在許多工業(yè)領(lǐng)域，以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet，PoE）已經(jīng)成為一種流行技術(shù)，其發(fā)展速度令人關(guān)注。但這并不值得大驚小怪，因為PoE能夠為某些工業(yè)設(shè)備帶來實實在在的安裝靈活性，而PoE的高級版本PoE+更是如此。PoE可以用同樣的電纜與所連接的設(shè)備雙向傳送數(shù)據(jù)，并同時輸送電力，其廣闊的應(yīng)用范圍和技術(shù)上的可行性，使得在空間受限制或者難以獲得電力的地方安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不再是一個難題。

        工業(yè)用PoE設(shè)備必須能夠適應(yīng)嚴酷的操作環(huán)境、不同的電力系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理需求。最新的增強型工業(yè)級PoE設(shè)備就可以滿足這種需求，并且具有安裝靈活性，支持多種管理設(shè)備。

        IEEE802.3af標準，是第一個用來定義經(jīng)由以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施輸送電力的國際標準。該標準使用的是啟動設(shè)備端的一種物理層分類方法，即把受電端設(shè)備（PD）分成五個級別，并指定了供電端設(shè)備（PSE）的最大功率電平輸出。

        0級：15.4W（缺省）
        1級：4W
        2級：7W
        3級：15.4W
        4級：為將來使用預(yù)留
        因此，VoIP電話和其他一些裝置都可以通過已有的Cat5（及以上）以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)獲得電力，公司可以不需要電就能把各部門、會議與培訓(xùn)室、呼叫中心等組織在一起，甚至可能快速而簡單地把這些辦公區(qū)域再定位。但是，當初2003年P(guān)oE標準中的15.4W對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來說比較受限制，未來傾向于使用更大的功率 
        PoE+帶來新期望
        PoE的分類中第4級中考慮到了未來的發(fā)展——2009年，PoE+ 被納入了IEEE802.3at標準。之所以出現(xiàn)這一升級版標準，是因為新一代的用電設(shè)備需要更高的電力，越來越多的受電端設(shè)備所需要的電力超出了IEEE802.3af規(guī)定的范疇。這些設(shè)備主要包括IEEE802.11n WiFi接入點設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)LED顯示板（LEDs實際所需的功率超出了802.3af PoE線所限定的15.4W）、覆蓋更大范圍的高性能無線裝置（多功能分集接受射頻前端需要更大的功率）、電動PTZ安全監(jiān)控攝像頭、上網(wǎng)本和具有視頻會議等高級功能的IP電話。室外用攝像頭的集成加熱裝置也需要電力。所有這些設(shè)備都受益于IEEE802.3at標準的出現(xiàn)。

        利用PoE+的增強型千兆以太網(wǎng)設(shè)施還能夠為道路管理網(wǎng)絡(luò)提供理想的建設(shè)基礎(chǔ)。長距離光纖足以覆蓋一個完整系列的交通信號燈設(shè)施與相關(guān)系統(tǒng)，比如智能信號燈、交通監(jiān)控攝像頭、傳感器和嵌入式電腦，以太網(wǎng)電纜延伸到哪里，PoE+裝置就可以用到哪里。

表1. PoE與PoE+標準參數(shù)對比

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    業(yè)界中Cat5電纜標準的不斷提高對該項技術(shù)也有所幫助，因為電纜的電阻減小能夠大大增加電纜所輸送的電流而不至于使電纜過熱。并且，PoE+是要求用Cat5（8線）電線替代Cat3（4線）電線，因為兩條四線電纜能夠輸送更多的電力。所以，IEEE802.3at標準能夠讓電源端設(shè)備（PSE）的功率提高到34.2W，用電端設(shè)備的功率提高到25.5W，電流可以高達600mA，電壓可以提高到50-57V（用電端42.5-57V）。參見表1 PoE參數(shù)的對比。

    這足以為現(xiàn)行的一般網(wǎng)絡(luò)邊際設(shè)備提供電力，但是，從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)電纜中汲取更多電力的開發(fā)并沒有停止。已經(jīng)有制造商聲稱可以提高到60W，甚至更高，嚴格來講他們的產(chǎn)品已經(jīng)不符合802.3at的規(guī)格要求。限定性因素并不在于供電端，而是在Cat5電線上。即使是34.4W，Cat5電線通常也需要降低溫度值來避免線纜過熱。
    分級方式
    IEEE802.3at標準所定義的用電端設(shè)備類別與IEEE802.3af標準相同，其目的是為了保證向后兼容。1型用電端設(shè)備是符合IEEE802.3af標準的設(shè)備，其最大功率需求是12.95W。供電端設(shè)備利用單層分級法（1-Event Physical Layer Classification）來為1型PD用電端設(shè)備提供電力。

    2型用電端設(shè)備所需要的功率從12.95W提高到25.5W，它們必須支持以下分類方法：
    1）雙層分級（2-Event Physical Layer Classification），即供電端設(shè)備發(fā)射兩種類別的脈沖用來探測用電設(shè)備。支持IEEE802.3at標準且所需功率大于12.95W的用電端設(shè)備會發(fā)送第四類信號給電源端設(shè)備。

    2）數(shù)據(jù)鏈接層分級。在這種方法中，供電端設(shè)備只發(fā)射一種分類脈沖并為用電端設(shè)備提供電力，用電設(shè)備隨之利用一種類似于鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（LLDP）的數(shù)據(jù)鏈接層協(xié)議開始與電源端設(shè)備進行通訊。利用LLDP協(xié)議，用電設(shè)備與供電設(shè)備就可以協(xié)調(diào)電力的使用了。

    請注意，IEEE802.3at標準要求用電端設(shè)備必須支持兩種分級方法，而要求電源端設(shè)備只支持一種方法即可。
    PoE辨識機制
    IEEE802.3at標準擴展了單一基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)范圍，其過程也同樣很簡單，因為它定義了電源端設(shè)備和用電端設(shè)備之間的一種新的通訊與辨識方法。在802.3af標準中，硬件層（層一）分類是選擇性的；但在802.3at標準中，這種分類是強制性的，并且還增加了一種數(shù)據(jù)層（層二）分類方法，即鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（LLDP）。LLDP允許電源端設(shè)備向用電設(shè)備重復(fù)發(fā)送狀態(tài)信息請求，并隨之對電力進行動態(tài)分配。因此，用電端設(shè)備能夠更有效地使用電力，在需要時只發(fā)送最低的電力需求即可，因而能夠明顯節(jié)省費用。IEEE802.3at標準的這一特性尤其適用于那些必須在意電力消耗的應(yīng)用，比如用蓄電池或者太陽能電池供電的遠程系統(tǒng)。
    PoE+網(wǎng)絡(luò)
    任何一個PoE+網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，首先應(yīng)該是它的供電端設(shè)備，因為它要為用電設(shè)備提供電力。一般來說，電源開關(guān)通過一些與IEEE802.3af/IEEE802.3at標準相容的PoE/以太網(wǎng)組合接口來提供電力。其特征是，舉例來說，10/100M、全雙向/半雙向和MDI/MDI-X（介質(zhì)相關(guān)接口/交叉模式介質(zhì)相關(guān)接口）自動感應(yīng)。這種規(guī)格可以提供經(jīng)濟實用的PoE+系統(tǒng)基礎(chǔ)，還能夠允許現(xiàn)有的PoE系統(tǒng)支持更多的用電設(shè)備以適應(yīng)未來的發(fā)展。一個由PoE適切管理的開關(guān)電源允許使用高級管理方式和協(xié)議支持，包括SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）安全、組播過濾、服務(wù)質(zhì)量和自動報警等。

    PoE+的另一個好處是，它允許在一個RJ45連接器上存在兩個用電端接口，一個以模式A操作，另一個以模式B操作，只要模式B的限制是從用電端設(shè)備是否能夠接受PoE這個角度來理解，PoE+就會具有更高的安裝靈活性。所以，盡管PoE+能夠提供很多好處，但大家所關(guān)注的焦點大多還是怎樣充分利用PoE的靈活性。通常這意味著要使用能夠滿足用電端設(shè)備性能需求的工業(yè)增強型電源端設(shè)備，而不是滿足功率需求的設(shè)備。

    工業(yè)以太網(wǎng)的通用特征是即插即用式安裝。所使用的設(shè)備可以進行加強設(shè)計，使其能夠達到-50℃到95℃的操作溫度范圍。它們能夠提供絕對的EMI/RFI（電磁干擾/射頻干擾）干擾抑制和保護，并且可以進行共形封裝保護，以避免潮濕、腐蝕性化學(xué)品和鹽類噴濺的侵蝕。

    工業(yè)PoE開關(guān)電源還必須具有帶寬與管理裝置，用來處理以高數(shù)據(jù)傳送速率使用巨量帶寬的應(yīng)用。這種組播通訊必須加以有效管理，以防止不必要的數(shù)據(jù)溢滿整個網(wǎng)絡(luò)。其中最好的基礎(chǔ)設(shè)施元件還能夠把提供IGMP（因特網(wǎng)組管理協(xié)議）管理軟件作為標準配置，這種軟件的好處是能夠提供一種管理這些數(shù)據(jù)流量的方法。
    電力線以太網(wǎng)（EoP）

    電力線以太網(wǎng)（或者叫電力線網(wǎng)絡(luò)）是“無需鋪設(shè)新線”就可以聯(lián)網(wǎng)這一概念的另一個亮點。它利用建筑物或者設(shè)施中已經(jīng)存在的動力線來創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，以降低安裝成本。任何存在電源插座的地方都可能成為一個網(wǎng)絡(luò)接口。市場上有各種各樣的以太網(wǎng)開關(guān)，即含有通過總電源線傳送數(shù)據(jù)所需要的以太網(wǎng)橋接電路的適配器。

    市場上出現(xiàn)的較早產(chǎn)品是Intelogis公司開發(fā)的基于Passport參數(shù)規(guī)格的版本。用今天的性能標準來看，它的速度太慢，還不足一兆，即便是要達到這樣的速率還要看電纜的狀況和實際的功率使用情況。再后來出現(xiàn)在市場的產(chǎn)品是基于PowerPacket（電力包）參數(shù)規(guī)格由Intellon公司所開發(fā)的。該產(chǎn)品的速度要快很多，它不會受電力線電力中斷的影響；在保持連接和速率方面的性能要好得多，并且不會因為電線狀況而造成信號衰減。雖然用電力線來處理數(shù)據(jù)傳輸不太理想，但是PowerPacket使用正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）能夠提供可靠的數(shù)據(jù)通信。

    正交頻分復(fù)用技術(shù)是電話線網(wǎng)絡(luò)中所使用的頻分復(fù)用技術(shù)（FDM）的一種變化方式。利用正交頻分復(fù)用技術(shù)， 數(shù)據(jù)載波上的頻率值可以分成84個獨立的次級載波。把數(shù)據(jù)包同時用幾個載波頻率傳送，速度更快，性能更可靠。如果電力使用中出現(xiàn)的噪聲或者電涌使一個頻率中斷，PowerPacket芯片就能感測到，它便會把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到另一個載波上。這種速率調(diào)節(jié)設(shè)計能夠讓PowerPacket在電力網(wǎng)絡(luò)中保持以太網(wǎng)級的連接，并且不會丟失數(shù)據(jù)。

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    該技術(shù)在重要工業(yè)應(yīng)用中的可靠性和有效性如何呢？第一個問題是傳輸速率。200Mbps通常被認為是最高速度，雖然也有人說500Mbps，即便是這樣，離千兆速率也有很大的差距。第二個問題，每一條電力線都存在大量噪聲和頻率依存性信號衰減問題；隨著傳送速率的提高，錯誤率也可能會提高。所以，通訊速度越快，連接就可能越不可靠。較高程度的錯誤偵測和一般程度的通信穩(wěn)健性必須從一開始就設(shè)計到網(wǎng)絡(luò)中。
    最后一個問題是，到目前為止，市面上各種各樣的EoP解決方案遠沒有達到現(xiàn)實世界工業(yè)應(yīng)用中對增強型產(chǎn)品的要求。
    展望未來
    工業(yè)以太網(wǎng)供電的前景如何呢？在去年11月份于德國紐倫堡舉行的SPS Drives 展會上，西門子工業(yè)自動化公司的Ewald Kuk先生透露了一絲端倪。他對我們說：“對工業(yè)自動化應(yīng)用來說，PoE將來會越來越多地進入到終端設(shè)備和遠程I/O中。這種情況現(xiàn)在還沒有出現(xiàn)，是因為可以傳送的電力還比較低。PoE+可以通過提供30W或更高的電力來為此提供幫助，最新的設(shè)備都有這樣的功率需求。但是，很多新接入點設(shè)備的操作和大多數(shù)的I/O的操作會需要更多的電力，并且，用來驅(qū)動電機所需要的電力更是要多得多。

    “我們有具有PoE功能的開關(guān)電源，也有接入點設(shè)備，但目前因為電力問題還沒有帶有PoE功能的遠程I/O。但在未來，我們覺得幫助解決這一難題的方法之一是減少設(shè)備的能源需求。我們相信，利用電力消耗更少而效率更高的芯片等技術(shù)我們能夠做到這一點。

    Kuk先生接著說：“在與各種速度驅(qū)動和電機有關(guān)的地方，我們目前還不能使用PoE甚至是PoE+，因為它們的電力需求要高得多；需求已經(jīng)存在，但這是一段時間以后的事；或許是在接下來的五年中。然而，在一個單軌應(yīng)用中，我們確實已經(jīng)做了引導(dǎo)性設(shè)備安裝，其中使用無線電源的無線通訊能夠提供100W以上的電力。這種‘Wireless Po-Air’運作良好，但問題是，當你從空中獲得電力時，無論通過什么方式導(dǎo)入，人們都會覺得不安全，即便它確實是很安全的。他們不喜歡這種做法。通過電線傳送較高的電力，他們并不擔心，他們擔心的是通過無線方式！我們正在進一步研究這方面的事情。”

    結(jié)語
    在2003年作為IEEE802.3af標準引入并且在2009年更新為IEEE802.3at標準，以太網(wǎng)供電對靈活、低成本、可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)做出了重要貢獻。不僅PoE和PoE+能夠讓大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在沒有電力的遠程地點獲得電力，而且PoE還將會持續(xù)地推動工業(yè)應(yīng)用進行重大變革。把信號和電力混合在一條以太網(wǎng)線纜連接中的優(yōu)勢，將為向基于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)的快速轉(zhuǎn)變做出貢獻。

    利用現(xiàn)代化增強型的供電端設(shè)備和用途日益廣泛的用電端設(shè)備，PoE和PoE+正在為具有大型數(shù)據(jù)傳送速率和需要電力靈活分布的應(yīng)用提供更好的解決方案。工廠的地面安裝，尤其是那些網(wǎng)絡(luò)邊際現(xiàn)場設(shè)備的安裝，正在變得越來越簡單。并且，由于限定了高壓應(yīng)用中的最高電壓，把電流和故障保護納入到標準中，從本質(zhì)上來說，PoE和PoE+是安全的電力技術(shù)，所以與之兼容的工業(yè)開關(guān)電源也應(yīng)該符合產(chǎn)品安全檢測和認證服務(wù)提供商Underwriters Laboratories (UL)公司關(guān)于安全工作環(huán)境的額定安全低電壓（Safety Extra Low Voltage，SELV）分類，這將會促成更深層的工業(yè)應(yīng)用。

（轉(zhuǎn)載）