Ottimizzare l’efficienza di sistemi PoE ad alta potenza

POWER-OVER-ETHERNET –

Sia che si tratti di data center o di smart grid, il Power-over-Ethernet si propone come una tecnologia emergente utile per incrementare il livello di controllo da parte degli utenti sui consumi di potenza.

La tecnologia Power-over-Ethernet ha contribuito a semplificare notevolmente l’installazione e la distribuzione di terminali e di punti di accesso alla rete consentendo loro di essere alimentati sfruttando il medesimo cablaggio che trasporta i dati. Con il trascorrere del tempo è stata notevolmente incrementata la potenza che la tecnologia PoE può fornire attraversi i cavi Ethernet in modo da garantire il supporto a una gamma sempre più ampia di dispositivi, dalle telecamere Ptz e i punti di accesso 802.11n ai sistemi di controllo dell’accesso e i thin client. Poiché i nuovi standard Ieee802.3at prevedono modalità che utilizzano una potenza più elevate, è indispensabile che questa potenza venga fornita nel modo più efficiente possibile. Per migliorare l’efficienza di una rete PoE è possibile adottare diversi approcci. Il primo prevede l’uso di midspan con architetture di potenza distribuite e funzionalità di gestione remota che garantiscono una miglior efficienza del sistema complessivo. Il secondo contempla il ricorso all’alimentazione a quattro coppie che può essere implementata secondo una modalità di risparmio energetico che permette di dissipare fino alla metà della potenza e consumare circa il 15% di energia in meno rispetto alle tradizionali soluzioni a due coppie.

Efficienza: uno sguardo in profondità
L’efficienza di un sistema PoE viene calcolata moltiplicando l’efficienza dell’alimentatore per i seguenti fattori: efficienza del circuito Pse (Power Sourcing Equipment), efficienza del canale (compresi i cavi, il pannello di connessione e i connettori), efficienza del PD (Powered Device) e quella del convertitore c.c./c.c. del PD. Questi fattori coinvolgono l’intera catena della potenza, dalla conversione di potenza (da 100-240 Vac a 44-57 Vdc) all’uscita del Pse del PoE, passando attraverso l’erogazione a 37-37 Vdc al PD e alla conversione ai diversi valori di tensione richiesti (5, 3,3, 2,5, 1,2, 0,9 V). L’efficienza può essere migliorata minimizzando le perdite del sistema. Sul lato PD non è possibile effettuare praticamente nessuna operazione in quanto è necessario ipotizzare i consumi nel caso peggiore (conversione della tensione di 57 Vdc alla tensione minore). Per contro è possibile migliorare l’efficienza agendo sul lato Pse mediante la selezione della tensione di uscita ottimale. Si consideri un PD come definito da Ieee802.3at che richiede una potenza di 25,5 W collegato a un cavo Cat5 di lunghezza pari a 300 piedi (circa 92 metri) con una resistenza di 12,5 Ohm. La resistenza del circuito Pse è pari a 0,65 Ohm, mentre quella del circuito PD è di 0,58 Ohm. In uno situazione di questo tipo un alimentatore Pse con una tensione minima garantita di 50,4V richiede una corrente di 600 mA con un’efficienza dell’84%, mentre una tensione di alimentazione minima di 54,8V richiederà una corrente di 534 mA con un’efficienza dell’87%. Il valore di 54,8V è stato scelto in modo da consentire l’implementazione di un alimentatore con una tensione nominale che non superi 57V (valore massimo previsto dallo standard Ieee802.3) quando si effettua una regolazione pari a +/- 2%. Ipotizzando un’efficienza del 90% sia nello stadio c.c./c.c. del PD sia in quello c./a./c.c. del alimentatore Pse, l’efficienza complessiva di un sistema di una soluzione a 54,8V con il massimo carico previsto da Ieee802.3at è del 70,5% (90%x90%x87%). Per contro l’efficienza in presenza del carico massimo di un tradizionale adattatore c.a. autonomo è compresa tra il 50 e il 70%.

La tecnologia midspan
contribuisce a ottimizzare l’efficienza

Il modo più efficiente, in termini energetici, per effettuare un’installazione PoE di elevata potenza prevede il ricorso ai cosiddetti midspan (o iniettori di potenza) installati tra i commutatori esistenti e i PD della rete. A differenza dei commutatori con funzionalità PoE complete, i midspan disaccoppiano le infrastrutture dati e di potenza con innegabili vantaggi in termini di flessibilità e scalabilità: essi infatti consentono di aggiungere porte PoE nel momento in cui se ne presenta l’esigenza. Il midspan rappresenta la soluzione ideale quando non è necessario l’aggiornamento degli switch della rete e sono disponibili in modelli con differenti numeri di porte.
Un fattore sicuramente di notevole importanza, dal punto di vista dell’efficienza, è legato al fatto che i midspan utilizzando architetture di potenza distribuite e sono quindi in grado di risolvere il problema delle perdite di potenza a riposo tipici degli switch in grado di supportare la tecnologia PoE. Essi inoltre mettono a disposizione funzionalità di gestione remota e di risparmio energetico non presenti sui commutatori che supportano la tecnologia PoE. Si prenda in considerazione un commutatore a 48 porte con 800 W di potenza per porta che potrebbe sprecare 80 W di potenza a riposo poiché in qualsiasi istante non vengono impiegate più di 20 porte. Nelle applicazioni Ieee802.3at ad alta potenza è raro che ciascuna singola porta richieda la massima potenza. Gli odierni midspan utilizzati in ambito aziendale permettono di eliminare tale problema grazie alla possibilità di supportare gli alimentatori interni più piccoli ed economici, impostati per default, con alimentatori esterni da utilizzare sia per fornire una potenza aggiuntiva quando è richiesta sia per garantire un certo grado di ridondanza. Questa architettura distribuita permette di migliorare l’efficienza del sistema e ridurre i costi di raffreddamento in quando alimentatori più compatti richiedono ventole più piccole e/o funzionanti a velocità inferiori. Le funzioni di gestione remota dei midspan permettono, in maniera molto semplice, di alimentare alternativamente le porte selezionate durante la giornata, operazione questa che può comportare una riduzione della potenza dissipata del 70%. E’ possibile misurare il consumo di potenza di ogni dispositivo è il consumo medio può essere ridotto in maniera attiva. Se tenga presente che un midspan a 24 porte in formato 1U deve gestire in totale 370 W di potenza (15,4 W per porta). La potenza in tempo reale necessaria per i vari PD della rete potrebbe essere pari poco più della metà di questo valore. La gestione della potenza, ovviamente, deve essere effettuata in modo sicuro al fine di evitare che eventuali agenti dolosi possano interferire con il funzionamento della rete. I midspan PoE ad alta potenza delle ultime generazioni integrano un gran numero di funzioni avanzate di gestione della potenza e di sicurezza, tra cui moduli di potenza con monitoraggio Snmp e gestione della potenza basata su Web, oltre al supporto per l’indirizzamento IPv4 e IPv6 atto a garantire un monitoraggio e un controllo remoti del dispositivo efficienti in termini energetici. I midspan interconnessi possono essere usati per fornire il funzioni di backup in caso di guasto dell’alimentazione e sono previsti una pluralità di opzioni di alimentazione. Gli ingressi in continua possono essere impiegati con alimentatori esterni per aumentare la capacità di potenza del midspan o garantire la ridondanza. I midspan consentono anche di diminuire la concentrazione del calore e le relative problematiche di raffreddamento negli armadi di commutazione. Grazie alla capacità di erogare solamente la potenza necessaria, essi risultano più “ecologici” rispetto ai commutatori PoE. I midspan possono essere utilizzati da soli o abbinati a commutatori PoE in modo da alimentare dispositivi sia ad alta sia a bassa potenza e dar vita alla soluzione più efficiente possibile in termini energetici.

Alimentazione a quattro coppie
Per garantire un ulteriore miglioramento dell’efficienza è possibile utilizzate l’alimentazione a quattro coppie per alimentare dispositivi a due coppie con una potenza di 30 W: in questo modo è possibile dimezzare la dissipazione di potenza e ridurre del 15% i consumi di energia rispetto alle tradizionali soluzioni a due coppie. L’alimentazione a quattro coppie è supportata dai più recenti standard per reti PoE ad alta potenza e prevede l’uso di tutte e quattro le coppie del cavo Ethernet per consentire l’erogazione di una potenza massima in continua di 60 W su un singolo cavo Ethernet utilizzando livelli di corrente di 600 mA invece di 1,2 A necessari in presenza di midspan a due coppie da 60 W. Per consentire il raggiungimento di questi livelli di alimentazione, nelle specifiche Ieee è stata modificata la definizione di PD, che viene considerata l’interfaccia di potenza invece dell’intero dispositivo che deve venire alimentato. Quindi è ora possibile la presenza di due interfacce di potenza, ciascuna delle quali può assorbire fino a 25,5 W all’interno del medesimo box. Nulla ovviamente impedisce il collegamento di queste due interfacce, una mediante due coppie che utilizzano i fili 1,2,3 e 6 e l’altra tramite le due coppie che utilizzano i fili 4,5,7 e 8. In tal modo risulta possibile raddoppiare la massima potenza di 25 W prevista dallo standard 802.3at-2009 e arrivare fino a 51 W pur garantendo la totale conformità a questo standard. L’alimentazione su tutte e quattro le coppie di un cavo Cat5 Ethernet non solo permette di aumentare la potenza erogata ai PD, ma anche di migliorare l’efficienza rispetto alle soluzioni a due coppie. Piuttosto che fornire una potenza di 51 W su un cavo Cat5 attraverso una soluzione a quattro coppie, la medesima configurazione può essere impiegata per alimentare dispositivi a due coppie con una potenza di 30W. La riduzione della dissipazione di potenza e dell’energia si traduce in un risparmio di 25 dollari all’anno per ogni dispositivo alimentato, ipotizzando un costo dell’energia di 0,10 dollari per KWh.

PoE: una tecnologia universale
Anche se l’adozione della tecnologia PoE si va diffondendo in ambito enterprise, esistono notevole potenzialità in numerosi altri segmenti applicativi. Per esempio esistono alcune applicazioni nelle piattaforme residenziali, come ad esempio le femtocelle, che spesso devono essere installate laddove non sono disponibili spine c.a. Un’intera abitazione potrebbe in futuro sfruttare la tecnologia PoE per i controlli di accesso e di sicurezza, per la gestione di telecamere, reti Wlan, modem e persino dell’illuminazione interna – questo con la progressiva diffusione del concetto di illuminazione a stato solido alimentata tramite rete PoE. Microsemi, per esempio, ha già fornito la dimostrazione circa l’utilizzo di uno splitter PoE ad alta potenza da 24 V per fornire elettricità a un sistema a Led Rgb a basso consumo sfruttando il cablaggio Ethernet standard senza ricorrere a un costoso commutatore di rete PoE o all’installazione di prese di corrente. La tecnologia PoE può essere utilmente impiegata anche in un gran numero di applicazioni industriali, tra cui sistemi di controllo degli accessi, punti di accesso Rfid, arresti di emergenza, inverter, encoder lineari, azionamenti, gateway, controllori, sensori, semplici dispositivi per il controllo del movimento e soluzioni di I/O per l’interfacciamento.
Per molti sensori usati in ambito industriale che richiedono una potenza inferiore a 10W, è sufficiente la release dello standard Ieee802.3at che specifica una potenza di 12,95W per porta. Grazie alle nuove revisioni dello standard che prevedono la possibilità di fornire una potenza di 25,5 W per porta - PoE Plus - a breve sarà possibile alimentare un sistema Scada completo mediante le porte presenti sui commutatori Ethernet e, contemporaneamente, i vari terminali IP non convenzionali presenti in una fabbrica, tra cui punti di accesso wireless, telefoni, telecamere, computer notebook e thin client. Una rete PoE è altresì un importante tassello per la realizzazione di una rete industriale integrata, che permette lo sviluppo di applicazioni che spaziano dal controllo dei processi logistici e l’associato tracciamento dell’inventario, al controllo dell’avanzamento lavori alla pianificazione della produzione. In tutte queste applicazioni, per le quali l’efficienza energetica riveste una notevole importanza, sarebbe difficoltoso, se non impossibile, localizzare prese di corrente in tutte le postazioni laddove sono richiesti terminali IP. Per le società di distribuzione dell’energia elettrica, la tecnologia PoE rappresenta un’opportunità per incentivare i clienti a realizzare investimenti in apparati Pse che permetterebbero il risparmio di migliaia di MWh all’anno. I risparmi più significativi si potrebbero realizzare con l’installazione di apparecchiature programmate per sospendere la loro attività in periodi prestabiliti: in questo caso sarebbe possibile ridurre i consumi in misura anche superiore al 70%. Questi vantaggi si possono estendere anche alle smart grid. Sarebbe possibile concepire una soluzione che integri controlli smart grid e PoE, in modo da permette alle società responsabili della distribuzione di energia elettrica di istruire i consumatori a arrestare il funzionamento dei loro dispositivi PoE a più bassa priorità al fine di risparmiare energia, invece di mettere a punti piani di sospensione totale del funzionamento. In tal modo i sistemi potrebbero “sopravvivere” meglio a catastrofi naturali e a estati torride. Sia che si tratti di data center o di smart grid, PoE si propone come una tecnologia emergente utile per incrementare il livello di controllo da parte degli utenti sui consumi di potenza. Tale tecnologia si propone inoltre come un mezzo efficiente per incentivare gli utenti a risparmiare energia e ridurre la necessità di costruire nuove centrali. Le più recenti soluzioni PoE sono in grado di fornire una maggior potenza a una più ampia gamma di PD con una migliore efficienza. Senza dimenticare gli altri numerosi vantaggi legati all’adozione della tecnologia PoE, tra cui conformità e interoperabilità basata su standard, robustezza, affidabilità, diminuzione dei costi operativi grazie a una gestione intelligente dell’energia, maggiore disponibilità delle rete, funzioni di gestione della potenza e diagnostiche remote e, non ultimo, eliminazione di costose prese e cablaggi.

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