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Power over Ethernet: Smarte Möglichkeiten entdecken.
Das Internet und die damit verbundene Netzwerktechnik sind zum zentralen Bestandteil von Gebäuden geworden. Immer mehr Komponenten sind mit dem Netzwerk verbunden: z. B. Wireless Access Points, VoIP Telefone und Webcams. Die Stromversorgung durch Ethernet ist nicht nur hierbei von Vorteil. Auch für die Gebäudeautomation spielt Ethernet zunehmend eine große Rolle.
Durch das Internet of Things gibt es bald noch mehr netzwerkfähige Geräte. Diese benötigen elektrische Energie, um zu funktionieren. Klassischerweise werden Geräte über ein eigenes Netzteil mit der 230V Netzspannung verbunden. Hierfür muss eine Steckdose oder mindestens eine Netzspannungsleitung vorhanden sein. Der smartere Weg: Ethernet. Das ohnehin benötigte Netzwerkkabel wird direkt für die Spannungsversorgung mit verwendet. Die Daten und Energie lassen sich über dasselbe Kabel übertragen. Der Aufwand für das Verkabeln ist somit deutlich geringer. Sollte am Installationsort keine Netzspannung vorhanden sein, lohnt sich die Investition in dieses System.
Ethernet Standards
Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat den Industriestandard 802.3 für Ethernet herausgebracht. 2003 wurde dieser durch 802.3af, namens »Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI)« erweitert. Die allgemeine Bezeichnung: Power over Ethernet (PoE). PoE legt fest, wie Geräte über das Netzwerkkabel mit Energie versorgt werden. Pro Port sind es maximal 15,4W Leistung. Dabei werden die Geräte mit SELV-Gleichspannung im Bereich von 44V bis 57V und einem maximalen Strom von 350mA versorgt.
2009 wurde der Standard 802.3at veröffentlicht. Dieser wird als Power over Ethernet Plus (PoE+) bezeichnet. Die Leistung pro Port wurde auf 30W fast verdoppelt. Der maximal mögliche Strom wurde entsprechend auf 600mA erhöht. 802.3at ist komplett rückwärtskompatibel zum 802.3af.
Funktion von Power over Ethernet
Das Endgerät, also der Verbraucher, wird als Powered Device (PD) und der Versorger als Power Source Equipment (PSE) bezeichnet. Bei dem Versorger handelt es sich entweder um einen PoE-fähigen Switch oder einen sogenannten Midspan. Durch die Midspan-Geräte kann eine bereits vorhandene Netzwerkinfrastruktur durch PoE erweitert werden. Diese Geräte werden zwischen Switch und PD geschaltet und speisen die elektrische Energie in die Netzwerkleitung ein. Neben dem Midspan kann auch ein PoE-Injector verwendet werden. Dieser wird wie der Midspan zwischengeschaltet, ermöglicht jedoch nur das Einspeisen auf einzelnen Netzwerkleitungen. Zusätzlich kann ein Splitter Energie und Daten wieder trennen. Somit ist es möglich, nicht PoE-fähige Geräte ebenfalls zu speisen.
Für die Speisung über das Netzwerkkabel gibt es zwei Varianten:
- Speisung über die beiden ungenutzten Adernpaare
4/5 und 7/8 (bei 10 und 100 Mbit/s werden nur 2 der 4 Adernpaare verwendet)
- Speisung über die Adernpaare, die auch für die Datenübertragung genutzt werden (auch als Phantomspeisung bezeichnet)
Für PoE (802.3af) muss mindestens ein Netzwerkkabel der Kategorie 3 und für PoE+ (802.3at) ein Netzwerkkabel der Kategorie 5 verwendet werden.
PoE in der Praxis
Die maximale Leitungslänge ist durch die Leitungsdämpfung auf 100 Meter begrenzt. Bei Zweckbauten ist diese Länge schnell erreicht. Die Planung eines Power-over-Ethernet-Netzwerkes ist daher zwingend erforderlich.
Die Möglichkeiten von PoE sind enorm. Ein bekanntes Beispiel ist das voll automatisierte Gebäude »The Edge« in Amsterdam. Hier wurde z.B. die Beleuchtung über PoE realisiert. Durch das System werden die Leuchten direkt über das Netzwerkkabel mit Steuerdaten und Energie versorgt. Die Installationskosten sind hierdurch um mehr als 25% gesenkt worden. Um die Vernetzung der Leuchten besser zu nutzen, sind weitere Sensoren in den Leuchten untergebracht. Damit werden alle Daten in Echtzeit an die Leittechnik weitergegeben. Die Analyse der Daten präzisiert, wie und wann das Gebäude benutzt wird. Reinigungsarbeiten können auf diese Weise gezielter koordiniert und einzelne Gebäudeteile effizienter betrieben werden.
Einige Hersteller der offenen Gebäudeautomationsstandards wie BACnet und KNX haben Vorteile von PoE für sich entdeckt. Über PoE kann ein KNXnet/IP-Router direkt mit Spannung versorgt werden. Bei BACnet/IP gibt es Automationsstationen, die direkt PoE unterstützen, wodurch keine zusätzliche Leitung verlegt werden muss.
Aufgrund des hohen Normungsaufwands sind Industriestandards immer ein bis zwei Schritte hinter dem aktuellen Stand der Technik. Sie können maximal aufschließen, jedoch niemals überholen. Deswegen hat Cisco ein eigenes System entwickelt, mit dem 60W pro Port übertragen werden können. Das System heißt Universal Power over Ethernet (UPoE). Neben diesem System gibt es noch eine Menge PoE-Geräte, die nicht nach dem IEEE-Standard arbeiten. Solche Geräte geben z.B. nur eine Gleichspannung auf die ungenutzten Adern. Geräte können hierdurch beschädigt werden oder funktionieren nicht. Demzufolge muss beim Kauf auf das Datenblatt der Komponenten geachtet werden: Hier wird immer auf den IEEE-Standard verwiesen.
Ausblick
Derzeit wird am IEEE 802.3bt (PoE++) Industriestandard gearbeitet, um mehr Leistung über die Netzwerkleitung zu erbringen. Voraussichtlich wird dieser bis Anfang 2017 veröffentlicht. Ziel des Standards ist es, 100W bei einem maximalen Strom von 1A pro Port zu übertragen. Eine ganze Menge für Leitungen, die im Ursprungsgedanken nur Daten übertragen sollten. Mehr Leistung erzeugt mehr Wärme die sich wiederum negativ auf die Datenübertragung auswirkt, da der Widerstand der Leitung zunimmt. Für eine einzelne Leitung hat das keine signifikanten Auswirkungen. Sollten jedoch große Leitungsbündel zusammenkommen, nimmt die Temperatur einen hohen Stellenwert ein.
Mit der Einführung von PoE++ steigt die Anzahl von möglichen Anwendungen markant an. Im Bankenwesen könnten Geldautomaten direkt vom Netzwerk mit Energie versorgt werden. Im IT-Bereich betrifft es kleine Desktop-PC’s oder das Aufladen von Notebooks über den Netzwerkanschluss. In der Gebäudeautomation könnten viele Komponenten direkt versorgt werden und gleichzeitig ihre Echtzeitdaten zurück an die Gebäudeleittechnik schicken.
Mit der fortlaufenden Entwicklung des Power-over-Ethernet-Standards wird dieser zunehmend interessant für viele Anwendungen. Der Internet-of-Things-Trend ist eine ideale Kombination mit Power over Ethernet. Alle Geräte müssen nur durch den standardisierten RJ45 Anschluss verbunden werden und sind sofort funktionsfähig – die Plug’n’Play-Lösung für die Zukunft.
