결합쌍 이더넷 케이블을 사용하여 열악한 환경에서의 연결성 보장

산업용 사물 인터넷(IIoT)으로의 마이그레이션으로 인해, 센서 및 액추에이터가 많이 사용되는 산업 환경에서 신뢰성 및 성능 향상에 대한 요구는 강력한 연결 솔루션을 찾는 개발자들에게 더 많은 과제를 던지고 있습니다. 잡음이 많은 전기 환경은 무선 방법을 제한하고, 열악한 물리 환경은 전통적인 케이블링 접근 방식의 사용을 복잡하게 합니다. 설계자는 신뢰성과 성능을 유지할 수 있는 더욱 효과적인 연결 솔루션을 요구합니다.

한 가지 옵션은 신호 무결성을 유지하기 위해 연선 쌍의 분리를 방지하는 결합쌍 이더넷 케이블링을 사용하는 것입니다.

이 기사에서는 설계자들이 열악한 환경에 대한 케이블링 옵션을 고려하면서 마주하는 과제를 설명합니다. 그런 다음, Belden의 예를 사용하여 클래식 이더넷 케이블링과 관련된 기술의 특성과 성능을 설명하고 결합쌍 이더넷 케이블을 통해 이러한 과제를 해결하는 방법을 보여줍니다.

산업 환경 진화로 인해 네트워크 신뢰성 및 성능에 주어진 과제

진화하는 IIoT에서 더 다양하고 많은 센서 및 액추에이터가 필요로 하면서 산업용 네트워크 설계자들은 복합적인 문제에 직면하게 되었습니다. 제조 공정의 여러 단계에서 중요한 역할을 수행하기 위해 비전 기반 시스템이 고정밀 센서에 접합됨에 따라 신뢰할 수 있는 연결에 대한 지속적인 요구와 함께 산업용 네트워크는 실시간 성능과 더 높은 처리량을 제공해야 합니다. IEEE 802.1 TSN(시간 민감형 네트워킹) 표준과 같은 네트워크 기술은 설계자가 결정적 이더넷 성능에 대한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되지만, 산업 환경에서 더 큰 데이터 볼륨, 속도, 다양성을 경험함에 따라 10기가비트(Gbit) 이더넷 네트워크가 표준이 되고 있습니다.

일반 공장의 전기적 및 물리적 환경의 특성으로 인해 산업 환경에서 네트워크 신뢰성과 성능을 보장하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 이런 환경에서, 기계에서 발생하는 전기적 잡음과 전력 외란이 다양한 소스의 전자파 장해(EMI) 및 무선 주파수 장해(RFI)와 결합되어 통신 신호의 무결성을 저하시킵니다. 실제로, 작업장에는 연료, 기름, 용제 및 기타 화학 물질의 형태뿐만 아니라 작동 중인 기계, 산업 공정, 용접 스플래터에서의 수분, 고온, 빠른 온도 변화와 같은 큰 문제들이 있습니다.

통신 네트워크를 구축하는 과정에서 공장 네트워크 설계자들은 상업용 건물에 설치하도록 고안된 케이블과 피상적으로만 유사한 통신 케이블에 의존합니다. 상업용 건물에서 CMR(통신 다목적 케이블, 라이저)로 알려진 라이저 등급 케이블은 산업용 산업 공장의 라이저 또는 수직 샤프트에 걸쳐 배치된 케이블용으로 사용됩니다. 이와 유사하게, CMP(통신 다목적 케이블, 플레넘)로 알려진 플레넘 등급 케이블은 바닥 또는 천장 아래 공간에 배치된 수평 케이블에서 화염 전파 및 연기를 제한하는 데 필요한 더 높은 등급의 케이블입니다.

그러나 대부분의 상업용 건물 설치와 달리 , 산업 환경에 배치된 케이블은 일반 공장 작동에서 발생하는 연속적인 진동, 굽힘, 마모, 파쇄로 인한 기계적 응력에 특히 취약합니다. 산업용 네트워크 설계자들은 네트워크의 비용과 성능 사이에 필요한 균형을 달성하기 위해 장기간에 걸쳐 다양한 케이블 재킷 절연 재료에 의존해 왔습니다.

산업용 케이블 특성

특수 요구 사항을 충족할 수 있는 다양한 케이블 절연 재료가 있지만 산업용 케이블 재킷에 일반적으로 사용되는 두 가지 재료는 FEP(플루오리네이티드 에틸렌 고분자)와 PVC(폴리 염화 비닐)입니다. FEP는 연기 및 화염 저지 특성으로 인해 CMP 등급 케이블에서 자주 사용됩니다. 통신 케이블 재킷에 FEP를 사용하면 화염을 줄일 뿐 아니라 화재 시 에어 덕트를 통해 심한 연기가 확산되는 것을 제한합니다. 강력한 화학 내성과 함께 FEP 케이블은 대개 넓은 주변 온도 범위를 견딥니다. 예를 들어, Belden의 CMP 등급 4쌍 FEP 재킷형 DataTuff 7931A 이더넷 케이블(7931A 0101000)은 -70 ~ +150°C의 작동 온도 범위에 대해 사양이 지정되었습니다.

CMR 등급 케이블은 일반적으로 화학 물질, 열, 물에 적절한 내구성 및 내성을 제공하면서 가장 낮은 가격을 제공하는 PVC로 절연되어 있습니다. PVC는 일반적으로 라이저에서의 일반적인 사용에 따라 더 제한된 작동 온도를 나타냅니다. 예를 들어, Belden의 CMR 등급 4쌍 PVC 재킷형 DataTuff 7953A 이더넷 케이블(7953A 0101000)은 -40 ~ 75°C의 작동 온도 범위에 대해 사양이 지정되었습니다.

FEP 및 PVC 이외에, 특정 요구 사항을 지원하기 위해 종종 별도로 또는 함께 사용되는 다른 재료가 있습니다. 예를 들어, 2쌍 DataTuff 7962A 이더넷 케이블(7962A 1SW1000)의 경우 Belden은 TPE(열 가소성 엘라스토머) 외부 재킷, 폴리에틸렌(PE) 내부 재킷, 폴리올레핀(PO) 전선 절연을 결합하여 열악한 환경에 적합한 견고한 난연, 내유성 케이블을 제공합니다.

재킷 재료의 선택은 산업용 이더넷 네트워크를 위한 케이블 선택 시 필요한 여러 중요한 결정 중 하나에 불과합니다. 앞서 언급했듯이 산업용 통신 케이블은 상당한 기계적 응력을 받을 수 있으며 이로 인해 기존 연선 케이블의 신호 잡음이 증가합니다. 이 친숙한 케이블 유형은 전선 쌍을 함께 꼬을 때 나타나는 누화 및 장해 민감성의 감소에 의존합니다. 그러나 실제로, 산업 환경에서의 설치 및 일상 작업 응력으로 인해 쌍을 이루는 전선이 분리될 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 기존 연선 케이블은 쌍을 이루는 전선이 서로 가깝게 유지되는 동안 누화 및 잡음을 줄이지만(위쪽) 이러한 전선은 대개 구부림, 휨, 당김이 반복되면 분리됩니다(아래). (이미지 출처: Belden)

연속적인 굽힘, 휨, 당김으로 인해 컨덕터 간 공간 또는 중심이 늘어남에 따라 연선의 잡음 제거 효과가 크게 저하됩니다. 시간이 지나면 신호 무결성이 손상되어 네트워크를 통한 전송의 신뢰성에 영향을 미치게 됩니다. 기존의 연선 통신 케이블에 대한 Belden의 대체품은 설치 및 지속적인 사용의 혹독함에도 불구하고 신호 무결성을 유지하도록 설계되었습니다.

응력에 대한 내성을 제공하는 결합쌍 기술

Belden의 특허 받은 결합쌍 기술은 각 쌍의 전선 사이에 실제 접착을 생성하여 통신 케이블의 모든 연선에 대한 최적의 중심을 유지하므로 신호 무결성을 손상시킬 수 있는 틈을 방지할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 기존의 연선 기술(왼쪽)과 달리, Belden의 결합쌍 기술(오른쪽)은 굽힘, 휨, 당김에도 불구하고 케이블의 쌍 전선 간의 공간이 고정 상태를 유지할 수 있도록 합니다. (이미지 출처: Belden)

Belden의 결합쌍 기술에서는 케이블의 인장 장력 저항이 기존 이더넷 케이블보다 일반적으로 40% 더 강합니다. 동시에 Belden의 결합쌍 케이블은 케이블의 외부 지름의 4배에 해당하는 타이트한 굽힘 반지름을 따라 안전하게 구부리거나 휠 수 있습니다. 반대로 일반적인 이더넷 케이블의 굽힘 반지름은 대개 외부 지름의 10배로 제한됩니다.

결합쌍 기술을 통해 추가된 강도는 설치 또는 정상 작동 중에 휨으로 인한 지속적인 응력에도 불구하고 신뢰성을 유지할 수 있는 능력으로 해석됩니다. 업계에는 휨을 견딜 수 있는 능력을 측정하기 위한 표준이 부족하지만 Belden은 일반적인 산업 작동 조건을 시뮬레이션하도록 설계된 휨 테스트를 만들었습니다.

Belden 엔지니어는 먼저 15ft 길이의 결합쌍 케이블을 3in의 타이트한 굽힘에 적용한 후 일일 28,800사이클 동안 10ft/s의 다축 이동을 적용했습니다. Belden 엔지니어링 팀은 테스트 중인 케이블의 단락, 전압 강하 및 기타 문제를 길이에 따라 8개 지점에서 지속적으로 모니터링했습니다. 10,075,000사이클의 휨 테스트 동안 어떤 물리적 또는 전기적 오류도 감지되지 않았습니다.

결합쌍 케이블의 강력한 성능은 기존 케이블의 전기적 성능과 비교할 때 분명하게 드러납니다. 링크 마진을 메트릭으로 사용하는 테스트에서는 Belden 결합쌍 케이블이 설치 전후에 성능을 유지하는 것으로 나타났습니다(그림 3, 왼쪽). 반대로, 기존 케이블의 경우 릴의 성능 테스트를 통과해도 설치 후에 실패할 수 있는데, 설치 시의 일반적인 당김, 굽힘 및 휨 응력을 받은 후 케이블의 쌍이 분리되기 때문입니다(그림 3, 오른쪽)

그림 3: Belden의 결합쌍 케이블에서는 설치 전후(왼쪽) 개별 데이터 쌍(파란색/노란색/녹색/빨간색)에서 링크 마진이 높게 유지되는 반면, 릴에서 잘 테스트되는 기존 연선 케이블은 설치 응력으로 인한 쌍 분리로 인해 설치 이후 극적인 감소를 보여줍니다. (이미지 출처: Belden)

결합쌍 케이블과 비교하여 기존 연선 케이블은 설치 및 취급 중에 전선 쌍 사이에 생성된 간격으로 인해 불규칙한 주파수 종속 임피던스 변동을 나타낼 수도 있습니다(그림 4).

그림 4: 기존 산업용 케이블의 취급으로 인한 임피던스 변화(오른쪽)와 비교하여 Belden의 결합쌍 케이블의 임피던스(왼쪽)는 설치 전후에 안정적으로 유지됩니다. (이미지 출처: Belden)

정상 작동 시, 비차폐 결합쌍 케이블은 종종 기존 차폐형 케이블보다 저렴한 비용으로 잡음 보호를 유지할 수 있습니다. 산업용 네트워크 설계자에게 결합쌍 케이블의 잡음 보호는 기존 차폐형 산업용 케이블과 비교하여 라우팅 제약 조건을 완화시키는 데 도움을 줍니다. 예를 들어, ODVA(이전 Open DeviceNet Vendors Association)의 지침에서는 장해를 피하기 위해 기존 차폐형 케이블을 전자파 발생원으로부터 5ft 이내에 라우팅할 것을 권장합니다. 이에 반해, 비차폐형 결합쌍 케이블의 잡음 보호 기능은 네트워크 설계자가 신호 무결성을 손상시키지 않으면서 발생원에서 6in 내에 이 케이블을 라우팅할 수 있도록 합니다.

결론

IIoT 데이터 속도가 증가함에 따라 열악한 전기적 및 물리적 산업 환경은 필요한 신호 무결성을 유지할 수 있는 케이블 선택을 복잡하게 만듭니다. 위에서 설명한 바와 같이 Belden의 특허 받은 결합쌍 기술은 기존의 산업용 이더넷 케이블보다 효율적으로 연결 성능을 유지할 수 있는 효과적인 솔루션을 제공합니다.