산업용 이더넷 기반 전력 및 데이터 네트워크를 사용하는 내구성 높은 IoT 응용 제품을 위한 설계

인터넷과 연결된 제조 시설은 효율성, 품질 및 생산성 향상의 결과로 이어집니다. 예를 들면, 원격으로 기계를 프로그래밍 및 제어할 수 있고, 기계와 프로세스의 데이터를 계속해서 분석하여 프로세스 오류나 기준에서 벗어남을 확인할 수 있으며, 원격 조정을 통해 폐쇄 피드백 루프에서 생산을 수정할 수 있습니다. 장기적으로 보면, 데이터는 새로운 제조 기술의 향후 비율 조정 및 보다 신속한 통합을 계획하는 데 사용될 수 있습니다.

인터넷과의 연결성이 필요하다는 것은 확실하지만, 연결 방법에 대해서는 신중한 고려가 필요합니다. 이를 위한 다양한 옵션이 있으나, 이더넷은 공장 네트워크를 위해 접근 가능하고 검증된 솔루션을 제공합니다. 이더넷은 우수한 공급업체의 지원과 클라우드와의 원활한 상호 운용성을 통해 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 유선 네트워킹 옵션입니다. 더 좋은 점은, 케이블을 사용하여 데이터 전송뿐 아니라 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 할 수 있다는 것입니다. 이는 하나의 배선 세트가 네트워크를 지원함과 동시에 연결된 센서, 액추에이터 및 카메라와 같은 다른 장치에 전력을 공급할 수 있음을 의미합니다.

하지만, 표준 이더넷은 산업용 작업에 적합하지 않습니다. 일반적 표준 이더넷의 하드웨어는 공장의 뜨겁고, 지저분하며, 진동이 발생하기 쉬운 환경에서는 안정적으로 작동하도록 설계되지 않았습니다. 또한 표준 이더넷 프로토콜은 비결정적 방식이기 때문에, 생산 부문처럼 고속 프로세스를 관리하기 위해 거의 실시간 제어가 필요한 공장 환경의 요구에는 적합하지 않습니다.

산업용 이더넷은 표준 이더넷의 모든 이점을 제공하는 동시에, 높은 내구성과 결정적 방식의 소프트웨어라는 이점을 추가적으로 제공합니다. 이는 산업 자동화를 위한 검증되고 발전된 기술로써, 공정 데이터를 클라우드로 전송할 수 있을 뿐만 아니라 원격 감독자가 제조 현장에서 드라이브, PLC 및 I/O 장치에 쉽게 액세스할 수 있도록 합니다. 이더넷 표준의 개정판인 IEEE 802.3cg는 데이터 전송에 오직 한 쌍의 전선만을 사용하여 공장 케이블링의 부피와 비용을 절감합니다.

이 기사에서는 이더넷의 산업용 응용 제품의 연결성 문제에 대해 논의한 후 이더넷과 산업용 이더넷의 차이점을 설명합니다. 그런 다음, 실생활에 쓰이는 Amphenol의 하드웨어를 소개하기 전 PoE 및 단일 쌍 이더넷(SPE) 기술 사용에 대해 논의하고, 이를 산업 이더넷 네트워크에서 구현하는 방법을 고려해 보고자 합니다.

산업용 이더넷이 해결해야 할 과제

일반 소비자는 Wi-Fi를 통해 인터넷에 연결하는 것을 가장 선호할 수도 있겠지만, 상업용 장소에서는 일반적으로 이더넷 유선 LAN(로컬 영역 네트워크) 기술을 사용하여 컴퓨터와 다른 장비를 연결합니다.

이더넷의 초창기 시절에는, 네트워크상의 컴퓨터들은 단일 버스를 사용하여 통신했습니다. 이러한 유형의 네트워크는 가장 간단한 구성이며 저렴하고 설정이 쉽습니다. 그렇지만 연결된 컴퓨터가 대역폭을 놓고 경쟁하여 혼잡과 패킷 손실 및 대역폭의 현저한 감소를 초래하기 때문에, 상대적으로 비효율적입니다.

일반적으로 오늘날의 사무실 네트워크는 스타, 트리 또는 메시 토폴로지를 사용하는데, 이러한 토폴로지에서는 스위치가 네트워크에 대한 액세스를 제어하여 혼잡을 제한하고 처리량을 유지합니다. 이더넷 트래픽은 전체 네트워크를 통해 브로드캐스트하는 방법이 아닌, 통신되어야 하는 장치 사이에서만 직접 메시지가 전달되도록 스위치에 의해 제어됩니다(그림 1).

그림 1: 이더넷 스위치는 네트워크에 대한 액세스를 제어하여 혼잡을 제한하고 처리량을 유지합니다. (이미지 출처: Amphenol)

이더넷은 지속적으로 업데이트되는 표준(IEEE 802.3)을 기반으로, 검증되고, 안전하며, 신뢰할 수 있고, 또한 최대 수백 기가바이트(GB)의 처리량 속도를 제공합니다. 표준의 일부는 아니지만, 이더넷은 일반적으로 라우팅 및 전송을 위해 TCP/IP(인터넷 프로토콜(IP) 제품군의 일부)를 사용하여 인터넷과의 원활한 연결을 가능하게 합니다. 또한 수백 개의 판매업체에서 제공하는 케이블, 커넥터 및 스위치를 사용하여 네트워크를 쉽게 확장할 수 있습니다.

이더넷은 단일 이더넷 CAT 3 또는 CAT 5 케이블을 통해 전력과 통신의 기능을 결합하도록 진화했으며, 엔지니어가 별도의 시스템을 사용하는 설치에 비해 유지 보수에의 노력이 덜 드는 이더넷 및 전력 네트워크를 빠르고 저렴하게 구축할 수 있도록 합니다. 이 기술은 PoE라고 불리며 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 표준에 공인되었으며, 주요 이점은 데이터 소켓이 있는 곳이라면 어디서나 전력을 이용할 수 있다는 사실과 단순성에 있습니다. ('이더넷을 통한 전력 공급 소개' 참조)

이더넷 사양의 최근 수정판인 IEEE 802.3cg는 멀티스트랜딩 CAT 3 또는 표준 이더넷 CAT 5 케이블 또는 PoE가 아니라 단일 쌍을 통해 데이터를 전송하는 SPE 대안을 설명하고 있습니다. SPE는 공장 및 빌딩 자동화 시장에서 설계자가 산업용 컨트롤러와 센서 사이의 장거리 통신을 위해 익숙한 이더넷 기반 프로토콜을 사용할 수 있게 하는 동시에, 전선의 양을 크게 줄여주기 때문에 산업용 자동화 응용 분야에 적합합니다(그림 2).

그림 2: 단일 쌍 이더넷은 다양한 산업용 및 상업용 응용 분야를 위한 공간 절약과 저렴한 비용의 이더넷 형태로 부상하고 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

원칙적으로, 이더넷은 감시 기능의 프런트 오피스를 제조 작업에 연결하여 정보 기술(IT)과 운영 기술(OT) 네트워크 간의 격차를 효과적으로 메우는 이상적인 방법을 제공합니다.

제조 시설은 이더넷을 구현할 때 추가적인 엔지니어링 문제를 야기합니다. 첫째, 공장은 섬세한 케이블, 커넥터 및 스위치에 대해 위험한 환경입니다. 공장 환경은 뜨겁고 먼지가 많으며, 공장에서 일반적으로 사용되는 100m 이상의 길이의 케이블과 함께 사용하기 어려운 화학 물질로 가득 차 있습니다. 무엇보다 습기와 진동은 도체와 접점에 큰 피해를 끼칩니다. 또한 공장에는 끊임없이 켜지고 꺼지는 큰 모터들로 가득 차 있는데, 이는 전압 과도 상태를 야기하고 이더넷 통신을 방해할 수 있는 전자기 간섭(EMI)을 발생하게 합니다.

둘째, 제조 시설은 실시간 제어가 필요한 빠르게 움직이는 로봇과 동기화된 기계로 가득 차 있습니다. 표준 이더넷의 비결정적 통신 메커니즘은 이러한 제어 기능을 제공하기에 적합하지 않습니다.

산업용 이더넷 하드웨어

'산업용 이더넷'은 공장에서 사용하기 위해 적합하게 개조된 이더넷 시스템을 가리키는 일반적인 용어입니다. 이러한 시스템은 내구성 높은 물리적 계층(PHY)과 ModbusTCP, PROFINET 및 이더넷/IP와 같은 산업용 프로토콜이 특징입니다. 또한 표준 이더넷 구현과 달리 일반적으로 산업용 이더넷은 회선 또는 링 토폴로지를 사용하는데, 이는 이러한 토폴로지가 케이블 길이를 줄이고(EMI의 영향을 제한함), 대기 시간을 단축하며, 어느 정도 중복성을 구축하는 데 도움이 되기 때문입니다.

케이블은 내구성이 높고 EMI로부터 보호하기 위한 차폐를 포함하고 있으며, 커넥터도 유사한 방식으로 혹독한 산업 환경으로부터 보호됩니다.

제조업체는 IP 분류 시스템에 따라 제품의 강인성을 분류합니다. IP 등급은 제품이 갖추고 있는 보호 수준을 나타내며 국제 표준 EN 60529에 의해 정의됩니다. 이 체계는 두 자리 숫자로 구성됩니다. 첫 번째 숫자는 전기 전도체를 만나면 위험할 수 있는 도구나 손가락부터 회로를 손상시킬 수 있는 공기 중의 오염 물질과 먼지에 이르기까지 고체 물체로부터의 보호 수준을 나타냅니다. 두 번째 숫자는 물방울이나 스프레이 또는 침수로부터의 보호를 정의합니다. 범위는 IP00(먼지 또는 물로부터 보호되지 않음)부터 IP69(먼지와 고온의 강력한 물줄기로부터 완전한 보호)까지입니다.

산업용 이더넷 커넥터는 일반적으로 최대 IP6 범위의 보호 하우징으로 둘러싸여 있습니다. 이 경우, 6등급은 장치가 8시간 동안 오염물질과 직접 접촉해도 유해 먼지나 오염물이 스며들지 않음을 의미합니다. 방수 등급 7은 장치가 손상 없이 최대 1미터의 담수에 30분 동안 잠길 수 있음을 의미합니다.

산업용 이더넷을 위한 PHY, 케이블 및 커넥터를 선택할 때 설계자는 다음 IEC 및 EN 표준에 대한 규격서를 살펴보면서 EMI에 대한 내성을 확인해야 합니다.

• IEC 61000-4-5 서지
• IEC 61000-4-4 전기적 고속 과도 상태(EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 전도 내성
• EN 55032 복사성 방출
• EN 55032 전도 배출

이러한 표준의 일부 혹은 전부를 준수한다는 것은 공장 환경에서 산업용 이더넷 시스템 EMI 성능이 만족스러울 것이라는 확신을 갖게 해 줍니다.

내구성 높은 커넥터

커넥터가 기계 제어판, 이더넷 스위치 또는 케이블 중 어느 곳에 내장되어 있든지 상관없이, 커넥터는 산업용 이더넷 시스템의 성능에 매우 핵심적인 역할을 합니다. 신중하게 선택하지 않으면, 고속 생산의 부하를 받는 동안 단 한 개의 커넥터 오류가 발생하여 수백만 달러 규모의 기계가 오작동하거나 완전 작동 중단될 수 있습니다.

다양한 이더넷, PoE 및 SPE 애플리케이션에 대해 검증되고 안정적인 산업용 이더넷 커넥터를 제공하는 여러 공급업체가 있습니다. 예를 들어, Amphenol의 Industrial IP6X직사각형 푸시-풀 커넥터 및 케이블 솔루션은 IEC 61076-3-124 결합 인터페이스를 사용하는 CAT 6A 이더넷 연결과 IP65, IP66 및 IP67 사양에 대한 완전한 밀봉을 제공합니다. 특히, 이 커넥터는 추가적인 환경 보호가 필요한 산업용 이더넷 응용 제품에 사용하도록 고안되었으며 실내 또는 실외의 거칠고/가혹한 환경에 적합합니다.

이 제품군에는 그림 3에 표시된 패널 실장 NDHN200 IP67 직사각형 커넥터 하우징이 포함됩니다. NDHN3A2 10 접점, 다목적, 무납땜 플러그 커넥터(그림 4)는 NDHN200과 결합하도록 설계되었습니다. 플러그 커넥터는 래치 잠금 장치와 차폐 몰딩을 포함하고 있습니다. 50VAC 또는 60VDC, 1.5A의 정격을 가지며 최대 250회 결합/분리할 수 있습니다.

그림 3: NDHN200은 산업용 이더넷 응용 분야를 위한 IP67 등급의 직사각형 커넥터 하우징입니다. (이미지 출처: Amphenol)

그림 4: NDHN3A2는 래치 잠금 장치와 차폐 몰딩을 포함하는 IP67 플러그 커넥터입니다. (이미지 출처: Amphenol)

또한 Amphenol은 센서, 액추에이터 및 최대 1Gbit/s의 속도로 작동하는 카메라와 같은 주변 장치를 이더넷에 연결하기 위한 SPE 커넥터도 출시했습니다. SPE 폼 팩터는 표준 이더넷에 비해 크기, 무게 및 비용을 낮춥니다. 커넥터는 M12 크기 원형 폼 팩터로 IP67 등급입니다. 이 커넥터는 현장 종단 가능 플러그와 결합하여 래칭 기능이 있는 완전히 차폐된 인터페이스를 제공합니다. 60VDC 및 최대 4A의 전압/전류 처리 역량은 최대 1km 거리에 걸쳐서 PoE를 지원합니다. 한 예로 2P2C SPE 커넥터인 MSPEJ6P2B02를 들 수 있습니다(그림 5).

그림 5: MSPEJ6P2B02 IP67 SPE 커넥터는 일반적으로 사용되는 M12 크기의 원형 폼 팩터로 제공됩니다. (이미지 출처: Amphenol)

또한 이 회사에서는 IP67이 아닌 IP20 등급의 직사각형 플러그 형식을 가진 유사한 범위의 SPE 커넥터도 제공합니다. 이 솔루션은 M12 범위와 동일한 전기적 성능을 제공하지만, 가격은 더 저렴합니다. 그 예가 MSPE-P2L0-2A0 모듈식 SPE 커넥터입니다(그림 6).

그림 6: MSPE-P2L0-2A0 모듈식 SPE IP20 커넥터는 덜 위험한 환경을 위한 비용 효과적인 옵션입니다. (이미지 출처: Amphenol)

산업용 이더넷 프로토콜

표준 이더넷의 통신 메커니즘은 사무실이나 소규모 비즈니스의 비교적 차분한 트래픽에 적합합니다. 그러나 이 메커니즘은 중단 및 패킷 손실에 취약하여 대기 시간의 지연을 초래하므로, 빠르게 움직이고 동기화된 생산 라인의 거의 실시간에 가까운 요구에는 적합하지 않습니다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 환경에서는 네트워크의 부하가 얼마나 높은지에 관계없이 기계 명령이 언제나 제시간에 도착하도록 보장하는 결정적 메커니즘 프로토콜을 필요로 합니다.

이 문제를 극복하기 위해, 산업용 이더넷 하드웨어는 이와 유사한 '산업용' 소프트웨어로 보완됩니다. Ethernet/IP, ModbusTCP 및 PROFINET을 포함하여 사용 가능한 여러 검증된 산업용 이더넷 프로토콜이 있습니다. 각각의 프로토콜은 산업 자동화 응용 분야에 대한 결정성을 보장하도록 설계되었습니다.

이더넷과 산업용 이더넷 소프트웨어의 차이점은 PHY, 데이터 링크, 네트워크, 전송, 세션, 프레젠테이션 및 응용 분야 계층으로 구성된 ISO/OSI 7계층 추상화 모델('스택')을 고려함으로써 가장 잘 설명할 수 있습니다. 표준 이더넷은 PHY, 데이터 링크, 네트워크 및 전송 계층(TCP/IP 또는 UDP/IP 중 하나를 전송으로 사용)으로 구성되며 효율성, 속도 및 다용도성을 제공하는 통신 메커니즘으로 고려될 수 있습니다.

이와 대조적으로 산업용 이더넷 프로토콜(예: PROFINET)은 산업용 이더넷 스택의 애플리케이션 계층을 사용합니다. PROFINET는 표준 이더넷을 통신 메커니즘으로 사용하여 자동화 환경에서 기계와 컨트롤러 간에 정보를 교환하도록 설계된 통신 프로토콜입니다(그림 7).

그림 7: 산업용 이더넷 소프트웨어 스택을 보여주는 ISO/OSI 7계층 추상화 모델. PROFINET와 같은 산업용 이더넷 프로토콜은 애플리케이션 계층에 위치하고 있습니다. (이미지 출처: Profinet)

산업용 이더넷 소프트웨어는 데이터를 클라우드로 전송하기 위해 특별히 설계된 다른 프로토콜을 활용할 수도 있습니다. 예를 들어 MQTT 또는 SNMP와 같은 프로토콜이 있습니다.

결론

산업용 이더넷은 공장의 혹독한 환경과 실시간 요구를 고려하기 위해 산업용 소프트웨어뿐만 아니라 스위치, 케이블, 커넥터와 같은 내구성 높은 하드웨어를 함께 사용하여 공장의 IT 및 OT 네트워크를 안정적으로 연결합니다.

살펴본 바와 같이, 이 검증된 상업용 커넥터 솔루션을 통해 엔지니어는 산업용 이더넷을 활용하여 빠른 속도의 산업 자동화를 프로그래밍하고 제어하는 ​​동시에 제조 작업을 향상하고 확장하는 데 필요한 심층 데이터를 수집할 수 있습니다.