在工业物联网 (IIoT) 应用中，最广泛使用的有线网络协议是以太网。因此，任何工业自动化设施中都能找到以太网电缆。另外，无论在哪里安装以太网，都需要电源，因此在几乎所有存在以太网电缆的地方，也都能找到电源线；这两种线通常在同一电缆束中。

以太网供电 (PoE) 的出现大大简化了工业自动化设施。通过与以太网连接使用相同的电缆进行电力传输，设施需要布设的线缆就会减少，从而更容易布置或重新配置制造场所。

本文讨论支持 PoE 的智能工业以太网交换机如何简化工厂布局并降低成本。然后，本文会介绍 Henrich Electronics 的两款 DIN 导轨以太网交换机，它们可通过同一条以太网电缆同时提供网络连接和电源。

简化工业自动化电缆布局

许多工业自动化设施都要设计得易于重新配置。例如，制造工厂中的装配线可能需要拆除再重新安装，以便制造不同的产品。以太网与 PoE 结合可以提高工厂车间的模块化功能，使某些设备几乎可以即插即用——只要插入以太网电缆就能提供网络连接和电源。这样可以简化工厂布置，更轻松地将电缆连接到设备上。

这还能节省设施设计的时间，同时减少额外布线的成本和铺设电缆所需的人力。此外，通过为网络上的每个 PoE 端点（或用电设备 (PD)）提供一个中央电源，PoE 实现了单点维护。支持 PoE 的交换机或集线器可以为每个 PD 安全地提供高达 90 瓦 (W) 的功率，使得 PoE 适用于摄像头、紧凑型控制面板以及某些工厂设备，例如阀门或门。

PoE 还释放出空间以便进行其它接线。由于散热问题，工业设施中的大多数电缆束只能包含总计大约 24 根电缆。同一线束中的电缆通常使用重型扎带紧紧地捆扎在一起。因此，线束中的所有电缆都会分摊并留住热量，使得整个线束的温度升高，这称为“温升”效应。电阻会随着温度升高而增大，因此随着温升增加，热量引起的功率和信号损耗会降低线束中每条电缆的功率效率。PoE 可消除工业自动化中使用的很多电源电缆，降低电缆束中的电缆数量，从而减少热量并防止以太网双绞线中的信号劣化。这也提高了向设备输送电力的效率。

目前，有三种标准可用于通过标准 Cat5e 以太网线缆提供 PoE：802.3af 支持从供电设备向每个 PD 提供高达 15.4 W 的直流电源；802.3at (PoE+) 支持提供高达 25.5 W 的功率；最新标准 802.3bt (PoE++) 支持通过标准 Cat5e 以太网线缆提供最高 60 W 的功率。另外，Cat6 或 Cat6a 线缆通过更粗的电线输电，采用这种线缆时，802.3bt 支持提供高达 90 W 的功率。每种标准均向后兼容。

为新建工业自动化设施增添以太网和 PoE

要在新建网络时添加 PoE，最简单的方法是采用支持 PoE 的以太网交换机。一种简单解决方案是使用 Henrich Electronics 的 HES5A-4E60-VL DIN 导轨五端口非托管型 PoE 以太网交换机（图 1）。

图 1：Henrich Electronics 的 HES5A-4E60 以太网交换机提供 5 个以太网端口，其中 4 个支持 802.3bt PoE++。（图片来源：Henrich Electronics）

Henrich Electronics 的 HES5A-4E60 非托管型以太网交换机安装在标准 DIN 导轨或面板上。其结构紧凑，尺寸只有 92 x 116 x 67.2 毫米 (mm)，非常适合空间受限的装置。HES5A-4E60-VL 的前面板上有 5 个以太网端口。1 个是标准 10/100base-T 端口，4 个是以太网 PoE++ 端口，能够为每个 PD 提供高达 60 W 的功率。使用 Cat6/a 电缆时，HES5A-4E60-VL 能够提供高达 90 W 的功率。其防护等级为 IP40，能在 -40°C 至 +60°C 的温度范围内工作，适用于大多数工业自动化设施。

此外，HES5A-4E60-VL 向后兼容以前的 PoE 标准 802.3af（支持每端点 15.4 W）和 802.3at（支持每端点 25.5 W）。

在将电缆插入四个 PoE++ 以太网端口之一时，HES5A-4E60-VL 会发起与 PD 的短暂 PoE 握手协议。此握手过程确定端点是否需要 PoE 电源，如果需要，端点请求的功率是多少。这使得 PoE 交换机能够安全有效地向以太网端点提供所请求的功率，并在以太网电缆断开连接或端点停止响应时安全地断开 PD 电源。如果对某个 PD 正常供电，交换机上对应 PoE 端口的 LED 指示灯会点亮，表明该端口正在供电。这也有助于诊断任何电源问题。例如，如果 PD 不工作且相应的 PoE 指示灯熄灭，则可能表明电缆已损坏或断开连接，或者可能是端点未正确完成 PoE 握手过程。

HES5A-4E60-VL 是非托管型交换机，因此可即插即用。一旦将以太网电缆插入五个端口中的任何一个，交换机便会请求端点的以太网 MAC 地址。HES5A-4E60-VL 有一个 1,024 条目 MAC 表，用于将已知 MAC 条目存储到 IP 地址。如果 MAC 不在 MAC 表中，就会为其分配一个新的 IP 地址。如果 MAC 地址在该表中，则从 MAC 表条目中读取 IP 地址并将其分配给端点。无需对交换机进行任何配置或管理。

针对更复杂的工业自动化网络，Henrich Electronics 提供了 HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN 导轨六端口托管型 PoE+ 以太网交换机（图 2）。这款 IP30 级以太网交换机具有非常宽的额定工作温度范围（-40°C 至 +75°C），因此适用于干燥无尘、可能会发生极端温度情况而不适合人员长时间接触的工业环境。

该产品有一个 4,096 条目 MAC 表，并支持 10/100/1000base-T，因此符合最新的千兆位以太网标准。每个 PD 最多可获得 30 W 的功率。

图 2：Henrich Electronics 的 HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN 导轨以太网交换机具有 6 个以太网端口，其中 4 个支持 PoE+。该交换机可通过 Web 浏览器配置，以设置各种操作的警报和提醒。（图片来源：Henrich Electronics）

HES6GM-4E 系列可以安装在 DIN 导轨或面板上。该产品是一台托管型交换机，因此可以像 HES5A-4E60 一样完全即插即用，或者也可以在其任何以太网端口上连接 PC，然后通过 Web 浏览器进行配置。出于安全性要求，最多可授权 10 个 IP 地址访问 Web 浏览器界面。Web 浏览器配置界面的其他功能包括：针对安全问题自动发送电子邮件报警，设置动态主机配置协议 (DHCP) 参数，基于端口控制流量和限流，执行端口转发，以及访问系统日志。此外，浏览器界面还可以用于访问 4,096 条目 MAC 表，以便查看、编辑或删除条目。

恶劣工业环境布线

工业环境可能会遇到极端温度，也可能受到盐水、石油、汽油等液体的影响，无保护的表面可能会遭受腐蚀。对于线缆，持续的物理损坏（例如在尖角处拉伸或被卡车碾过）会削弱或破坏电缆屏蔽，或者在极端情况下，还会破坏承载数据和电源的导线。这就需要重型工业强度电缆来抵御工业损坏。另外，为了处理信号和功率输送，PoE 也需要高质量电缆。为了提供数据和电源，需要使用四对双绞线。为使温升最小并以足够高的效率提供每条电缆 60 W 的功率，线规不得小于 24 AWG。

针对最恶劣的环境，Samtec Inc. 推出了 RCE-01-G-13.00-D Cat5e 以太网电缆组件（图 3）。这种 13 米长电缆包含四对双绞线：两对用于数据传输，两对用于 PoE 功率传输。

图 3：Samtec Inc. 的 RCE-01-G-13.00-D 是 Cat5e 电缆组件，防护等级达 IP68。电缆和 RJ45 连接器都能承受最恶劣的工业环境。（图片来源：Samtec Inc.）

每个 RJ45 公头连接器均采用节省空间的矩形设计，其密封式设计防灰又防水。这些连接器使用推入式密封锁止机构，正确插入时会听到明显的咔哒声。闩锁可以毫不费力地轻松卸下。

RCE-01-G-13.00-D Cat5e 电缆使用 24 AWG 导线，适用于 802.3af 和 802.3at 供电应用。

总结

随着支持功率处理的以太网交换机的推出，PoE 变得更加易于使用。为工业自动化应用选择合适的 PoE 以太网交换机，不但可以节省时间和成本，而且可以在同一根电缆上提供安全有效的功率传输与可靠的网络连接。