산업 자동화 케이블링을 위한 커넥터, 글랜드 및 그립 옵션

산업 자동화 부문에서 사용되는 케이블 및 부품을 연결하기 위한 커넥터는 다양합니다. 이러한 커넥터는 케이블을 통해 전달되는 모든 전력 및 데이터 신호 스트림을 전송하는 동시에 컨덕터가 견고하게 연결되고 보호될 수 있도록 라인을 종단해야 합니다. 문제는 산업 자동화와 관련된 장비는 보통 청결하지 않고 이동성이 잦고 전기적 잡음이 있는 고온의 장소에 배치된다는 것입니다. 따라서 산업용 케이블 커넥터는 다른 응용 제품에서는 요구되지 않는 수준의 견고성 및 안정성이 요구됩니다.

먼저 산업용 커넥터의 몇 가지 기본적인 사항을 살펴보겠습니다. 커넥터에는 커플러(두 개의 케이블을 연결함)라고 분류되는 부품과 커넥터 조립품의 플러그 및 소켓(또는 리셉터클) 절반 모두를 포함하는 시스템이 있습니다. 어떤 맥락에서는 커넥터라는 단어가 케이블 글랜드(인클로저를 통과하는 종단)를 지칭하기도 하며, 보통 자체 회전하는 하위 부품이 있어 케이블 종단의 O 링 시일을 압박하여 화학물질, 화염, 먼지 및 외부 전류를 막아줍니다.

산업용 케이블 커넥터는 전면(보다 일반적) 및 후면 장착 장비 리셉터클에서 케이블을 연결합니다. 모든 커넥터 및 케이블 글랜드는 IEC 60529에 의해 정의되는 침투 보호(IP) 등급이 있어, 먼지 및 습기에 대한 저항이 수치화되어 있습니다. 이러한 등급은 부품 하우징의 및 산업용 장비 인클로저의 견고성을 표시하는 데 사용되는 등급과 동일합니다. IP 코드는 두 자리 숫자로, 둘 다 값이 클수록 높은 수준의 보호를 제공함을 의미합니다.

IP 등급의 첫 번째 숫자는 먼지와 같은 고체에 대한 보호 수준을 나타내는 것으로, 0은 보호를 제공하지 않음, 6은 방진 밀폐를 의미합니다.

IP 등급의 두 번째 숫자는 액체에 대한 보호 수준을 나타내며, 0은 보호를 제공하지 않음, 8은 1m 수심의 물에서 지속적인 보호가 제공됨을 의미합니다.

그림 1: IEC 60529의 다양한 IP 등급에 대해 설명하는 그림입니다. 케이블 커넥터의 IP 등급은 대단히 중요합니다. (이미지 출처: connectortips.com)

자동화를 위한 RJ 및 M12 커넥터 비교

IEEE 802.3에서 정의하는 이더넷은 여전히 어디서나 가장 널리 사용되는 로컬 영역 네트워크(LAN)기술입니다. 산업 자동화를 위한 이더넷 기반 통신 표준에는 ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP, Profinet 등이 있습니다. 이더넷 케이블과 가장 많이 연결되는 커넥터는 유비쿼터스 RJ 커넥터입니다. 대부분의 RJ 커넥터에는 RJ 소켓의 결합 기하 구조에 클릭하여 삽입할 수 있는 간단한 플라스틱 탭이 있는 플러그가 포함되어, 이 둘을 단단히 고정시킬 수 있습니다. 플러그와 소켓은 케이블에 쉽게 들어 맞으며, 설치하는 사람이 동시에 이를 클램프하고 특수 목적의 크림핑 도구를 사용하여 전기 접점을 만들 수 있습니다. 종단기를 크림핑하면 비교적 안정적인 맞춤형(현장에서 설치됨) 절단 케이블을 구성할 수 있습니다. 이와 같이 현장 설치용으로 설계된 플러그 하위 부품은 보통 투명한 본체로 구성되어 있어, 설치하는 사람이 설계가 완성되기 전 모든 내부 접점을 검사할 수 있습니다. 그렇긴 하지만, 공장에서 조립된 케이블의 안정성이 훨씬 더 우수합니다.

그림 2: 이 도구는 TL2253-ND 수동 크림퍼 도구로 4선, 6선, 8선 이더넷 케이블의 RJ 플러그 종단을 현장에서 알맞은 길이로 절단할 수 있습니다. 단 한 번의 동작으로 이 툴의 날은 평면 또는 둥근 형의 Cat5e 및 Cat6의 피복을 벗겨내고 커넥터 본체를 고정합니다. (이미지 출처: Tripp Lite)

특정 산업 환경에서 RJ 커넥터가 충분히 견고하지 않은 경우, M12 커넥터가 더 나을 수 있습니다. 왜냐하면 M12 커넥터가 보다 안정적이고 물리적으로 견고한 연결을 제공하며, 먼지 및 액체의 침투에 대한 보호도 제공하는 추가적인 이점을 제공하기 때문입니다.

그림 3: 여기에서 보이는 것과 같은 RJ 커넥터가 이더넷 케이블에서 가장 널리 사용됩니다. 하지만 이더넷 케이블에서 사용할 수 있는 또 다른 커넥터 유형도 있습니다. (이미지 출처: Getty Images)

IEEE 802.3이 정의하는 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)은 단일 케이블을 통해 데이터 및 전기적 전력 모두를 획득하는 편리한 방법입니다. PoE 대체품 A(보통 A 모드로 칭함)는 데이터 및 전력 모두를 전달하는 데 동일한 두 개의 연선을 사용하므로 더 적은 수의 코어가 있는 케이블을 사용할 수 있으며, 대역폭은 100Mbps(100BASE-TX)로 제한됩니다. PoE 대체품 B(보통 B 모드로 칭함)는 네 개의 연선이 있는 Cat 5 이더넷 케이블을 사용하며, 2개는 데이터 전달용, 2개는 전력 전달용입니다. 이는 데이터에서 이용할 수 있는 대역폭을 감소시켜, 케이블이 기가비트 이더넷용으로 정격된 경우에라도 데이터 전송률이 100Mbps로 제한됩니다.

4PPoE 또는 4쌍 케이블에는 4개의 컨덕터 연선이 있고 이 모든 연선이 전원과 데이터를 모두 전송하는 케이블이 필요합니다. 이는 더 높은 데이터 전송률(기가비트 이더넷 이상)과 전류가 지원됨을 의미합니다. PoE를 통해 전력을 공급받는 장치는, 제품 공급 시 A 모드 또는 B 모드를 허용하도록 구성되어야 합니다. 그러나 이러한 장치는 전선 쌍에 걸쳐 고정 또는 대체 저항을 사용하여 호환성을 표시하거나 특정 전원 구성을 요구할 수도 있습니다. 물론 실제로 해당 시스템의 PoE 모드를 결정하는 것은 PoE 전원 공급 장치(소싱 장비 또는 PSE)입니다.

그림 4: 커넥터 설계는 주로 커넥터가 종단하는 케이블에 따라 달라집니다. 이 그림에서 보이는 것과 같은M12 이더넷-케이블 커넥터는 일반적으로 RJ 커넥터보다 견고합니다. 일부 제조업체는 PoE 모드 및 컨덕터 배열의 호환성을 나타내기 위해 커넥터를 색상 코딩합니다. (이미지 출처: Lumberg Automation)

데이터 및 전력 케이블(또한 산업용 이더넷, PROFINET 및 Fieldbus와 같은 네트워크 케이블링) 모두를 종단하는 것은 M 계열 커넥터입니다. M 계열 커넥터는 둥근 결합 커넥터로, 나선형 암 슬리브(수 리셉터클에의 실장을 위해)가 있으며 일련의 전도 핀을 감싸고 있습니다. M8(8mm) 및 M12(12mm) 나사가 가장 일반적이지만 M5, M16 및 M23 역시 자주 사용되는 표준입니다. M 계열 커넥터의 포지티브(스크루온) 밀폐로 인해, 물세척 및 부식성의 환경에서 매우 자주 발생하는 환경적 오염물에 대한 보호를 제공하는 동시에 간헐적인 신호를 최소화하는 고신뢰성 연결을 보장합니다. M 계열 커넥터가 액추에이터, PLC, 센서, 스위치 및 산업 자동화 제어를 위한 케이블의 상위 표준이 되는 것은 당연한 일입니다.

M8 및 M12 커넥터에는 2개, 3개, 4개, 5개, 8개 또는 12개의 핀(접점이라고도 함)이 포함되어 있을 수 있습니다. 센서 및 전원 공급 장치에서는 일반적으로 3핀 또는 4핀이 요구됩니다. 이더넷 및 PROFINET 케이블의 종단에 있는 M계열 커넥터는 4핀 또는 8핀이 요구됩니다. 반면에 Fieldbus, CAN 버스 및 DeviceNet 데이터를 전달하는 케이블의 종단에 있는 커넥터에는 일반적으로 4핀 또는 5핀이 있습니다. 물론 여러 데이터 및 전력 스트림을 전달하는 케이블은 12핀 모두가 있는 M 계열 커넥터 종단이 필요할 수도 있습니다.

그림 5: 이 Brad Ultra-Lock 120108 직각 커넥터는 신뢰성 증대를 위해 M12 커넥터 설계를 독점적으로 응용했습니다. (출처: Molex)

실제로 업계에서 꽤 널리 사용되는 관련 커넥터-리셉터클 설계로 핀-배열-및-소켓 쌍이 있으며, 이 설계는 원래 Molex에서 개발되었으므로 업계 내에서는 종종 Molex 상호 연결이라고도 불립니다. 독점적인 Molex Brad 계열 커넥터는 M12 커넥터를 기반으로 하지만, 나선형 슬리브 대신 더욱 편리하고 안정적인 푸시 잠금 시스템이 있습니다. 잠금 기능이 있어 작업자가 얼마나 나사를 올바로 조이는지에 의존하지 않아도 되므로, 신뢰성이 보장되고 간헐적 신호에의 리스크가 최소화됩니다. Brad 커넥터의 변형은 다음과 같습니다.

• Brad Micro-Push M12 커넥터: 푸시온 및 풀오프 커넥터로, IP65 보호 제공
• Brad MX-PTL M12 푸시 잠금 커넥터: IP65 보호 제공
• Brad Micro-Change M12 나선형 커넥터: IP67 보호 제공
• Brad Ultra-Lock 및 Ultra-Lock EX M12 커넥터: IP69K 수준의 완벽한 침투 방지를 위한 푸시 잠금 부속품 및 O 링 포함

고주파수 신호를 위한 동축 커넥터

동축 케이블(동축 커넥터가 장착됨)도 산업 자동화에서 고주파수 신호의 전송을 위해, 특히 진동 모니터링 및 아날로그 신호 전송을 지원하기 위해 사용되며, 매우 많은 표준이 있습니다.

BNC 커넥터에는 연결 또는 연결 해제를 위해 쿼터턴이 필요한 베이요넷 패스닝이 있습니다. 12GHz 이상의 주파수, 그리고 경우에 따라 최대 18GHz의 주파수를 위해 사용할 수 있습니다. DIN 0.4 ~ 2.5 커넥터는 매우 작은 삽입식 커넥터로 3GHz의 주파수에 적합합니다. 반면 DIN 1.0/2.3 커넥터는 작은 삽입식 무선 통신 주파수 커넥터로 디지털 통신에서 널리 이용됩니다.

자동화된 기계에서 사용이 급증되고 있는 모듈식 및 맞춤형 케이블

기존의 시스템 통합 접근 방식에서, 케이블은 "만들어지는" 것입니다. 제작하는 사람이 수치를 재고 자르며 종단을 처리하는데, 이 모든 과정이 자동화된 장비를 설치하는 현장에서 이루어집니다. 이는 현장의 전기 기술자가 케이블을 알맞은 길이로 자르고, 컨덕터의 모든 섬세한 피복을 벗기며, 다루고 있는 부품에 연결해야 할 커넥터에 그 케이블을 고정한다는 것을 의미합니다. 이러한 현장의 케이블 준비 작업은 시간이 많이 소요되며 연결 품질에도 영향을 미치게 됩니다. 그렇기 때문에 요즘 추세는 표준 케이블 및 공장 제작형 커넥터로 구성된 모듈식 케이블 및 커넥터 시스템을 이용하는 것입니다. 필요한 케이블 길이는 설계 중에 결정되며, 즉시 설치 가능한 상태로 공급됩니다.

일부에서는 모듈식 케이블이 현장 설치 시간을 60% ~ 70%까지 단축시키며, 동시에 전기적 연결의 신뢰성을 향상시킨다고 예측하기도 합니다.

케이블 글랜드의 특수 사용 사례

글랜드라고 불리는 케이블 커넥터는 케이블이 인클로저를 통과하는 곳에서 사용됩니다. 글랜드는 세 가지 기능을 제공합니다. 케이블을 보호하고, 케이블의 마모를 방지하며, 케이블 주위를 시일하여 인클로저 내부의 부품을 환경적 오염물로부터 보호합니다. 케이블 글랜드가 케이블을 고정함으로써, 전기적 접점이 잡아당겨지거나 다른 방해에 노출되어 손상되는 것을 근본적으로 방지합니다. 또한 케이블이 인클로저 컷아웃의 날카로운 금속 박판 모서리에 긁히거나 마찰이 발생할 가능성도 방지합니다. 이는 매우 중요한 기능인데, 금속 박판은 케이블 피복을 쉽게 뚫을 수 있어 결국 케이블 코어의 단락을 초래하기 때문입니다.

덜 까다로운 응용 제품에서는 보통 케이블 주위를 클램핑하는 여러 핑거가 있는 층판상의 글랜드를 사용합니다. 이러한 유형의 글랜드는 좀 더 저렴하긴 하지만, 침투 보호를 유지하려면 정기적으로 다시 조여 주어야 합니다. 고품질의 글랜드는 케이블 주위를 클램핑하는 연속 시일을 사용합니다. 이러한 유형의 글랜드는 시간이 지나도 느슨해질 가능성이 적습니다.

오늘날의 산업용 전력 커넥터 구성

산업 자동화를 위해 사용되는 장치에는 보통 데이터 연결과 함께 유선 전원 공급 장치가 필요합니다. 앞서 언급했던 비교적 새로운 기술인 PoE는 케이블링을 매우 단순화하므로, 이를 사용할 수 있는 응용 제품에서는 좋은 선택이 됩니다. 그러나 거의 대부분의 자동화 부품 및 시스템은 기존의 전력 코드를 필요로 합니다.

국제 전기 기술 위원회(IEC)가 표준화한 커넥터는 소비자 가전 및 사무실, 산업용 응용 제품을 위한 전력 케이블에서 일반적으로 사용됩니다. IEC는 IEC 60320 표준에서 전압이 250V이고 전류가 16A를 초과하지 않는 다양한 비고정 커넥터를 정의합니다. 여기에서 C13/C14 커넥터는 컴퓨터 전원 공급 장치를 포함한 전자 장비에서 일반적으로 사용됩니다. 이보다 더 큰 C19/C20 커플러는 더 높은 전류를 전달하는 케이블의 종단에 사용됩니다(예: 서버 인클로저 등).

그림 6: 범용 전력 케이블에는 다양한 IEC 및 기타 표준 커넥터가 포함됩니다. (이미지 출처: Getty Images)

보다 중요하고 까다로운 응용 제품을 위해서는 보통 IEC 60309 커넥터가 더욱 널리 사용됩니다. 이러한 플러그, 소켓 및 커플러는 산업용으로 특수하게 제작되었으며, 최대 1,000V의 전압, 800A의 전류 및 500Hz의 주파수를 전달할 수 있습니다. 모든 커넥터는 수분 침투에 대해 일정 수준의 저항을 제공합니다. IP44 커넥터는 방말(splash-proof), IP67 커넥터는 조금 더 나은 방수(waterproof) 기능을 제공하며, IP66/67 커넥터는 매우 높은 수압의 물살로부터도 안정적인 침투 보호를 제공합니다. 소켓이 플러그와 결합하지 않은 경우에는 활성화되지 않도록, 그리고 전원이 꺼지지 않은 경우에는 플러그가 제거될 수 없도록 소켓 아웃렛을 인터록할 수도 있습니다.

그림 7: 이 고전력 케이블 커넥터의 색상 코딩(IEC 60309 준수)을 확인하십시오. (이미지 출처: Railway Tech)

서로 다른 전류 등급에는 서로 다른 크기의 IEC 60309 커넥터가 사용됩니다. 또한 커넥터는 각각의 전압 및 주파수 범위가 표시되도록 키 설치되고 다음과 같이 색상 코딩됩니다.

• 노란색: 50Hz ~ 60Hz에서 100V ~ 130V 전달
• 파란색: 50Hz ~ 60Hz에서 200V ~ 250V 전달
• 빨간색: 50Hz ~ 60Hz에서 380V ~ 480V 전달(보통 3상 구성에서)

결론

산업 자동화를 위해 커넥터 및 글랜드를 선택함에 있어 다양한 기하 구조 및 통합 옵션이 존재합니다. 설계 중인 자동화 기계를 위한 케이블의 사양을 정할 때 설계 엔지니어가 가장 먼저 고려해야 하는 점은 케이블 코어 개수 및 코어 규격입니다. 그 다음으로 가장 중요한 고려 사항은 침투 방지 및 간헐적 신호 방지를 위한 포지티브 잠금의 필요성입니다.