Електричество в мрежата… за пренос на данни

Приетият през юли 2003 г. стандарт IEEE 802.3af регламентира начина за енергозахранване на устройства, свързани към мрежата Ethernet, която предполага използване на кабела, предназначен за предаване данни. Тази технология (Power over Ethernenat, PoE, енергоснабдяване през Ethernet) позволява да се избавим от множество силови розетки, кабели и захранващи блокове. В резултат се свиват разходите, има голяма свобода за разместване на мрежовите устройства и се повишава надеждността на системите благодарение на понижения риск от грешки при монтажа и проектирането. При внедряване на технологията PoE обаче трябва да се помни, че има допълнителни изисквания към енергозахранването и охлаждането.

В случай на използване на PoE максимално възможното енергопотребление в комутационния възел съществено нараства, както впрочем и топлоотделянето, макар че част от енергията се разсейва през кабелите и крайните устройства извън пределите на възела. Ако не се предвидят нарасналите потребности от мощност на енергозахранването и охлаждането, то трябва да сте готови за непредвидено изключване и нарушаване на работата на оборудването. И тъй като PoE обикновено се използва в системите за връзка и контрол на достъпа, негативният ефект от такива изключвания е доста забележим.

Мрежата с поддръжка на PoE се състои от различни компоненти, всеки от които внимателно се анализира от гледна точка изискванията към енергоснабдяването и охлаждането. За подаване на енергия в мрежата Ethernet са предвидени следните методи: комутатор с подаване на напрежение в линията; „инжектор на захранване“, инсталиран между комутатора и крос връзката; крос връзка с подаване на напрежение в линията; „инжектор на захранване“ за една линия (последният обезпечава захранване на РоЕ съвместими устройства в мрежите, лишени от такава поддръжка) (вж. Фигура 1).

Фигура 1. Типична структура на компонентите PoE.

В момента технологията PoE най-често се ползва за енергозахранване на оборудване VoIP и оборудване за безжични WLAN мрежи. Освен това захранването по кабела Ethernet се използва в системи за контрол на достъпа, радиочестотна идентификация (RFID) и видеонаблюдение, което в значителна степен е обусловено от пределно допустимата мощност на един порт - 12,95 W. Типичният IP телефон потребява до 5 W енергия, IP телефон с поддръжка на видео, както и четец на RFID маркери или фиксирана камера за видеонаблюдение - 10-12 W, безжична точка за достъп, четец на карти или електромеханична ключалка — от 8 до 12 W.

Разработваната версия на стандарта PoE+ (IEEE 802.3at) позволява включване на устройства с енергопотребление до 30 W при предаване данни по два чифта (10BaseT и 100BaseTX) и оборудване с мощност до 60 W при предаване по всички четири чифта (за гигабитово Ethernet 1000BaseT). По този начин точките за достъп Wireless Mesh Network с мощност до 50 W, управляемите камери за видеонаблюдение с енергопотребление до 20 W и други достатъчно мощни устройства могат да получат захранване по един кабел.

Последствия за оборудването на комутационни възли

За да разберем значението на реализацията на PoE, да разгледаме варианти за внедряване на технологията в неголеми, средни и големи офиси. Да предположим, че в комутационния възел на офис с 50 работни места, има два 48-портови комутатора и „инжектор“ за подаване на напрежение към устройства с поддръжка на PoE. В офис със средни размери и 100 работни места е монтиран модулен комутатор с три 48-портови карти и един 24-портов — всички те се използват за подаване на енергия към PoE устройства. В големия офис за поддръжка на 200 работни места функционират два такива комутатора.

Да предположим, че при трите сценария на всеки PoE порт трябва да заделим не по-малко от 7,4 W. Макар че повечето устройства потребяват под 5 W, такъв запас ще позволи безопасно свързване към част от портовете на по-мощно оборудване. Впрочем за поддръжка на устройства, за които не достига мощност, могат да бъдат задействани външни източници на захранване и „инжектори“ за една линия.

В дадения контекст следва да обърнем внимание на факта, че източникът на захранване в комутатора е способен да поддържа над 15,4 W на порт (350 мА при напрежение 44 V), докато стандартът IEEE 802.3af допуска за крайните устройства потребление не повече от 12,95 W, тъй като при максимална за Ethernet кабела дължина от 100 м напрежение на такова устройство ще всичко на всичко около 36 V.

При проектиране на топлоотделянето следва да се отчете, че UPS в комутационния възел или в сървърната стая работи в един от трите режима:

Без използване на технологията PoE енергопотреблението на комутационното оборудване в малкия офис не надхвърля 90 W. За поддръжка на такова натоварване е достатъчно UPS с мощност 500 W/750 ВА. В среден офис потреблението на комутатора е до 827 W, а препоръчваната мощност на UPS - 1400 W/2000 ВА. В големия офис комутаторът се нуждае от два пъти повече енергия (1653 W), а мощността на UPS е 3500 W/5000 ВА. Такъв избор на мощност на UPS позволява обезпечаване на захранване на комутаторите в продължение на 15 - 20 мин. без допълнителни батерии.

При работа на UPS от мрежата енергопотреблението и топлоотделянето на комутационното оборудване с отчитане КПД на UPS за малък, среден и голям офис ще бъдат съответно 97, 961 и 1778 W. В режим на зареждане на батерията енергопотреблението се увеличава съответно до 115, 1021 и 1797 W. Топлоотделянето ще се окаже малко по-ниско, тъй като част от енергията се запазва в батериите. При работа от батерия топлоотделянето ще е 118, 984 и 1797 W.

Да предположим, че освен IP телефони на всяко работно място са инсталирани допълнителни устройства PoE. За малкия офис да добавим 10 устройства: IP видеотелефон, три точки за безжичен достъп, 4 камери за видеонаблюдение и две устройства за контрол на достъпа. За средния офис - 18 устройства: 5 четеца на радиочестотни маркери, 5 точки за безжичен достъп, 4 камери и 4 устройства за контрол на достъпа. В големия офис допълнително са монтирани 30 устройства: 4 IP видеотелефона, 5 RFID четеца, пет точки за безжичен достъп, осем камери и пет устройства за контрол на достъпа.

По този начин за малкия офис натоварването на UPS е 546 W (мощност на UPS 1500 W), за средния - 1626 W (UPS мощност 3500 W), а за големия - 3222 W (UPS на 5600 W).

При работа на UPS от мрежата при напълно заредена батерия енергопотреблението на комутационното оборудване и UPS е такова: за малък офис - 569 W, за среден - 1748 W, за голям - 3580 W. В това число потреблението и топлоотделянето на устройствата PoE извън комутационния възел е съответно 325, 569 и 1117 W. При заряд на батериите потребяваната мощност се увеличава на 123, 385 и 774 W (от тази мощност в топлина се преобразува около 10-15% от енергията с отчитане на КПД на зарядното устройство и топлоотделянето на акумулаторните батерии) и достига 692 W за малък офис, 2133 W за среден и 4354 W за голям. Ако бъде отключено външното енергоснабдяване, то при работа на UPS от батерията топлоотделянето в помещението на комутационния възел става 269, 1198 и 2630 W (за малкия, средния и големия офис).

Изхождайки от тези данни, лесно се пресмята, че при внедряване на PoE енергопотреблението на комутационното оборудване в малкия офис нараства шест пъти, а топлоотделянето в помещението на комутационния възел - почти 2,3 пъти. За средния офис ръстът на енергопотреблението се оказва 2,1-кратно, а топлоотделянето нараства 1,2 пъти. Големият офис ще потребява енергия примерно 2,4 пъти повече и отделя 1,5 пъти повече топлина.

Очевидно при внедряване на PoE топлоотделянето в помещението на комутационния възел расте по-бавно от енергопотреблението, тъй като част от потребяваната мощност се разсейва в кабелите и устройствата, намиращи се извън възела. Увеличението на енергопотреблението е доста по-значимо за малкия офис, където устройствата PoE представляват по-голямата част от натоварването.

Влияние на внедряването на POE върху инженерната инфраструктура

Енергоснабдяване. При всички приведени досега примери на внедряване на технологията PoE съществено нараства енергопотреблението на комутационното оборудване. Това означава, че в много случаи за свързване на UPS към комутационния възел не трябва да се използват стандартните „битови“ розетки: налага се инсталиране в електрическия щит на отделен автомат и полагане на отделен кабел. Такава работа не може да се изпълни без привличане на квалифициран електричар, което увеличава срока за внедряване и разходите. За офиси в наети сгради ще наложи допълнително съгласуване с арендатора и внасяне на промени в договора за наем.

Готовност на системите. Внедряването на PoE увеличава зависимостта от инженерната инфраструктура (UPS и климатици), особено при внедряване на IP телефония. Ако някои IP телефони са предназначени за спешни повиквания (бърза помощ, пожарна), то нивото на готовност на VoIP системите трябва да бъде не по-ниско от нивото на готовност на заменяемата телефонна система.

Ниво на готовност 99,99% („четири деветки“) се достига при използване на една линия на енергозахранване с моноблоков UPS, чиито батерии са достатъчни за обезпечаване на автономната работа в продължение на час. UPS се свързва към електрическата мрежа, а към неговия изход – мрежовият комутатор и „инжектор за захранване“ PoE, които обезпечават непрекъсваемото захранване при изключване на външното енергозахранване. За получаване на нивото на готовност от 99,999% е нужен UPS с резервиране на силовите модули и батериите, разчетен за час автономна работа, а също комутатор, снабден с вградена система за захранване PoE.

За постигане на по-високи нива на готовност е необходимо да се използват комутатори с два независими входа за захранване, две независими системи UPS с резервиране (или два независими модулни UPS) и батерия, способна да работи в автономен режим в течение на час, автомат за резерв (АВР) и, в допълнение към основното въвеждане от външната електрическа мрежа, дизелгенератор с автоматично стартиране. В такъв случай се обезпечава непрекъснато захранване на комутатора и PoE оборудване не само в случай на изключване на енергозахранването, но и при неизправност на UPS, електроинсталацията или блоковете за захранване на комутаторите. Правилното изпълнение на всички работи по проектирането и монтажа на оборудването, а също регулярното и своевременно обслужване на системите позволяват достигане на непрекъсваемо захранване с ниво на готовност 99,9999% („шест деветки“), което съответства на средногодишен престой около 30 секунди.

Тези данни за готовността в значителна степен зависят от особеностите на енергозахранването в конкретния град и офис. Ако е необходимо достигане на зададено ниво на отказоустойчивост, е необходимо индивидуално планиране с отчитане на особенностите на енергозахранването и състоянието на електрическата мрежа на обекта.

Време за автономна работа. По правило необходимото време за автономна работа на комутационното оборудване в мрежите, в които не се използва технологията PoE, е 15-20 мин. При внедряване на PoE то се увеличава, както и натоварването на UPS. Обикновено минималното време за автономна работа на мрежовото оборудване с поддръжка на PoE не надхвърлят час, но нуждите на бизнеса или местното законодателство могат да изискват увеличаване на този период.

Продължаване на автономната работа може да стане по различни начини. Например, свързване към UPS на допълнителни батерии. Трябва обаче да помним, че тяхното монтиране води до по-голямо заето пространство в помещението. Например в случай на голям офис батерията, предназначена за поддръжка на работата на PoE устройствата в течение 2 часа, ще тежи около 200 кг и ще заема 19U пространство в монтажния шкаф. Освен това за зареждането й е необходима голяма електрическа мощност, и, съответно, нараства топлинното натоварване на климатичната система. Не всички модели UPS обаче са способни да работят с допълнителни акумулаторни батерии, а някои имат ограничение на максималния капацитет на включваните батерии и може да се наложи замяна на UPS. В много случаи за обезпечаване на бързото им зареждане ще трябва да се монтира UPS с голям запас по мощност.

Другият способ – свързване на дизел генератор за захранване на комутационния възел или цялото здание. При това е нужното време за работа от акумулаторни батерии се понижава до 15 мин. Такова решение е по-привлекателно, когато трябва да се обезпечи продължително време автономна работа при високо натоварване.

Ако се приеме под внимание общата цена на притежание за 10 г. експлоатация на системата, то за наторване от 12 kW използването на генератора е напълно оправдано за поддръжка на автономната работа повече от 17 мин. За натоварване от 6 kW неговото приложение е целесъобразно, когато е необходимо да се обезпечи автономната работа в течение на 45 мин и повече, а за натоварване 2 kW – повече от 1 ч 15 мин. Обърнете внимание: с увеличението на мощността стойността на генератора в „долари на ват“ се понижава (вж. Фигура 2).

Фигура 2. Анализ на типичната съвкупна цена на притежание за три различни натоварвания на UPS.

Разбира се, при избора на дизел генератор не всичко е толкова еднозначно и огромно влияние придобиват външните фактори: местоположение на офиса, наличие на свободното пространство за инсталиране на оборудването, срока и сложността за съгласуване на проекта. Освен това няколко пъти на година квалифицираните сервизни инженери са длъжни да изпълняват работи по техническо обслужване, а вероятността за отказ на генератора като механично устройство нараства значително след 3-4 г. експлоатация, което може да понижи общото ниво на отказаоустойчивост на системата.

Предаване на енергия по комуникационен кабел. При протичане на тока по комуникационния кабел напрежението постепенно пада и по цялата дължина на кабела се отделя топлина. Стандартът PoE отчита явлението: източникът на захранване за PoE трябва да подава в кабела напрежение в диапазона от 44 до 57 V, а нормалното функциониране на потребителите на енергия в PoE мрежата е разчетено при напрежение от 36 до 57 V. По този начин при напрежение 44 V на изхода на източника на захранване и при падане на напрежение в кабела до 7 V (което се случва, когато кабелът е дължина 100 м, а неговото съпротивление не превишава 20 ома) крайното устройство ще работи нормално.

От друга страна, топлоотделянето може да окаже негативно влияние върху комутатора или „инжектора на захранване“ в близост до кабела. В тези места комуникационните кабели обикновено са свързани в дебели пачки, което усилва ефекта от нагряването и води до повреждането им, тъй като те са разчетени за експлоатация при температура не повече от 60°C. При захранване на обикновените IP телефони, потребяващи 3-5 W, този проблем не е толкова явен, но при добавяне на мощни устройства, потребяващи 12-15 W, ефектът става забележим. В резултат кабелите трябва да се разделят на неголеми пачки и да се предвиди пространство, достатъчно за въздушно охлаждане.

Влияние върху предаването на енергия върху преноса на данни. Всеки източник на захранване, подаващ енергия в кабелите за предаване на данни, генерират „електромагнитен шум“, който може да наруши целостността на предаваните данни. Това води до понижаване на средната скорост на предаване на данни — част от пакетите се повреждат и се пращат повторно с протоколи от по-високи нива, например TCP. За понижаване на тези ефекти трябва да се използват висококачествени комуникационни кабели Категория 3 или по-висока за мрежи 10BaseT, а също Категория 5 и по-висока за мрежи 100BaseTX и 1000BaseT. Освен това следва внимателно да се изучат параметрите на качеството на напрежението на източниците на постоянен ток за PoE. За мрежите с високи изисквания към скоростта на предаване на данни трябва да се изберат модели с най-ниско ниво на пулсации и шумове на изхода за постоянен ток.

Охлаждане на комутационни възли. Както е показано в дадените по-горе примери, при внедряване на технологията PoE топлоотделянето в комутационния възел съществено нараства. За обезпечаване на висока готовност е необходимо да се отведе излишната топлина от помещението. Обикновено се препоръчва да се избягва повишаване на температурата с над +25°C, макар че пределно допустимата температура в помещението на комутационния възел е +30-35°C. При по-високи температури съществено се понижава ресурсът на оборудването и се повишава рискът от възникване на области с локално прегряване, което може да доведе до изключване на оборудването.

Ако в офиса се поддържа по-ниска температура от тази в комутационния възел, то примерно 300-400 W от отделената топлина се отвежда от помещението чрез топлопроводимостта на стените, вратите, пода и тавана. При това температурата в помещението на комутационния възел няма да надхвърли +25°C. При по-високи нива на топлоотделяне е достатъчно ефективна пасивното вентилиране, например с вентилационни решетки в долната и горната част на вратата. Все пак този метод позволява да се отведе около 300-400 W, т.е. общо 600-800 W. Примерно до 2 kW топлина може да се отдели посредством проточна или изсмуквателна система за вентилация: в този случай се обезпечава притокът от студен въздух отвън или извеждане на нагретия въздух от помещението.

Ако топлоотделянето в комутационния възел надхвърля 2 kW, единственият способ за осигуряване на необходимото охлаждане е монтиране на система за климатизация. Трябва да помним, че планирането на охлаждането е необходимо да се прави за „най-лошия случай“, т.е. за ситуация, когато UPS зарежда батериите или работят от нея, а времето за автономна работа на системата е над 30 мин. Освен това за разлика от системите за климатизация на офиса разчетът се прави с отчитане на денонощна работа 365 дни в годината в продължение на поне пет години. В противен случай след година-две нараства вероятността от престои заради неизправност на климатичната система (вж. Фигура 3). Да не забравяме, че даже краткотрайна работа на UPS от батерията при температура над +30°C съществено понижава ресурса на акумулаторите.

Фигура 3. Зависимост на температурата в комутационния възел от разсейваното натоварване и охлаждане.

Обратната страна на POE

Технологията PoE дава големи печалби при внедряване на предаване на глас през интернет, радиочестотно идентифициране и системи за сигурност, но повишава изискванията към инфраструктурата, която в този случай е длъжна да обезпечи по-високо ниво на готовност на системата. Освен това ще се наложи да се увеличат възможностите на оборудването за предаване на данни, тъй като появата на нови приложения ще доведе до по-големи обеми мрежови трафик, а това, от своя страна, ще доведе до допълнителни разходи за инженерна инфраструктура. Във всеки случай е необходимо внимателно да се анализира състоянието на инфраструктурата и модернизирането й за понижаване на риска от престои.

Нил Уайтинг, старши инженер на британския филиал на APC за приложни системи. Той има опит в сферата на решения за електрозахранване над 30 г. и се специализира на системите за електроснабдяване на променлив и постоянен ток и енергосистеми за постоянен ток за телекомуникационния бранш, а в последно време на решения в областта на електроснабдяването с променлив ток на компютърния и телекомуникационен отрасъл.

Последни новини

• Стартира проектът „ТОП ИКТ Работодател“
• В 29 общини и 24 малки селища ще се изгражда инфраструктура за ШЛ интернет по проект на ЕСМИС
• Двуобхватен маршрутизатор от новата серия amplifi обяви D-Link
• D-Link вдига HD оборотите с нов двулентов високопроизводителен рутер DIR-857
• Мултимедийните системи Aastra 400 обслужват комуникациите на СМБ

Активни теми във форума

• » Само за родители и кандидат-родители
• » Питай Малинка - сайт за въпроси и отговори
• » Супер Боб
• » въпрос:Как да изградя мрежа
• » Закони за успех във високите доходи.