Современная кабельная инфраструктура. Новые стандарты и технологии

В современные технологии PoE были добавлены два новых стандарта. Это Power Ethernet уровня 3 и 4. Соответственно мощность для этих стандартов составит 60 и 90 Вт. Они могут работать вместе с высокоскоростными протоколами, такими, как Gigabit Ethernet. Еще есть, пока редко встречающаяся, технология Multimedia Ethernet HD Base-T. Она может обеспечить питание до 100 Ватт на одно устройство.

Сегодняшнее мероприятие, посвященное построению современной кабельной инфраструктуры, проведет Антон Курбаров, компания R&M.

Итак, первая технология - это Power over Ethernet (PoE). Некоторые слаботочные устройства требуют питания. Однако ввиду того, что они потребляют малую мощность, необходимое им напряжение может быть подана по тому же кабелю, который используется для передачи информации.

Т.о. по одному кабелю можно запитывать устройства и передавать информацию, эта технология известна давно: Power Ethernet (PoE) и Power Ethernet + (PoE+). Они обеспечивают мощность 15 и 30 Вт.

Наиболее распространены две схемы по раздаче Power Ethernet до потребителя.

Первая схема, которая чаще всего используется, когда устройство, передающее информационный сигнал, имеет встроенные блоки питания, и подает питание сразу в кабель, по которому происходит передача сигнала. Вторая схема: не все устройства оборудованы встроенными блоками питания, поэтому есть возможность использовать сторонние устройства. Они встраиваются непосредственно в разрыв линии и добавляют информационный кабель питания для конечного устройства.

Кабель при передаче большой мощности - нагревается. Ниже приведена формула, рассчитывающая мощность питания, и справа снизу указаны параметры, которые могут влиять на выделение мощности в кабеле.

Понятно, что чем длиннее кабель, тем больше в нем потери. Сопротивление самого проводника зависит от того, какой проводник мы используем и какова площадь его поперечного сечения. Чем она больше, тем меньше потери в кабеле.

Хочу обратить внимание на двойные значения цифр в этой формуле. Они свидетельствуют о том, какую мощность мы передаем в канал, и какая мощность доходит до потребителя. Разница, которая здесь указана, говорит о том, сколько мы теряем в кабеле. На слайде приведена таблица, которая напоминает о том, что максимальная длина кабеля зависят в том числе и от температуры.

Все характеристики, указанные в стандартах, отталкиваются от температуры 20 градусов. И если температура среды передачи повышается, то передаточные характеристики ухудшаются. В таблице первая колонка - это температура. Вторая - относительное ухудшение параметров. Третья колонка - наглядно демонстрирует, насколько ухудшаются передаточные характеристики кабеля. Длина постоянной линии по стандарту составляет 90 м. И если температура в кабеле повышается, то максимальная длина кабеля уменьшается. Т.е. при нагреве кабеля до 30 градусов предельное расстояние будет уже не 90 м, а 87 м. Соответственно при 40 градусах это будет уже 84 м. Это говорит о том, что при проектировании необходимо учитывать условия прокладки кабеля. Если потенциально кабель проложен в том месте, где он может нагреться, то нужно заранее при проектировании ограничить максимальную длину линии.

Что нужно делать для того, чтобы минимизировать влияние нагрева кабеля на его передаточные характеристики?

Прежде всего нужно использовать кабели, у которых большое сечение проводника. В данном случае это кабели категории 6 и выше, которые имеют диаметры проводников 22-23 AWG. Нужно также при производстве кабеля использовать наиболее чистую медь, потому что чем больше примесей, тем больше будут потери мощности при передаче.

Следующей рекомендацией будет использование Patch Cord с коннекторами IDC. Мы привыкли использовать коннекторы IPC, которые прокалывают кабель. Они более распространены. На слайде видно, в каких местах происходят потери мощностей при передаче PoE на контактах.

Разумеется, это все точки, где подсоединяется Patch Cord. IPC коннектор используется чаще всего. На IPC при монтаже ножик прорезает оболочку и касается самих проводников.

На слайде схематично показан сам процесс. Недостатки этого коннектора в том, что он не плотно прилегает к проводнику. Кроме того, зачастую из-за некачественного монтажа площадка со временем ухудшается из-за неплотного прилегания и из-за старения происходит ухудшение передаточных характеристик. Рисунки демонстрируют не самый лучший вариант соединения, когда нож коннектора прилегает к проводникам только за счет прижатия его к проводникам пластиковой оболочкой. Это грозит тем, что из-за неплотного прилегания в этом месте будут образовывать окислы, которые будут со временем приводить к дисконтакту.

С левой стороны слайда представлена работа коннектора IDC. Он имеет контакт в виде вилки, внутрь которой проходит сам проводник. И мы имеем постоянное пятно контакта, причем вдвое большее по площади, чем у IPC. Кроме того, здесь более плотная герметизация за счет прорезания оболочки. Т.о. здесь и большая площадь поверхности, и постоянное давление, и постоянная площадь поперечного сечения зоны контакта. Этим достигаются характеристики, которые не зависят от времени существования этого контакта. На графике показано красным цветом ухудшение характеристик у IPC контакта, зеленым цветом - стандартная IFC величина и синим цветом - IDC контакт, характеристики которого со временем почти не меняются.

Для наглядности на слайде слева приведена фотография, которая показывает, что IDC коннектор охватывает проводник, не дает ему выскакивать, и т.о. обеспечиваются минимальные потери на контактах. IDC контакт в процессе эксплуатации свои характеристики не меняет, т.о. эффекта старения на нем не наблюдается.

Вторым немаловажным фактором, который оказывает влияние на работу Patch Cord и на потерю мощности в канале, является искровая эрозия.

Искровая эрозия

Мало кто из сисадминов отключает питание при разъединении канала, хотя по инструкции надо сначала вытащить Patch Cord только после того, как напряжение PoE снято.

Мало кто так делает, поэтому в точках контакта, т.е. в разъемах, всегда будет появляться искра при разъединении или подсоединении Patch Cord. Искра приводит к повреждению поверхностей контактов. Т.е. когда мы подсоединяем один участок к другому, между ламелями розетки и контактами Patch Cord обязательно пробьет искра. Она приводит к образованию запекшихся участков. Очевидно, что плотность прилегания контактов на них будет плохой. И это будет приводить к ухудшению передаточных характеристик и потере мощности.

Поэтому контакты имеют специальную угловую загнутую форму (см. выше расположенный слайд) для того, чтобы пятно искровой эрозии образовывалось не на том месте, где будет рабочее положение Patch Cord и розеток. Т.е. при подсоединении сначала идет пробитие искры, затем по ламелям продвигается контакт, и, когда происходит защелкивание Patch Cord в розетке, точка контакта оказывается намного дальше, чем точка искровой эрозии. И за счет этого качество соединения остается прежним весь период эксплуатации, т.е. 15-20 лет, несмотря на наличие искровой эрозии при каждом подсоединении Patch Cord. Т.е. специальная форма ламели розеток обеспечивает долгосрочную эксплуатацию на протяжении всего срока службы розеток.

Современные технологии

Если раньше в основном Power Ethernet был связан с видеокамерами, которые были преимущественно стационарные и неподвижные, то сейчас в проектах все чаще используются видеокамеры с подвижным объективом, которым нужно питание не только для самой камеры, но и для механизма, который ее поворачивает.

Это ТД Wi-Fi. Более того, чем более чем она более высокоскоростная, тем ей нужно подвести больше питания.

Это новое направление светодиодного освещения офисов. И все наши здания все больше и больше подвергаются автоматизации.

Стандартная линия Power Ethernet, которой мы пользовались до сих пор, приведена в верхней части слайда. Чаще всего это была коннекторная модель, которая заканчивается розеткой. И ее конечное устройство подключается к Patch Cord. А сейчас с развитием технологий в стандартах принята новая конфигурация. Называется она одноконнекторная линия. И заканчивается она уже не розеткой, а разъемом RJ-45, который может быть непосредственно подключен к конечному устройству, в данном случае к видеокамере. Единственное, что необходимо оговорить, что данные коннекторы должны иметь возможность полевой оконцовки. Напомню, что коннекторы предыдущего поколения, пирсинговые, по стандарту, должны быть использованы только на заводе для оконцовки Patch Cord. И на рабочих местах, при подключении видеокамер и компьютеров должны использоваться только заводские Patch Cord. И разъемы RJ-45 не могут быть использованы для оконцовки полевых устройств.

Есть особые требования, которые предъявляются к коннекторам для полевой оконцовки. И поэтому все производители выпустили новые линейки, которые могут быть установлены именно в полевых условиях. Это серия FM-45.

Этот коннектор довольно простой. Монтировать его могут специалисты, которые до этого монтировали обычные кабельные системы. Они выпускается в разных вариантах: прямой, угловой. Он имеет чехол IP-67 и специальный металлический корпус, если используется в каких-то особых условиях.

Светодиодное освещение

На сегодняшний день существуют несколько платформ. На данном слайде приведена платформа, произведенная компанией Redwood совместно Commscore. И часть независимых производителей таких, как компания Philips, которая на сегодняшний день производит освещение.

Такие светильники потребляют порядка 30 Вт. В данном случае, если мы рассмотрим решение Redwood, то у них обеспечивается централизованное управление и централизованная раздача питания. Т.е. оно устанавливается на конечное устройство, которое совмещает в своем корпусе и коммутатор, и блок питания. Каждый светодиодный светильник подключается своим кабелем. Система может быть автоматизирована, на слайде виден датчик освещенности. И все это вместе может быть запрограммировано на автоматическое включение/выключение света. Кроме того, низкое потребление повышает эффективность.

Что касается таких производителей, как Philips. Они основываются на стандартных протоколах, используя стандартную схему построения кабельной инфраструктуры. Они могут устанавливать свои генераторы между свичом и светильником, использовать стандартные кабельные системы офисных зданий для того, чтобы запитать свои сети. Т.е. разница состоит в том, что Philips и аналогичные производители, ввиду того, что у них нет своих генераторов/коммутаторов, делают ставку на стандартные решения, которые чаще всего и используются.

Преимущества LED освещения с PoE

Почему на эту тему сейчас обратили более пристальное внимание. Прежде всего это одно из направлений автоматизации зданий.

Она позволяет экономить электроэнергию, поскольку управляет каждым светильником в отдельности. Общее потребление электроэнергии намного меньше, чем при использовании ламп накаливания. Кроме того, за счет работы по IP-протоколу можно использовать эту сеть для других сервисов. На слайде приведены такие сервисы, как индивидуальные настройки рабочего места. И зонирование рабочего места в зависимости от наличия или отсутствия в нем сотрудников, плюс GPS-трекинг по зданию, т.е. возможность навигации, которая поможет найти выход на улицу. Ее можно использовать и на улице, и в здании. Если, например, человек впервые пришел в здание, навигатор поможет ему быстро найти нужную ему комнату. Точно так же навигатор поможет найти выход в случае эвакуации во время какого-либо бедствия, например, пожара.

У светодиодного освещения каждый LED-светильник имеет свой IP-адрес. Поэтому есть возможность управлять освещением по кабинетам, по рекреациям и другим помещениям. Можно запрограммировать различные сценарии.

В данном случае здесь видно, как разные ряды запитываются с разной интенсивностью, т.е. на них подается разная мощность. Это может быть связано с тем, что верхний ряд располагается ближе к окнам здания, а самый темный нижний ряд – дальний от окон. Соответственно регулируя подачу напряжения, мы можем равномерно освещать все здание, и при этом экономить электроэнергию.

Если известно, какие сотрудники отсутствуют на рабочих местах, мы также можем использовать функцию индивидуального освещения. Например, выключая те зоны, где в данный момент сотрудник отсутствует.

Если подытожить эффективность, то по разным подсчетам экономия за счет использования светодиодного освещения вообще, и интеллектуального освещения в частности, составляет до 40% эксплуатационных расходов здания.

Стандарты

Какие стандарты сейчас актуальны при автоматизации зданий? Прежде всего, это стандарты ISO 11801-6 и EN50173-6.

Это международные и европейские стандарты, в которые были добавлены секции, описывающие кабельную инфраструктуру, которая необходима для обеспечения автоматизации здания. Стандарты рекомендуют использовать зоновую архитектуру построения сети.

Допустим у вас есть здание с планировкой, в соответствии с которой мы разбиваем зоны с ориентировочным радиусом около 12 м. В центре зоны устанавливается сервисная розетка, которая подсоединяется к этажному распределительному кроссу. Фактически это похоже на структуру открытого офиса. Разница только в том, что наша структура обычно локально располагается на рабочем пространстве. Там, где в основном и располагаются устройства автоматизации, датчики, точки Wi-Fi и компьютеры.

Т.о. за потолком мы имеем сотовую структуру, в центре каждой соты стоит сервисная розетка. И если мы проектируем сеть Wi-Fi, мы накладываем расположение ТД в сервисную зону, мы видим, какая сервисная розетка является ближайшей к ТД, которую мы планируем установить, и исходя из имеющегося расстояния, мы выбираем Patch Cord для подключения этой ТД к сервисной розетке.

Планирование и проектирование сервисной сети может быть абсолютно независимым от проектирования и расположения ТД. Точка доступа VLAN будет размещена в соответствие с планом беспроводной сети и подключена к ближайшей точке SO.

Диаметр у нас порядка 12 м, а расстояние до сервисной розетки будет около 20 м. При размещении ТД выбираем ближайшую и подключаемся к ней. ТД может содержать не только одну розетку, она может содержать до 12 разъемов для того, чтобы к ней можно было подключить несколько офисных устройств.

Цифровой офис

Поскольку количество умных устройств в наших зданиях становится все больше, то мы постепенно перейдем к цифровому офису.

И если раньше IT-инфраструктура использовалась исключительно для подключения IT-устройств, то со временем туда стали подключаться системы видеонаблюдения и ТД. А в ближайшее время туда будет подключаться светодиодное освещение, большое количество датчиков и контроллеров, устройств автоматизации, аудио-видео.

На следующем слайде представлена история развития Wi-Fi.

Справа приведена информация о протоколе Wi-Fi 6, который может обеспечить скорость доступа уже почти гигабит в секунду.

Что нас ждет в развитии цифрового офиса? Это светодиодное освещение. С другой стороны, мы прекрасно понимаем, что все устройства, которыми мы сейчас пользуемся в офисе, и компьютер, и IP-телефония и какие-то другие элементы, те же самые ТД, все они используют напряжения 5, 12, максимум 24 В. Т.е. в офисе напряжение 220 В фактически не нужно.

И чисто теоретически в перспективе любое здание может отказаться от розеток в 220 В и использовать на рабочих местах Power Ethernet для питания потребителей, которые расположены на рабочих местах. Т.е. можно совсем отказаться от розеток в 220 В и таким образом офис полностью перейдет в разряд слаботочных. Раньше говорили о том, что останутся сервисные устройства те, которые используются, например, для уборки помещений. Например, пылесосы, моечные станции и другие механизмы, которым требуется большая мощность. Однако уже сейчас существует множество устройств, которые используются для уборки офисов, и которые имеют встроенные аккумуляторы. И в ближайшем будущем мы, видимо, сможем даже и в этой области отказаться от розеток в 220 В и полностью перейти, даже с учетом сервисного обслуживания, на устройства, которым будет достаточно питания по протоколу PoE.