Wykorzystanie technologii Power over Ethernet (PoE)

Rosnące wykorzystanie technologii Power over Ethernet (PoE) stanowi jeden z najbardziej znaczących wpływów na infrastrukturę sieciową w Przedsiębiorstwach w najnowszej historii. Technologia ta zmniejsza koszty i czas instalacji, umożliwiając jednocześnie przesył danych oraz zasilanie z wykorzystaniem pojedynczej dwużyłowej skrętki a w dodatku instalowanej przez wykonawcę niskonapięciowego i eliminując potrzebę oddzielnego kabla elektrycznego do każdego urządzenia.

Wraz ze wzrostem wszechobecności Ethernetu rośnie liczba elementów połączonych w sieć. Nowe aplikacje, takie jak Digital Signage, bezprzewodowe punkty dostępowe sieci WLAN nowej generacji, systemy przywoławcze dla pielęgniarek i systemy wideokonferencyjne, mają większe zapotrzebowanie na energię.

Branża dostrzegła tę potrzebę i zaczęła opracowywać sprzęt PoE nowej generacji, który będzie dostarczał od 51 do 71 watów mocy do urządzeń. To opracowanie zawiera informacje i wskazówki dotyczące instalowania okablowania Panduit dla starych oraz nowych standardów PoE.

Standardy kabli i Power over Ethernet

Ważne jest, aby zrozumieć, że kable i złącza same w sobie mogą obsługiwać prąd i poziomy mocy związane z dostarczaniem PoE. Obawy związane z uruchomieniem PoE w kablach mają związek ze wzrostem temperatury, który występuje, gdy kable są połączone w wiązki, a problemem związanym ze złączami jest wyładowanie łukowe, które występuje, gdy wtyczka jest usuwana ze złącza z aktywnym PoE. Obawy związane z tymi czynnikami to:

• Wzrost temperatury zwiększy tłumienność wtrąceniową kabla i może powodować błędy bitowe w aplikacji
• Ekstremalny wzrost temperatury poza zalecany zakres roboczy kabla może spowodować długotrwałe uszkodzenie kabla
• Wyładowanie łukowe może uszkodzić styki wtyku i gniazda oraz uniemożliwić transmisję

Obecnie obowiązuje wiele standardów regulujących technologię Power over Ethernet. Są one opisane poniżej.

Ogólny standard okablowania miedzianego: ANSI/TIA-568.2-D

Wszystkie instalacje kabli miedzianych powinny być zgodne z wytycznymi ANSI / TIA-568.2-D, standardu okablowania telekomunikacyjnego i komponentów. Aktualizacja z 2018 roku do standardu dodała kable krosowe 28 AWG i modularne łącza zakończone wtykami jako zgodne komponenty w kanale.

Zasilanie przez Ethernet: IEEE 802.3bt

Podstawowym standardem odnoszącym się do technologii Power over Ethernet jest IEEE 802.3. Po raz pierwszy wprowadzony w 2003 roku w wersji 802.3af, standard przeszedł kilka iteracji w ciągu ostatnich 15+ lat, a każda wersja zasadniczo podwajała ilość mocy, którą można dostarczyć. Najnowsza wersja, IEEE 802.3bt, wprowadza PoE typu 3 (do 51W) i typu 4 (do 71W), wykorzystując teraz wszystkie cztery pary przewodów zarówno do zasilania, jak i do transmisji danych (nazywane PoE++ lub 4PPoE). Wersja .bt została zatwierdzona w październiku 2018 r. Tabela 1 przedstawia wersje 802.3 i ich zmiany na przestrzeni lat oraz moc i prąd, które można zapewnić.

Tabela 1 przedstawia wersje standardu 802.3 i jej zmiany na przestrzeni lat.

Wskazówki dotyczące wzrostu temperatury w TIA TSB-184-A

Stowarzyszenie Przemysłu Telekomunikacyjnego (TIA) TSB-184-A to biuletyn usług technicznych, który zawiera wskazówki dotyczące instalowania kabli obsługujących PoE, PoE+ i PoE++. PoE był oryginalnym standardem Power over Ethernet, z prądami do 350mA na 2 parach skrętki. PoE+ zwiększyło prąd do 600mA, również na 2 parach. Niedawno zatwierdzony standard PoE++ zwiększa ten poziom jeszcze bardziej, do 960mA, teraz już na 4 parach (patrz Tabela 1). TSB-184-A zaleca, aby wiązka kabli nie przekraczała wzrostu temperatury o 15^oC w środku wiązki. Ten wzrost temperatury zależy od:

• Rozmiaru wiązki
• Prądu przepływającego przez pary przewodów i liczby par pod napięciem
• Przekroju i konstrukcji drutu kabla

We wrześniu 2018 roku TIA opublikowała standard ANSI/TIA-568.2-D. W tym dokumencie oficjalnie uznano kable krosowe 28AWG za zgodne ze standardami. Dlatego też, aby uzupełnić TIA-TSB-184-A, TIA opracowało dodatek TSB-184-A-1, który zawiera wytyczne dotyczące stosowania kabli krosowych 28AWG do dostarczania zasilania.

Dodatek TSB pokazuje, że kable 28AWG można bezpiecznie używać ze wszystkimi standardami PoE, pod warunkiem, że rozmiar wiązki jest mniejszy. Opublikowany w 2019 roku dodatek TSB-184-A-1 będzie dalej aktualizowany i będzie zawierał dalsze wskazówki dotyczące używania kabli krosowych 28AWG z technologią Power over Ethernet.

Normatywne metody badania wyładowań łukowych: IEC 60512-9-3 i IEC 60512-99-001

Łuk elektryczny (iskra) występuje naturalnie najczęściej podczas wyjmowania wtyczki z gniazda z uruchomionym PoE. Łuk nie stwarza zagrożenia dla użytkownika i często jest trudny do zauważenia. Jednak może to spowodować uszkodzenie pinów w gnieździe i wtyku, w których występuje. Złącza muszą być zaprojektowane tak, aby miejsce uszkodzone przez łuk nie znajdowało się w miejscu, w którym wtyk i gniazdo łączą się. Metody badań IEC 60512-9-3 i IEC 60512-99-001 odnoszą się do tego konkretnego problemu.

Łuki elektryczne w komponentach połączeniowych Panduit

Wszystkie wtyki i gniazda Panduit zostały zaprojektowane tak, aby spełniały wymogi metod testowych IEC 60512-9-3 i IEC 60512-99-001 i zapewnić, że w przypadku pojawienia się łuku elektrycznego nie uszkodzą krytycznego punktu styku wtyku i gniazda.  Rysunek 1 przedstawia wyładowanie łukowe na złączu Panduit, pokazujące, że występuje w miejscu (kolor czerwony), które ma inną lokalizację niż połączenie wtyku i gniazda (kolor zielony). Pokazuje również, że uszkodzenie styków w produktach Panduit jest minimalne. Więcej informacji na temat złączy PoE i Panduit można znaleźć w dokumentacji technicznej: Wpływ zasilania następnej generacji PoE 100W w Ethernet na połączenie RJ45

Rysunek 1: Wyładowanie łukowe na złączu RJ45

National Electric Code 2017 i PoE

W Ameryce Północnej nowelizacja National Electric Code z 2017 r. wprowadziła najwyższe poziomy PoE do zakresu NEC. Chociaż NEC nie wpłynie na większość instalacji PoE, spowodował kilka znaczących zmian w branży okablowania strukturalnego, a mianowicie wprowadzenie kabli o ograniczonej mocy (LP) i tabele obciążalności w celu regulacji rozmiarów wiązek kablowych. NEC ma wpływ tylko na PoE++ typu 4 lub poziomy mocy powyżej 60W na źródle zasilania. Ponieważ większość instalacji PoE jest typu 3 i niższych, większość aplikacji nie będzie objęta zakresem nowych wymagań.

Limited Power LP to nowy certyfikat UL dotyczący kabli komunikacyjnych zainstalowanych na stałe w Stanach Zjednoczonych, które są używane w aplikacjach PoE. Kable z oznaczeniem LP UL zostały ocenione jako przenoszące określony prąd w instalacji bez przekraczania znamionowej temperatury kabla. Gdy używane są kable LP, rozmiary wiązek kabli nie są ograniczone. W zastosowaniach PoE typu 4, jeśli nie są używane kable z oznaczeniem LP, kable należy łączyć w wiązki zgodnie z tabelą obciążeń.

Międzynarodowe wytyczne dotyczące okablowania dla PoE++: ISO/IEC TS 29125 i CENELEC TR 50174-99-1

ISO/IEC TS 29125 i CENELEC TR 50174-99-1 to normy europejskie, które definiują wymagania dotyczące zdalnego zasilania za pomocą okablowania strukturalnego. Normy te odnoszą się do takich rzeczy, jak grupowanie kabli w celu ograniczenia wzrostu temperatury i łączenia oraz odłączania złączy miedzianych pod obciążeniem mocy.

Maksymalna moc PoE raczej nie wzrośnie powyżej 100W.

Jest mało prawdopodobne, aby w najbliższym czasie przyszłe standardy PoE zostały opracowane tak, aby przekraczały 71W, na które pozwala nowy standard PoE++. Standardy PoE nowej generacji tradycyjnie pojawiają się na rynku w okresach 6-8 lat, z dwukrotnie większą mocą niż poprzedni standard (patrz tabela 1).

Normy te są odpowiedzią na potrzeby rynku. Aby nowy standard mógł zostać opracowany, będzie wymagał powszechnego zapotrzebowania rynku na około 200W, a także posiadania dużej zainstalowanej bazy okablowania do jego uruchomienia. W przypadku PoE powyżej 100W ta zainstalowana podstawa nie istnieje, ponieważ większość dzisiejszego okablowania nie będzie obsługiwać 200W. 200W będzie wymagało okablowania nowej generacji z wyższą temperaturą pracy i poprawioną wydajnością cieplną wykraczającą poza typowe kategorie 5 i 6. Dlatego PoE powyżej 100W to melodia przyszłości z perspektywą przynajmniej 10 do 15 lat.

Przegląd okablowania Panduit

Panduit jest liderem w branży w zakresie tradycyjnych kabli o standardowym przekroju, a także rozwiązań o małej średnicy, które mają ograniczenie długości poniżej 100 metrów. Te rozwiązania o małej średnicy wykorzystują średnice drutu, takie jak 26 lub 28 AWG, aby zapewnić klientom kable o najmniejszej możliwej średnicy, oraz umożliwić lepsze zarządzanie kablami, lepszy przepływ powietrza i zwiększoną pojemność w istniejących korytkach kablowych. Po ostatnich zmianach standardów kable krosowe 28 AWG są teraz częścią rozwiązania zgodnego ze standardami.

Rysunek 2: Przegląd kabli Panduit

Wyniki testów wzrostu temperatury PoE

Panduit przeprowadził szeroko zakrojone testy całej swojej linii kablowej, aby zapewnić wytyczne spełniające TSB-184-A.

Testy te dotyczyły całego zróżnicowanego asortymentu kabli i mierzyły wzrost temperatury w wiązkach o różnych rozmiarach przy różnych zastosowanych prądach. Przykład testu przeprowadzonego z wiązkami 48 i 100 kabli przedstawiono na rysunku 3. Podobne testy przeprowadzono dla wiązek o rozmiarach 61 i 24 kabli. 100 kabli zostało wybranych jako maksymalny rozmiar wiązki, ponieważ jest to maksymalne zalecenie podane w TSB-184-A.

Rysunek 3: Wzrost temperatury wiązki dla 48 i 100 kabli

Stały prąd a stała moc

W 2018 roku zespół naukowców z Panduit, Cisco i Philips Lighting przeprowadził testy PoE, aby zmierzyć wzrost ciepła w okablowaniu miedzianym, na którym działało PoE, w rzeczywiście najgorszym scenariuszu. Podczas testów moc i dane były przesyłane przez 192 kable o różnych długościach, przy czym wzrost temperatury mierzono w środku wiązki 192 kabli. Konfiguracja laboratoryjna wykorzystała 29 000 stóp (ok 8800m) kabla o różnych długościach, aby zasymulować rozkład długości okablowania w typowym Przedsiębiorstwie.

Moc źródła została następnie zmodyfikowana tak, aby zapewnić stałą moc na urządzeniu końcowym. Aby zapewnić odpowiednią jakość transmisji podczas testowania, generator współczynnika błędów przesyłał dane przez okablowanie.

Ta ulepszona metoda testowa dała dokładniejsze wyniki, ponieważ uwzględniono „stałą moc” PoE. Testy koncentrowały się bowiem na stałym prądzie w porównaniu ze stałą mocą. Niektóre z dzisiejszych standardów zostały opracowane w oparciu o modele stałoprądowe – dostarczając w kanale ten sam poziom prądu w najgorszym przypadku, niezależnie od długości kanału. Model o stałej mocy odzwierciedla standard IEEE 802.3bt, który imituje urządzenia zasilane do maksymalnej mocy, niezależnie od długości kabla. Konsekwencją stałej mocy jest to, że przy krótszych kanałach, mniej mocy i prądu jest dostarczane ze źródła (z powodu mniejszych strat mocy w kanale) niż w modelach stałoprądowych.

Wyniki podsumowano w dwóch ogólnych ustaleniach:

• Rzeczywiste najgorsze scenariusze wdrażania PoE mają niższy wzrost temperatury niż poprzednie modele w najgorszych przypadkach
• Wiązki kabli PoE mogą być większe niż zalecają obecne standardy

Testy dostarczyły potwierdzonego dowodu, który wskaże najlepsze praktyki dotyczące instalacji PoE w przyszłości. Organizacje testujące wspólnie uzgodniły, że metodologia stałej mocy powinna być metodą, do której organy normalizacyjne odwołują się przy tworzeniu najlepszych praktyk.

Nie wiadomo jednak, czy standardy kiedykolwiek oficjalnie przyjmą zmianę metodologii.

Wniosek

Zalecenia dotyczące maksymalnego rozmiaru wiązki podano poniżej w Tabeli 2

Tabela 2: Zalecany maksymalny rozmiar wiązki dla danego typu kabla Panduit w celu ograniczenia wzrostu temperatury do 15 stopni lub mniej. Skupia się to tylko na ograniczaniu wzrostu temperatury i nie ma wpływu na National Electric Code 2017.

Znaczenie oceny temperatury roboczej kabla

Decydując się na rozmiar wiązki i typ kabla, należy zrozumieć proste równanie:

  Temperatura znamionowa kabla ≥ Temperatura otoczenia + wzrost temperatury wiązki kabli

Dlatego należy być świadomym temperatury otoczenia w miejscu instalacji kabla, przewidywanego wzrostu temperatury kabla dla dowolnego typu kabla lub rozmiaru wiązki oraz maksymalnej temperatury pracy kabla. Należy zauważyć, że wszystkie kable Panduit dopuszczają temperaturę pracy kabla 75^oC, która jest wyższa niż typowa średnia przemysłowa wynosząca 60^oC (wszystkie kable Panduit kategorii 6A Vari-MaTriX są przystosowane do 75^oC lub 90^oC). Daje to większą elastyczność w środowisku o temperaturze otoczenia, w którym można je rozmieścić.

Instalacja dla PoE

Firma Panduit zaleca różnorodne sposoby dostarczania energii, aby mieć zarówno nadmiarowe źródła zasilania, jak i zapewnione miejsce na przyszłe dane i przyszłe zapotrzebowanie na energię. To znaczy:

• Prowadzenie co najmniej dwóch kabli kategorii 6A do każdego zasilanego urządzenia
• Każdy kabel kategorii 6A pochodzi z innego punktu dystrybucyjnego

Panduit zaleca podłączenie co najmniej dwóch kabli kategorii 6A do dwóch różnych celów. Pierwszym celem jest zapewnienie redundancji i możliwej agregacji łączy (jeśli urządzenie na to pozwala). W przypadku agregacji łączy niektóre punkty dostępowe mają dwa porty danych. W związku z tym dwa porty danych o przepustowości 1 gigabit mogą mieć do dwóch gigabitów z agregacją portów.

Drugi (i bardziej powszechny) cel wynika z przyszłej ekspansji. Często wraz ze wzrostem szybkości połączeń bezprzewodowych liczba punktów dostępu i gęstość punktów dostępowych musi rosnąć. Mając kabel już zainstalowany w przestrzeni sufitowej, bardzo łatwo jest przenosić i dodawać dodatkowe punkty dostępu. Najprostszym i najbardziej opłacalnym momentem na doprowadzenia kabli do danego miejsca jest etap, gdy ściany nie są jeszcze zainstalowane.

Rekomendacje

Nie wszystkie systemy okablowania i infrastruktura PoE są takie same, a jakość będzie miała znaczący wpływ na wydajność sieci i jej żywotność.

Panduit zaleca, aby wszystkie nowe instalacje korzystały z Kategorii 6A ze względu na fakt, że obsługuje on najwyższą szybkość transmisji danych 10GBASE-T i nie ma ograniczeń rozmiaru pakietu z żadną obecną lub przyszłą aplikacją Power over Ethernet. Jeśli do PoE używane są inne typy kabli niż Kategoria 6A, postępuj zgodnie ze wskazówkami zawartymi w tym dokumencie tzn. zmniejszając rozmiar wiązki umożliwiasz użycie kabli o mniejszej średnicy. Wiązki te można grupować, dzięki czemu całkowita liczba trasowanych kabli pozostaje taka sama.

Dla każdego wdrożonego urządzenia PoE, Panduit zaleca podłączenie dwóch kabli do tego urządzenia.

DCNART Sp. z o.o. jako Autoryzowany Dystrybutor Electrical & Network PANDUIT w Polsce dostarcza wysokowydajne rozwiązanie sieciowe przewyższające wszelkie wymagania dla najnowszych standardów PoE

Strona producenta: Panduit | Power over Ethernet