4E60-VL 會對受電裝置發起簡短的 PoE 交握協定。此交握會判定端點是否需要 PoE 電源，如果需要，還會判定端點所請求的電量。這可讓 PoE 交換器安全有效地為乙太網路端點提供所請求的電力，且在乙太網路纜線斷開或端點停止回應時，也會安全地斷開受電裝置的電力。若對受電裝置正常供電，則交換器上該 PoE 埠的 LED 指示燈會亮起，指出該連接埠正在接收電力。這也有助於診斷任何電源問題。例如，如果受電裝置未運作且對應的 PoE 指示燈熄滅，則可能代表纜線已受損或斷開，或者端點未正確完成 PoE 交握。

HES5A-4E60-VL 為非網管型交換器，因此可隨插即用。將乙太網路纜線插入五個連接埠之一後，交換器會請求端點提供乙太網路 MAC 位址。HES5A-4E60-VL 具有含有 1,024 個條目的 MAC 表，可將已知的 MAC 條目儲存到 IP 位址。如果 MAC 不在 MAC 表內，就會為其指派新的 IP 位址。如果 MAC 位址在表內，則會從 MAC 表格條目中讀取 IP 位址，並將其指派給端點。交換器不需要以任何方式進行配置或管理。

針對更複雜的工業自動化網路，Henrich Electronics 則推出 HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN 軌道六埠網管型 PoE+ 乙太網路交換器 (圖 2)。這款 IP30 等級的乙太網路交換器，具有寬廣的額定工作溫度範圍 (-40°C 至 +75°C)，因此適合乾燥無塵且溫度可能很極端，不適合人類長期接觸的工業環境。

此產品具有含有 4,096 個條目的 MAC 表，並支援 10/100/1000Base-T，因此相容於最新的 Gigabit 乙太網路標準。可支援對每個受電裝置提供最多 30 W 的電力。

圖 2：Henrich Electronics 的 HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN 軌道乙太網路交換器具有六個乙太網路連接埠，其中四個支援 PoE+。此交換器可使用網路瀏覽器進行配置，以針對各種操作設定警報和警示。(圖片來源：Henrich Electronics)

HES6GM-4E 系列可以是 DIN 軌道安裝式，或是面板安裝式。這是款網管型交換器，因此像 HES5A-4E60 一樣具備完整的隨插即用能力，也可透過連接至其任何乙太網路連接埠的 PC，使用網路瀏覽器進行配置。安全性功能允許最多 10 個 IP 位址獲准存取網路瀏覽器介面。網路瀏覽器配置介面的其他功能包括：出現安全問題時自動發送電子郵件警示、設定動態主機配置協定 (DHCP) 參數、根據連接埠控制及限制流量、連接埠轉送以及存取系統記錄等。此外，此瀏覽器介面還可用於存取 4,096 條目的 MAC 表，以檢閱、編輯或刪除條目。

嚴苛工業環境的佈線

工業環境可能會遭遇極端溫度，並可能暴露於鹽水、油脂以及汽油等液體中，會導致未受保護的表面腐蝕。若經常不當使用纜線，例如沿著尖角處拉扯或是貨車輾過，可能會破壞纜線屏蔽層或降低其效能，或者在極端情況下，會導致傳輸資料和電力的電氣導線斷裂。此時就需要堅固耐用的工業強度纜線以耐受工業應用的不當使用。同樣，為了處理訊號和電力傳輸，PoE 也需要高品質的纜線。若要提供資料和電力，必須使用四對雙絞線。同時，為了將溫升降到最低並有足夠的效率讓每條纜線提供 60 W 電力，線規不得小於 24 AWG。

針對最嚴苛的環境，Samtec Inc. 推出 RCE-01-G-13.00-D Cat5e 乙太網路纜線組件 (圖 3)。這條 13 米的纜線含有四對雙絞線，兩對用於提供資料，兩對用於提供 PoE 電力。

圖 3：Samtec Inc. 的 RCE-01-G-13.00-D 是 IP68 等級的 Cat5e 纜線組件。纜線和 RJ45 連接器皆可耐受最嚴苛的工業環境。(圖片來源：Samtec Inc.)

每個 RJ45 公座連接器均採用節省空間的矩形設計，且經過密封，可防塵防水。這些連接器使用推入式密封閂鎖機制，正確插入後會發出清晰定位聲。這些閂鎖能輕鬆取下，毫不費力。

RCE-01-G-13.00-D Cat5e 纜線採用 24 AWG 導線，因此適合用於 802.3af 和 802.3at 電力傳輸。

結論

在可處理電力的乙太網路交換器推出後，PoE 也更容易使用。針對工業自動化應用挑擇適當的 PoE 乙太網路交換器，不僅能節省時間和成本，還能在同一條纜線上提供安全有效的電力傳輸及可靠的網路連接。