Power over Ethernet (PoE) dans l'automatisation industrielle

Les systèmes de connectivité Power over Ethernet (PoE) sont définis par la norme IEEE 802.3 et constituent un moyen pratique de fournir à la fois des données et une alimentation électrique aux composants des machines à l'aide de câbles Ethernet tout-en-un. Lisez l'article de DigiKey de 2013 An Introduction to Power-over-Ethernet pour une introduction et une présentation de la structure PoE.

Il existe aujourd'hui trois sous-classifications standard pour le PoE :

• L'alternative B PoE utilise des fils séparés pour transmettre les données et l'alimentation. Plus précisément, cette sous-classification PoE spécifie l'utilisation d'un câble Ethernet Cat-5 à quatre paires torsadées — avec deux paires transportant les données et deux paires transportant l'alimentation. Les configurations à alternative B PoE ne peuvent donc prendre en charge qu'un débit de données de 100 Mbps maximum (100BASE-TX), même si des câbles répertoriés pour Gigabit Ethernet sont utilisés.
• L'alternative A est également limitée à un débit de 100 Mbps mais utilise les deux mêmes paires pour transmettre les données et l'alimentation. Cela signifie que les configurations à alternative A PoE sont compatibles avec les câbles Ethernet contenant deux paires torsadées ainsi qu'avec les câbles à quatre paires Cat-5.
• 4PPoE utilise les quatre paires torsadées pour transmettre le courant et peut donc fournir des courants plus élevés. Les paires torsadées transportent également des données aux débits les plus élevés du Gigabit Ethernet et au-delà.

Figure 1 : Variante de câblage d'une installation Power of Ethernet (PoE). (Source de l'image : Design World)

Ces trois principales normes sont souvent simplement appelées PoE mode A, mode B et à quatre paires. Différentes configurations de broches sont possibles pour chaque mode. Cependant, quelle que soit la variante, tous les dispositifs alimentés (PD) doivent pouvoir accepter les connexions en mode A et en mode B.

En définitive, c'est l'équipement d'alimentation du système PoE (parfois abrégé PSE) qui détermine le mode utilisé et s'il peut prendre en charge un seul ou plusieurs modes. Un dispositif alimenté peut indiquer sa compatibilité avec PoE par la résistance entre les paires alimentées. Une résistance fixe de 25 kΩ indique une conformité générale aux normes, tandis qu'une résistance variable peut être utilisée pour demander un mode d'alimentation spécifique.

Figure 2 : Les circuits intégrés MAX5969A/MAX5969B s'installent dans les assemblages de dispositifs alimentés (PD) PoE. Les circuits intégrés conformes à la norme IEEE 802.3af/at fournissent aux dispositifs alimentés des signatures de détection et de classification ainsi qu'un commutateur d'isolement avec contrôle du courant d'appel. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Signalisation différentielle et capacités d'alimentation prises en charge

Le câble Ethernet transmet les données sur des paires torsadées en utilisant une signalisation différentielle. Cela signifie que chaque fil d'une paire torsadée transporte la même information afin que le dispositif recevant le signal puisse mesurer la différence de tension entre les deux. Ces configurations sont beaucoup plus fiables que les conceptions qui se contentent de suivre la tension sur un seul fil par rapport à la terre, car elles permettent de détecter et de rejeter les interférences électromagnétiques (EMI) affectant le câble. L'utilisation de paires torsadées par le PoE signifie également que la tension d'une paire de fils peut être augmentée pour transmettre l'alimentation sans affecter négativement les signaux de données également transportés par le câble.

Figure 3 : Diverses configurations PoE utilisent un câble Ethernet à deux paires et à quatre paires Cat-5. L'un des principaux avantages du PoE est qu'un seul câble est requis pour connecter les dispositifs PoE. (Source de l'image : Getty Images)

Avec le développement des normes PoE, la quantité de puissance pouvant être transmise a augmenté. Ces normes sont représentées par quatre générations de PoE ou types :

• Le PoE de type 1 original prend en charge une puissance de sortie jusqu'à 13 W avec une plage de tensions de 37 V à 57 V. Cela suffit généralement pour des dispositifs tels que des points d'accès sans fil et des panneaux d'accès de portes.
• Le type 2 ou PoE+ prend en charge une puissance de sortie jusqu'à 25 W avec une plage de tensions de 42 V à 57 V. Avec ce niveau de puissance, des dispositifs tels que des caméras de sécurité, des lecteurs RFID et des systèmes d'alarme peuvent être pris en charge.
• Le type 3 permet de fournir une puissance de sortie jusqu'à 51 W, avec une plage de tensions de 42 V à 57 V. Cela suffit pour alimenter les ordinateurs portables et les panneaux de commande.
• Le type 4 permet de délivrer une puissance de sortie jusqu'à 71 W avec une plage de tensions de 41 V à 57 V, ce qui est particulièrement utile pour l'alimentation de l'éclairage LED pour l'éclairage intelligent sans alimentation secteur.

Pour le type 1, la résistance maximum du câble est de 20 Ω, mais les courants plus élevés des générations ultérieures la limitent à 12,5 Ω.

Composants réseau fréquemment utilisés dans les installations PoE

Les dispositifs utilisés pour créer des réseaux PoE sont les suivants :

• Les commutateurs PoE sont des commutateurs réseau qui fournissent le PoE sur leurs ports. Ils sont les éléments fonctionnels de base des réseaux PoE étendus — typiquement agissant en tant que PSE dans la plupart des réseaux.
• Les injecteurs PoE ajoutent de l'énergie à un câble Ethernet non alimenté. Ils peuvent être intégrés dans une conception pour ajouter de l'énergie aux réseaux non-PoE. Par exemple, considérons un système dans lequel un commutateur réseau non-PoE connecte un dispositif au réseau. Si l'objectif est d'alimenter ce dispositif via son câble Ethernet, l'installateur doit brancher le câble du commutateur réseau sur un injecteur PoE, puis faire passer un deuxième câble de l'injecteur au dispositif. L'injecteur requiert sa propre alimentation.
• Les séparateurs PoE séparent l'alimentation et les données d'un câble PoE, ce qui permet d'alimenter un dispositif compatible non-PoE à l'aide d'une entrée séparée. Un séparateur peut être considéré comme un injecteur à l'envers.

Figure 4 : Ce séparateur PoE (voir le PTM de Phihong pour plus d'informations) peut fournir jusqu'à 45 W sur certains systèmes IEEE 802.3 avec une protection contre les surintensités et les surtensions. (Source de l'image : Phihong USA)

• Les concentrateurs PoE sont essentiellement une pile d'injecteurs. Plusieurs câbles non alimentés sont branchés d'un côté, puis les câbles branchés de l'autre côté sont alimentés.
• Les extenseurs PoE permettent aux réseaux Ethernet de fonctionner au-delà de leur portée normale de 100 mètres.

Exemples d'applications PoE

La capacité à fournir une alimentation et à transmettre des données via un seul câble est indispensable pour de nombreuses applications, car cela simplifie les fonctions automatisées et réduit leurs coûts. En fait, le PoE est particulièrement utile dans les emplacements où aucune alimentation n'est disponible. De plus, en raison des faibles tensions impliquées, l'installation d'un câble PoE ne nécessite pas l'intervention d'un électricien. Cela peut permettre de réaliser des économies importantes si l'alternative consiste à installer des prises électriques supplémentaires. Il est également possible d'utiliser les câbles réseau ou téléphoniques déjà présents dans une installation pour le PoE.

Comme les tensions sont faibles, le système est plus sûr. Cela signifie également que les conduits et les boîtiers de mise à la terre ne sont pas nécessaires... ce qui réduit davantage le coût de l'installation. Les tensions maximum restent dans les limites de sécurité, et le PSE envoie un courant de test à 10 V avant de fournir la pleine puissance. La pleine tension n'est appliquée que si une résistance de 25 Ω est détectée sur le dispositif alimenté. Cela permet d'éviter d'endommager les dispositifs connectés.

Lorsque des modifications sont requises, il est relativement facile de changer les dispositifs connectés à Ethernet et de remplacer les câbles. Pour cela, il suffit au technicien de brancher les câbles des nouveaux dispositifs sur les commutateurs réseau. Contrairement aux sections de machines automatisées fonctionnant sur le courant alternatif (ce qui, dans certains cas, peut nécessiter d'isoler des étages automatisés entiers pendant le travail), le PoE est prêt à l'emploi. Cela signifie que des modifications peuvent être apportées pendant que le réseau continue de fonctionner. Il est également facile d'exploiter les données relatives à l'utilisation des dispositifs pour contrôler l'alimentation de dispositifs spécifiques. Cette possibilité d'activer et de désactiver l'alimentation d'un dispositif peut réduire considérablement la consommation d'énergie.

Considérez une application PoE : les systèmes d'éclairage PoE constituent une application de plus en plus courante avec une large applicabilité. Ils impliquent des lampes LED avec des capteurs et des commandes d'éclairage qui se connectent via des câbles et des commutateurs Ethernet. Une application consiste à imiter les cycles de lumière naturelle dans les entrepôts pour améliorer la santé, le bien-être et la productivité des travailleurs. L'intégration de capteurs de mouvement et d'algorithmes prédictifs exécutés sur les contrôleurs PoE permet d'utiliser la lumière le plus efficacement possible afin d'économiser de l'énergie et de réduire les coûts d'exploitation.

Les moteurs constituent une autre application relativement nouvelle pour le PoE. Les moteurs PoE intégrés peuvent réduire la quantité de câblage nécessaire à l'automatisation discrète, car ils éliminent le recours à des câbles de retour dédiés entre le moteur et le contrôleur de mouvement externe. Dans les unités dotées d'un variateur intégré dans le logement du moteur, le moteur peut simplement recevoir les commandes de contrôle et l'alimentation via un simple câble Ethernet. Cela réduit l'encombrement total de l'installation tout en simplifiant le processus d'installation.

Ces moteurs intégrés compatibles PoE peuvent recevoir des programmes de contrôle de mouvement ou des commandes en temps réel via la connexion de données Ethernet.

Conclusion

L'alimentation Power over Ethernet (PoE) est utile pour les dispositifs exigeant à la fois des connexions d'alimentation et de données. Elle réduit les coûts d'installation et facilite la conception, et elle est plus sûre et plus fiable que les connexions d'alimentation et de données séparées. Deux types de dispositifs utilisent de plus en plus le PoE :

• Les dispositifs tels que les lampes qui, traditionnellement, ne nécessitaient qu'une alimentation électrique ... mais qui sont de plus en plus vendus comme des dispositifs intelligents reposant sur la transmission de données pour de nouvelles capacités relativement avancées.
• Les composants tels que les moteurs électriques qui ont commencé à exploiter les capacités accrues du PoE en tant qu'option économique, sûre et pratique pour la connectivité d'alimentation et des données.

Il n'est donc pas surprenant que le PoE soit rapidement devenu une technologie essentielle dans les produits grand public ainsi que dans les bâtiments intelligents et l'automatisation des machines tirant parti des capacités de l'Internet industriel des objets (IIoT).