연결 – 지속 가능한 자동화의 근간

SPE, PoDL, 이더넷 APL과 같은 기술은 기존의 산업 커뮤니케이션의 제한을 극복합니다. 이러한 기술에서 신호, 데이터, 전기 전력에 대한 고급 인터페이스는 중요한 역할을 합니다. 즉, 생산 장비를 네트워킹할 때 자동화 제공업체가 리소스와 비용을 절약하는 데 도움을 줍니다.

(이미지 출처: PeopleImages via Getty Images)

기업 프로세스를 생산 현장 수준까지 침투하는 디지털화 및 매끄러운 데이터 네트워크는 자동화 기술에서 오랫동안 지속되온 트렌드입니다. 그 목표는 전례 없는 다양성 및 생산성 수준을 달성하도록 맞춤 지정할 수 있는 유연성이 뛰어난 생산 환경을 생성하는 것입니다. 이러한 목적을 위해, 제조 산업은 인더스트리 4.0이라는 우산 아래에서 파괴적인 변화를 경험하고 있으며 사용 가능한 모든 리소스의 지속 가능한 사용은 가장 중요한 측면 중 하나입니다.

현장에서 클라우드까지 원활하게

기계, 제품, 최종적으로 사람 간의 원활한 연결은 이러한 변화의 특징이며, 이는 운영 기술(OT)과 정보 기술(IT) 간에 존재하는 기존의 경계를 크게 허물기 시작했습니다. 산업용 이더넷을 사용할 경우 현장 수준의 장치도 TCP/IP를 통해 기업의 클라우드 기반 데이터 인프라에 광대역으로 원활하게 비용 효율적으로 상호 연결할 수 있는 기술이 지원됩니다. 필드 버스와 달리 산업용 이더넷은 현장 장치에서 클라우드까지(엔드투엔드) 모든 수준의 자동화를 포괄합니다. 따라서 공장 및 시설 운영자는 장치 데이터에 실시간으로 액세스하여 생산 계획, 프로세스 제어, 데이터 분석에 이용할 수 있습니다.

예를 들어, 산업용 이더넷은 센서, 전원 공급 장치 또는 구동기의 데이터에 대한 실시간 취득 및 분석을 가능하게 합니다. 중요 지점에서의 온도 변화 또는 진동에 대한 정보는 물론 부하 프로파일 통해 프로세스 파라미터의 최적화를 위한 결론을 도출해 낼 수 있습니다. 과부하 상황이 예상되는 시기를 알리고 초기 단계에서 유지보수가 필요하다는 신호를 보냅니다. 예측 유지보수는 운영자가 시설과 기계의 가용성을 향상시킬 뿐만 아니라 에너지 소비와 리소스 사용을 최소화하는 데 도움이 되기 때문에 여기서 특히 중요합니다. 이는 한편으로는 운영 비용을 낮추지만 다른 한편으로는 프로세스 및 공장 시설의 지속 가능성에 결정적인 기여를 합니다.

견고한 RJ45 대안

이러한 네트워크, 특히 산업용 이더넷의 물리적 근간은 자동화 네트워크의 다양한 노드 간에 신호와 데이터를 안정적으로 전송할 수 있는 고성능 상호 연결 기술입니다. 산업적 용도에서 요구되는 물리적 견고성 이외에, 이러한 솔루션은 예를 들어 오늘날 엄청난 네트워크 노드의 양, 소형화 또는 높은 전송 대역폭으로 인한 수많은 새로운 과제에 직면해 있습니다. 여기에는 특히 콤팩트한 폼 팩터, 감소된 설치 및 케이블링 작업, 높은 신호 무결성(예: 전자기 간섭에 대한 정교한 차폐) 및 긴 전송 거리에 대한 신뢰성이 포함됩니다. 긴 전송 거리에 대한 신뢰성은 확장된 시설 현장에 특히 적합합니다. 데이터 커넥터를 사용하는 장치의 전원 공급 장치도 점점 더 필요해지고 있습니다.

이더넷 커뮤니케이션에 대한 표준 인터페이스는 널리 사용되는 RJ45 커넥터입니다. 사용자는 대개 접점 또는 파손된 래칭 소자와 관련된 문제를 보고합니다. RJ45는 또한 크기로 인해 소형화를 제한합니다. 반대로, 독일 제조업체 HARTING의 ix Industrial 인터페이스(그림 1)은 상당히 더 작고 훨씬 더 견고하므로 충격 및 진동에 대한 내성이 특히 강합니다. 제조업체에 따라 표준 RJ45회로와 비교하여 회로 기판에서 최대 70%의 공간을 절약할 수 있습니다. 360° 차폐 커넥터는 10Gbit/s 이더넷 커뮤니케이션을 위해 설계되었으며 전력 전달에 대해 PoE(이더넷을 통한 전력 공급) 및 PoE+와 호환 가능합니다.

그림 1: 표준 RJ45 커넥터에 비해 상당히 작고 견고한 HARTING의 산업용 이더넷 인터페이스 ix Industrial. (이미지 출처: HARTING)

ix Industrial은 일본의 커넥터 전문업체 Hirose와 함께 HARTING에서 개발한 인터페이스입니다. 이 인터페이스의 전기적 특성 및 코딩은 IEC 61076-3-124 표준을 준수합니다. 미국 회사인 Amphenol Communications Solutions와 같은 다른 제조업체도 ix Industrial과 상호 결합할 수 있는 유사 속성을 가진 제품을 제공합니다. 예를 들어 열악 환경을 위한 푸시풀 커넥터(보호 등급 IP65/66/67)인 ix Mag 커넥터는 자석이 통합되어 있고(그림 2) 이더넷-RJ45 케이블 조립품은 각진 형태의 RJ45 커넥터를 제공합니다. 이는 100Gbit 이더넷 및 PoE/PoE+ 기능을 모두 제공합니다.

그림 2: Amphenol ix Mag: 최대 10Gbit/s의 이더넷 커뮤니케이션, 360° 차폐, 최대 90W의 PoE++(이미지 출처: Amphenol Communications Solutions)

ix Industrial 사용 사례

다음 예는 인더스트리 4.0 응용 분야를 위한 고성능, 미니어처 이더넷 인터페이스의 무한한 잠재력을 보여줍니다.

자동화 전문업체 Beckhoff의 XTS 선형 전송 시스템은 완전히 통합된 모터 모듈의 트랙을 따라 이동하는 자기적으로 구동되는 무버를 사용하는 구동 솔루션입니다. Beckhoff에 따르면 개별 동작 프로파일을 허용하는 독립적 제어는 다운타임(예: 리툴링)을 감소시키는 보다 유연한 제조 프로세스를 가능하게 하는 새로운 기계 개념의 시작점입니다.

무버가 이동 패턴을 따르게 하기 위해, 컴퓨터는 각 모터 모듈의 스위칭 및 전류 공급을 계속적으로 계산해야 합니다. 이를 위해, 3개의 컴퓨터 기판 모두를 결합할 수 있으며, 각 기판은 이전에 4개의 RJ45 소켓을 포트로 사용했습니다. 시스템의 크기를 변경하지 않고도 최신 세대의 XTS 시스템에서 더 많은 무버를 작동하기 위해 RJ45 소켓이 HARTING의 ix Industrial 인터페이스로 대체되었습니다. 여기서 주요 요구 사항은 신뢰할 수 있는 차폐와 높은 데이터 전송률이었습니다. RJ45와 달리, 각 ix Industrial 커넥터는 2개의 100Mbit/s 이더넷 연결을 허용합니다. 따라서 동일한 기판에 4개가 아니라 8개 포트를 실장할 수 있으며 포트당 1개가 아니라 2개 이더넷 체널을 설치할 수 있습니다.

결과적으로 3개 컴퓨터 기판에 12개가 아니라 48개 포트가 구현되었습니다. 이에 따라, 최신 XTS 세대의 경우 이제 징치당 12개가 아니라 48개 XTS 라인을 사용할 수 있으며 이는 전송 시스템 성능의 400% 향상에 해당합니다.

2선으로 이전의 4선 또는 8선 대체

오늘날 산업 자동화 기술의 고유한 특성 중 하나는 계층적 아키텍처에서 분산형 아키텍처로의 마이그레이션입니다. 이는 첨단적이고 특히 생산적인 것으로 간주되며 더욱이 향상된 네트워크 보안을 약속합니다. 특정 데이터 처리 작업을 자율적으로 수행할 수 있는 스마트 센서 또는 에지 컴퓨터와 같은 지능형 노드가 에지와 클라우드 사이의 민감한 데이터 트래픽을 줄이기 때문입니다. 분산의 장점은 자명하지만 현장에서 연결된 장치 개수가 엄청나게 늘어나고 있으며 케이블링 및 연결에 대한 노력도 마찬가지입니다. 재료 및 설치 노력과 에너지 소비 측면 모두에서 경제적 사용은 제조 시설의 지속 가능성에 대한 강력한 기준이 되고 있습니다.

효율성 및 비용 효율성에서 SPE(단일 쌍 이더넷)는 결정적인 돌파구입니다. 커뮤니케이션 기술은 IEEE 802.3 표준에 의해 정의되며 해당 커넥터에는 IEC 63171-x 계열 표준이 적용됩니다. 기본적으로 이는 현장 부품을 이전의 4개 또는 8개 전선 대신 단 하나의 연선(2개 연선)을 통해 연결할 수 있습니다. 즉 비용이 저렴하고 리소스 효율적이므로 지속 가능성이 뛰어납니다. 원래 자동차 전자 장치용으로 개발된 SPE는 많은 자동화 제공업체의 요구 사항을 충족합니다. 단일 전선 쌍을 사용하면 여러 계측기, 컨트롤러 및 기타 장치를 기가비트 데이터 속도로 이더넷 네트워크에 통합할 수 있습니다(그림 3).

그림 3. 단일 쌍 이더넷은 리소스 및 비용 효율적인 방식으로 현장 수준을 광대역 이더넷 커뮤니케이션에 통합합니다. (이미지 출처: SPE Industrial Partner Network)

또 다른 장점인 PoDL 호환성(데이터 회선을 통한 전력 공급, IEEE P802.3bu) 덕분에 동일한 전선 쌍이 데이터뿐만 아니라 전력까지 현장 장치에 전달할 수 있습니다. 액추에이터 및 센서 외에도 예를 들어, 이전 PoE 공급 장치의 전력 범위에서 카메라 기반 기기를 PoDL을 통해 연결하고 전력을 공급할 수 있습니다.

단일 쌍 이더넷을 위한 제품

SPE 분야에서, HARTING은 잠금 및 360° EMI 차폐를 포함하여 T1 커넥터로 입지를 다지고 있습니다(그림 4). PoDL 지원 T1은 원형 설계로 제공됩니다(예: M8 및 M12). 보호 등급 측면에서 제품 스펙트럼 범위는 IP20 ~ IP67이며, 제조업체에 따르면 각 인터페이스 대응 부품은 보호 클래스를 충족하고 상호 운용성을 보장하도록 설계되었습니다.

그림 4: 차폐 및 내장된 잠금 기능 – PoDL 호환 T1은 보호 등급 IP20 ~ IP67에 대해 제공됩니다. (이미지 출처: HARTING)

Phoenix Contact는 제어 캐비닛, 센서, 스위치, 게이트웨이에 대한 현장 케이블링을 위한 포괄적 SPE 포트폴리오도 제공합니다. 이 제조업체 제품에는 산업용 IP20 ~ IP67 환경을 위한 기판 커넥터 또는 케이블 조립품이 포함됩니다.

오픈 소스 공구 제공업체인 SparkFun Electronics는 단일 쌍 이더넷을 사용하여 응용 제품을 설계하는 개발자를 지원하는 SPE 기능 기판을 제공합니다(그림 5). MicroMod COM-19038이라고 하는 이 기판에는 Analog Devices의 ADIN1110 이더넷 트랜시버, Würth Elektronik의 수동 부품, HARTING T1 커넥터가 포함되어 있습니다. 통합 MAC(매체 접근 제어) 인터페이스를 사용하면 전이중 모드에서 호스트 컨트롤러와의 직렬 커뮤니케이션(10Mbit/s 기준)이 가능합니다. 이 기판은 1700m 케이블 길이를 통해 네트워크 노드를 지원하지만 이 케이블을 통해 노드에 전력을 공급하도록 설계되지 않았습니다. SparkFun의 CTO인 Kirk Benell은 데모 동영상을 통해 개발 기판을 소개합니다.

그림 5: 디스플레이 기능을 갖춘 주변 센서에 대한 데몬스트레이터 (이미지 출처: SparkFun Electronics)

프로세스 기술의 엔드투엔드 네트워킹

예를 들어, 상태 모니터링 및 예측 유지보수와 관련된 단일 쌍 이더넷의 기술적 이점은 프로세스 자동화에도 도움이 됩니다. 그러나, 이더넷 연결에 대한 확장된 요구 사항 프로파일이 여기에 적용됩니다. 작업 현장에서도 요구되는 강력한 광대역 실시간 커뮤니케이션 이외에 광범위한 프로세스 시설은 장거리에 걸친 데이터 전송을 요구합니다. 또한, 자동화 부품은 폭발 가능성이 있는 환경에서의 사용을 위해 본질적으로 안전해야 합니다. 여기에서 소위 이더넷 APL(이더넷 고급 물리 계층)이 등장합니다. 이는 10Mbit/s의 이더넷 커뮤니케이션을 위한 물리적 전송 계층 및 SPE와 마찬가지로 최대 1000m의 거리에 걸쳐 하나의 트윈 전선을 통한 전력 공급을 정의합니다. SPE처럼, 이더넷 APL은 범용, 다목적 현장 기기에 매우 적합합니다.

요약

산업용 이더넷, 특히 단일 쌍 이더넷은 생산 장비의 광대역 네트워킹을 지원합니다. 이는 현장 수준에서 클라우드까지의 원활한 커뮤니케이션을 가능하게 하며, 장치 데이터에 대한 실시간 액세스를 허용하여 운영자가 시설 및 프로세스 최적화를 지원할 수 있도록 합니다. 해당 이점은 작동 비용 절감, 가용성 향상, 에너지 및 리소스 사용 최적화에서 명백히 드러납니다. PoDL 기능을 갖춘 ix Industria 인터페이스 및 SPE 커넥터와 같은 고급 연결 기술은 모든 네트워크 노드 간의 안정적인 데이터 및 전력 전송을 보장합니다. 이는 인더스트리 4.0의 핵심 구성 요소이자 지속 가능한 자동화 개념의 근간입니다.