産業用オートメーションにおけるPoE(Power over Ethernet)について
著者 ジョディ・ムエラナー 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-04-20
マルツ掲載日：2021-08-16
PoE(Power over Ethernet)接続システムはIEEE802.3規格で定義されており、1本のイーサネットケーブルでデータと電力の両方を機械部品に提供する便利な方法です。PoEの概要と構成については、2013年の記事「An Introduction to Power-over-Ethernet」をご覧ください。
現在、PoEは通常、さらに以下の3つに分類されます。
・まず、PoEオルタナティブBは、データと電力を別々の線で伝送します。具体的には、4本のツイストペアを持つCat-5 Ethernetケーブルの使用が規定されており、そのうちの2本がデータを、他の2本が電力を伝送します。そのため、ギガビットEthernetに対応したケーブルを使用した場合でも、100Mbps(100BASE-TX)までのデータレートのみがサポートされます。
・2番目のPoEであるAlternative Aもデータレートは100Mbpsに制限されていますが、データと電力の両方を伝送するために同じ2本のペアを使用しています。つまり、2本のツイストペアを持つEthernetケーブルに加え、完全なCat-5の4ペアケーブルにも対応しています。
・4PPoEは、4本のツイストペアすべてを使って電力を伝送するため、より大きな電流を供給することができます。また、ツイストペアは、ギガビットEthernet以上の最高クラスのデータレートでデータを伝送します。
図1：PoE(Power of Ethernet)設置時の配線バリエーションの1つです。(画像提供：Design World)
この3つの主な規格は、単に「モードA」「モードB」「4ペアPoE」(4PPoE)と呼ばれることがよくあります。各モードでは様々なピン構成が可能です。しかし、バリエーションがいずれの場合でも、電源供給されるデバイス(PD)はモードAとモードBの両方の接続を受け入れることができなければなりません。
使用するモードと、1つのモードまたは複数のモードのどちらをサポートするかを決定するのは、最終的にはPoEシステムの電源供給装置(PSE)です。PDがPoEに対応しているかどうかは、電源供給ツイストペアの全抵抗値で判断できます。固定された25kΩの抵抗が一般的な規格に準拠していることを示すのに対し、変化する抵抗は、特定の電源供給モードを指定するために使用することができます。
図2：PoE電源供給デバイス(PD)のアセンブリに取り付けるMAX5969A/MAX5969BのIC。これらのICはIEEE 802.3af/atに準拠しており、PDに検出・分類シグネチャを提供するとともに、突入電流制御付き絶縁パワー(電源)スイッチを備えています。(画像提供：Maxim Integrated)
差動信号とサポートされている電力容量
Ethernetケーブルは、ツイストペアで差動信号を使用してデータを伝送します。つまり、ツイストペアの各配線が同じ情報を伝送することで、信号を受信した機器がそれら2本の配線間の電圧差を測定することができるのです。
このような構成は、単線のグランドに対する電圧を追跡するだけの設計よりもはるかに信頼性が高く、ケーブルに影響を与えるあらゆる電磁妨害(EMI)を検出・除去することができます。また、ツイストペアを使用したPoEでは、ケーブルで伝送されるデータ信号に悪影響を与えることなく、ツイストペアの電圧を上げて電力を伝送することができます。
図3：2本のツイストペアとCat-5の4ペアのEthernetケーブルを採用した様々なPoE構成。PoEの最大のメリットは、PoEデバイスを接続するために必要なケーブルが1本で済むことです。(画像提供：Getty Images)
PoE規格の発展に伴い、伝送可能な電力量も増加しています。これらは、4世代のPoEまたはタイプで表されます。
・オリジナルであるタイプ1 PoEは、37～57Vの電圧範囲で最大13Wの電力を供給します。このレベルの電力があれば、ワイヤレスアクセスポイントや点検窓などのデバイスには通常十分です。
・タイプ2またはPoE+は、42～57Vの電圧範囲で最大25Wの電力を供給します。このレベルの電力があれば、防犯カメラ、RFIDリーダー、警報システムなどのデバイスへの電力としても十分です。
・タイプ3は、42～57Vの電圧範囲で最大51Wの電力を供給します。これだけの電力があれば、ノートPCや制御パネルを駆動するのには十分です。
・タイプ4は、41～57Vの電圧範囲で最大71Wの電力を供給します。タイプ4は特にLED照明への電力供給に役立ち、主電源のないスマート照明を実現します。
タイプ1ではケーブルの最大抵抗値は20Ωですが、タイプ2以降の世代では大電流化により12.5Ωに制限されています。
PoE設置によく見られるネットワークコンポーネント
PoEネットワークを構築するためのデバイスには、以下のものがあります。
・PoEスイッチは、ポートでPoEを実現するネットワークスイッチのことです。PoEスイッチは、PoEネットワークを拡張するための基本的な構成ブロックであり、ほとんどのネットワークでPSEとして機能します。
・PoEインジェクタは、電源供給されていないEthernetケーブルに電源を供給します。非PoEネットワークに電源を供給するために設計に組み込むことができます。たとえば、非PoEのネットワークスイッチがネットワークにデバイスを接続するシステムを考えてみましょう。そのようなデバイスにEthernetケーブル経由で電源を供給することが目的の場合には、設置者はネットワークスイッチからのケーブルをPoEインジェクタに差し込み、インジェクタからデバイスまでを繋ぐ2本目のケーブルを配線します。インジェクタには専用の電源が必要です。
・PoEスプリッタは、PoEケーブルの電源とデータを分離し、PoE非対応のデバイスにも別の入力で電源を供給することができます。スプリッタは、インジェクタを逆にしたようなものだと思ってください。
図4：このPoEスプリッタ(詳細はPhihong PTMを参照)は、過電流/過電圧保護機能を備え、特定のIEEE802.3システムに最大45Wを供給することができます。(画像提供：Phihong USA)
・PoEハブは、いわばインジェクタのスタックのようなものです。片側に複数の電源未供給ケーブルが差し込まれ、反対側に差し込まれたケーブルに電源が供給されます。
・PoEエクステンダは、Ethernetネットワークを通常の100mの範囲を超えて動作させることができます。
PoEの適用例
1本のケーブルで電源供給とデータ転送ができることは、自動的機能の簡素化とコスト削減のために、多くのアプリケーションに不可欠です。実際、PoEは電源が確保できない場所で特に有効です。また、電圧が低いため、電気工事士がいなくてもPoEケーブルの設置が可能です。
このため、当該のAlternativeで電気ソケットを追加で設置する必要がある場合には、コストを大幅に削減できます。また、PoEのファシリティに既に存在する既存のネットワークケーブルや電話ケーブルを利用することも可能です。
電圧が低いので、システムの安全性も高くなります。このため、導線やアースのエンクロージャが不要となるので、設置コストも削減されます。最大電圧が安全な制限内であるだけではありません。PSEは、最大電力を供給する前に10Vのテスト電流を送ります。PDに25Ωの抵抗が検出された場合のみ、最大電電圧が印加されます。これにより、接続されたデバイスが破損するのを防ぐことができます。
変更が必要になった場合は、Ethernetに接続されたデバイスの変更やケーブルの交換が比較的簡単にできます。技術者が新しいデバイスのケーブルをネットワークスイッチに差し込むだけで済みます。
機械の自動化された部分がAC電源で動いている(作業の実施中に、自動化される作業場全体を絶縁する必要がある場合もあります)のとは対照的に、PoEはプラグアンドプレイです。つまり、ネットワークを稼働させたまま変更することができるのです。
また、デバイスの使用状況データを利用して、特定のデバイスへの電源供給を簡単に制御することもできます。このように、デバイスへの電源供給をオン/オフできることで、消費電力を大幅に削減することが可能です。
PoEの用途として、PoE照明システムを考えてみましょう。これは、ますます一般的になってきた用途であり、幅広い応用が可能です。PoE照明システムには、LED照明と、Ethernetケーブルとスイッチで接続するセンサと照明コントローラが含まれています。
その1つの用途は、倉庫施設で自然照明のサイクルを模倣して、従業員の健康、福祉、生産性を向上させることです。PoEコントローラの予測アルゴリズムとモーションセンサを統合することで、光を最も効率的に利用し、省エネと運用コストの削減を実現します。
また、PoEの比較的新しい用途として、モータがあります。統合PoEモータでは、モータと外部のモーションコントローラ間の専用フィードバックケーブルが不要になるため、ディスクリートオートメーションに必要なケーブルの量を減らすことができます。
モータハウジングにドライブが組み込まれているユニットでは、モータは1本のEthernetケーブルで電源とともに制御コマンドを受け取るだけです。これにより、設置フットプリント全体の削減と設置作業の簡素化を実現しています。
このような統合PoE対応のモータは、モーション制御プログラムやリアルタイムコマンドをEthernetによるデータ接続で受け取ることができます。
まとめ
PoE(Power over Ethernet)は、電力とデータの両方の接続を必要とするデバイスで役に立ちます。また、電源接続とデータ接続を分離するよりも安全で信頼性が高く、設置コストを削減し、設計上の利便性を提供します。PoEの利用が増えているデバイスには、以下の2つのタイプがあります。
・照明器具などのデバイス。これらは、従来は電源を必要とするだけでしたが、データ通信を使用することで、より新しく比較的高度な機能を持つスマートデバイスとしての販売が増えています。
・電気モータなどの部品。電力とデータの両方を接続するための低コストで安全かつ便利な選択肢としてのPoEの機能が向上したので、これらの部品はPoEを活用し始めています。
PoEは、消費財の中核技術としてだけでなく、IIoT(Industrial Internet of Things)機能を活用したスマートビルディングやマシンオートメーションの中核技術として急速に普及しています。
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