산업용 이더넷이 공장 환경에서 산업 IoT를 지원하는 방법

공장에서 일반 이더넷 장비를 사용하면 어떻게 될까요? 공장 환경에서는 빠르게 실패합니다. 공장은 -40°C ~ +75°C 범위의 극한 온도에서 작동하고, 지속적인 진동을 겪으며, 거친 화학 물질에 노출됩니다. 산업용 네트워크가 실패하면 생산이 중단되어 재무 손실이 발생합니다.

이 기사에서는 산업용 이더넷과 전통적 사무실 네트워크 간의 차이점을 보여줍니다. 또한 특수 부품을 통해 기계가 서로 안정적으로 통신하는 방법을 설명합니다. 해당 논의는 열악한 공장 환경을 견딜 수 있는 네트워크를 생성하는 세 가지 주요 요소인 견고한 네트워크 스위치, 산업용 케이블, 보호 패치 패널로 구성됩니다.

산업 환경에서의 성능 제한

산업용 사물 인터넷(IIoT)은 표준 IT 장비를 빠르게 망가뜨리는 환경에서 작동합니다. 제조 현장에서는 냉각 시스템을 막는 먼지가 발생하고, 식품 가공 시 습기는 단락과 부식을 일으킵니다. 극한의 온도, 지속적인 진동, 모터의 전자기 간섭은 일반적인 네트워킹 부품을 손상시키며 이는 고장 및 비용 부담이 큰 다운타임으로 이어집니다.

간헐적 지연이 허용되는 사무실 네트워크와 달리, 산업용 네트워크는 결정적이여야 하며 예측 가능한 시간 프레임 내에 이벤트가 발생해야 합니다. 표준 이더넷은 전달 시간이 보장되지 않는 확률적(최선의 노력) 프로토콜입니다. 산업용 응용 제품에는 특히 모션 제어처럼 밀리초만 지연되어도 장비에 손상을 줄 수 있는 작업에 대해 호환성 및 결정성이 필요합니다.

호환성 및 결정성 유지

산업용 프로토콜은 그림 1에 표시된 바와 같이 개방형 시스템 상호 연결(OSI) 모델의 계층 7에서 작동합니다 PROFINET은 PROFINET RT와 PROFINET IRT('등시 실시간')로 나눌 수 있습니다. RT는 지연을 줄이기 위해 일반 TCP/IP 처리를 우회하고, IRT는 시간 임계 데이터 교환의 우선 순위를 지정하기 위해 이더넷 트래픽 스위칭 규칙을 수정합니다.

그림 1: OSI 모델은 산업용 프로토콜이 다양한 네트워크 계층에서 작동하는 방식을 보여줍니다(이미지 출처: Eaton).

PROFINET은 물리 계층의 표준 이더넷에서 작동하므로(1-2), 산업용 네트워크는 일반 네트워크 장비에 연결함과 동시에 기계 제어, 프로토콜 유연성, 네트워크 확장성을 위한 정확한 타이밍을 제공할 수 있습니다.

IIoT 자동화 시스템 부품 및 작동상의 과제

산업용 이더넷 스위치, 케이블, 패치 패널은 공장 자동화에서 산업용 사물 인터넷(IIoT)의 필수 부품입니다. 이러한 세 부품 각각에 대해 공통적 과제와 고유한 과제 목록이 있습니다.

공통적 과제: 모든 부품은 공장 기계의 전자기 간섭으로부터 보호해야 합니다. 이러한 목적으로, 스위치 및 패치 패널에는 차폐 하우징이 필요하며, 케이블은 차폐 연선(STP) 또는 호일 연선(F/UTP) 구성을 사용합니다. 스위치는 내충격성을 위해 견고한 케이스를 사용하고, 케이블은 진동 및 기계적 응력을 견디며, 패치 패널은 고강도 재료(예: 14게이지 냉간압연 강철)를 활용합니다.

고유한 과제:

산업용 이더넷 스위치

• 극한 온도(-40°C ~ +75°C)에 걸쳐 안정적으로 작동해야 합니다.
• 불안정한 산업 전력에 대비한 이중화 DC 전력 입력 및 경보 계전기가 필요합니다.
• 중요 산업용 데이터 스트림의 우선 순위를 지정하기 위한 서비스 품질(QoS) 프로토콜이 필요합니다.

산업용 이더넷 케이블

• 직접적인 환경 노출에 직면하므로 먼지 및 액체 침투 방지를 위한 IP68 등급 커넥터가 필요합니다.
• 진동으로 인한 분리를 방지하기 위해 잠금 나사가 있는 특수 M12 커넥터를 사용합니다.
• 기계 주변의 한정된 공간에 설치할 수 있도록 직각 플러그를 제공합니다.

산업용 패치 패널

• 제한된 공간에서도 고밀도 설계로 많은 케이블 배선을 정리해야 합니다.
• 장기적 연결 무결성을 유지하기 위해 스트레인 완화 바를 통합합니다.
• 밀집된 랙에 보다 손쉽게 접근할 수 있도록 90도 하향 각도 포트를 사용합니다.

Eaton은 산업용 이더넷 스위치, 케이블, 패치 패널을 비롯하여, 공장 환경에서 앞에서 언급한 과제를 해결하는 다양한 산업용 이더넷 솔루션을 제공합니다.

산업용 이더넷 스위치

Eaton의 NGI 계열 스위치는 산업용 네트워크에서 장치를 연결합니다. 이 스위치는 4개 포트를 가진 소형 크기부터 16개 포트를 가진 대형 크기까지 다양합니다. 소형 스위치는 최대 14Gbps 데이터를 처리합니다. 대형 스위치는 최대 32Gbps를 처리합니다. 모든 RJ45 포트는 3가지 속도 10Mbps, 100Mbps 또는 1000Mbps에서 작동할 수 있습니다. 그림 2는 NGI-U08A 및 NGI-U05C2POE4 모델의 주요 부품에 대한 제품 이미지를 보여줍니다.

그림 2: Eaton의 NGI 계열 산업용 이더넷 스위치의 주요 부품(이미지 출처: device.report)

NGI-U05POE4 네트워크 스위치는 진동과 충격을 견디는 견고한 금속 하우징을 사용하며 -10°C ~ +60°C의 온도 범위에서 작동할 수 있습니다. 주요 특징에는 각각 최대 30W 전력을 공급할 수 있는 4개의 PoE+ 포트가 포함됩니다(총 버짓 120W). 이는 AC 콘센트를 쉽게 이용할 수 없는 경우 카메라 및 센서와 같이 장치에 전력을 공급해야 하는 문제를 해결합니다.

기능 개선을 위해 -40°C ~ +75°C의 넓은 작동 온도 범위와, 진동을 견딜 수 있는 견고한 케이스를 제공하는 NGI-U08A 네트워크 스위치를 선택하는 것이 좋습니다. 이 모델의 전력 이중화 기능은 전력이 불안정한 경우에 특히 유용합니다. 이는 성능 레벨 향상을 위해 산업용 데이터 스트림의 우선 순위를 지정하는 데 도움이 되는 Ethernet/IP QoSe(EIP QoS)를 특징으로 합니다.

산업용 이더넷 케이블

Eaton의 산업용 이더넷 케이블은 차폐 구조(STP 또는 F/UTP)를 사용하므로 모터와 중장비에서 발생하는 간섭으로부터 신호를 보호할 수 있습니다. 이 케이블은 IP68 등급 커넥터 및 CMX 실외용 잭 등을 통해 먼지, 습기, 부식성 요소를 견디도록 설계되었습니다.

지속적인 진동으로 인해 연결이 떨어지는 것을 방지하기 위해 이 케이블은 안전한 연결을 위한 12mm 잠금 나사를 사용하는 견고한 원형 M12 커넥터를 활용합니다. 대다수의 케이블이 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 지원하므로 단일 선에서 센서, 카메라와 같이 전기 콘센트를 사용할 수 없는 장치에 전력 및 데이터를 전달할 수 있습니다.

N206-PC23-IND(그림 3)는 IP68 등급이며, 이는 해당 커넥터가 먼지로부터 보호되고 1.5m의 수중에서 최대 60분 동안 견딜 수 있음을 나타냅니다. CMX 등급 자켓은 실외용 응용 제품에 적합하도록 합니다. 이는 -20°C ~ +80°C의 극한 온도에서 작동하도록 제작되었습니다.

그림 3: RJ45 커넥터를 갖춘 Eaton의 산업용 Cat5e/Cat6 STP 이더넷 케이블(모델 N206-PC23-IND)(이미지 출처: Eaton)

이 케이블의 차폐 구조는 전기 모터 및 용접 장비를 비롯한 중장비에서 발생하는 EMI/RFI 라인 잡음으로부터 보호하는 데 도움이 됩니다. 이는 PoE를 지원하여 보안 카메라 및 VoIP 전화와 같은 호환 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.

NM12-6A4-01M-BL(그림 4) 및 NM12-602-02M-BL 산업용 케이블은 M12 커넥터를 사용하며 IP68 등급의 방진 및 방수 기능을 제공합니다. 이러한 모델은 고전력 60W PoE를 지원하고 M12 X-Code 커넥터(수)를 RJ45 커넥터(수)에 연결합니다.

그림 4: 직각 M12 커넥터 및 60W PoE 지원을 제공하는 Eaton의 NM12-6A4-01M-BL(이미지 출처: Eaton)

NM12-6A4-01M-BL은 NM12-602-02M-BL보다 뛰어난 10Gbps 네트워크 속도를 제공하며, 고속 응용 분야에서 간섭을 방지하기 위해 전면 포일 실드(F/UTP)를 사용합니다. 또한 그림 4에 표시된 바와 같이 특수 직각 M12 커넥터를 제공하여 케이블 부담을 줄이고 좁은 공간에서 더 쉽게 연결할 수 있도록 지원합니다. 그러나 더 긴 케이블 길이(6.6ft) 및 낮은 네트워크 속도(1Gbps)에서 일자형 M12 커넥터만 필요하다면 NM12-602-02M-BL로 충분합니다.

산업용 패치 패널

산업용 패치 패널은 완전 차폐형 RJ45 포트를 갖추고 있어 제조 환경에서 일반적으로 발생하는 전자기 간섭에 대한 필수 보호를 제공합니다 이러한 차폐형 설계는 EMI 및 RFI로 인해 데이터가 손상되지 않도록 방지하여, 패킷 손실 및 재전송 필요성을 줄여줍니다. 공간 효율적 옵션에는 표준 1U 모델 및 공간 절약형 0.5U 변형이 포함되어 있어 제한된 랙 공간에서 더 높은 포트 밀도를 실현할 수 있습니다.

그림 5에 표시된 대로, N254-024-SH-D 모델은 RJ45 포트가 하향 90도를 가리키고 있어(C), 좁은 산업 공간에서 케이블을 더 효율적으로 관리하고 케이블 및 커넥터에 대한 부담을 줄일 수 있습니다. 전용 접지 전선(D)은 실드의 적절한 전기 접지를 보장하여 전기적으로 잡음이 심한 산업 환경에서 EMI/RFI 보호를 최대화합니다.

그림 5: 주요 산업적 특징을 강조하는 Eaton의 산업용 패치 패널(모델 N254-024-SH-D)(이미지 출처: Eaton)

산업용 네트워크 신뢰성 최적화를 위한 통합 전략

산업용 이더넷 부품을 통합할 경우 환경적 과제에 맞게 사양을 일치시켜야 합니다. 식품 가공 시설에는 먼지가 많은 창고보다 더 높은 수준의 방습 보호가 필요하고, 용접 장비가 있는 구역의 경우 개선된 전자기 간섭(EMI) 차폐가 요구됩니다.

미래의 성장에 대비해 확장 기능을 갖춘 부품을 선택해야 합니다(예: 추가 용량을 지원하는 인클로저, 더 높은 대역폭의 케이블, 예비 포트를 가진 스위치). 인프라에 걸쳐 일관적인 성능 사양을 유지하여 상호 운영성을 보장해야 합니다. 스위치가 10Gbps를 지원하는 경우 동일한 대역폭을 지원할 수 있는 케이블을 사용하십시오.

시간에 민감한 응용 제품을 설계하는 경우 지연 및 지터 모두를 고려하십시오. 제한된 바닥 공간에는 벽걸이형 인클로저를 사용해 물리적 제약을 해결하고, 케이블 길이를 연장하여 장치를 최적의 위치에 배치할 수 있습니다.

결론

산업용 네트워킹은 일반 장비가 실패하는 곳에서도 안정적으로 작동하며 다운타임과 유지보수 비용을 줄여줍니다. 또한 분석을 위해 연속적인 데이터를 제공합니다. 제조업체가 표준 이더넷과 산업용 프로토콜을 결합할 경우 엄청난 이점이 제공됩니다. 이러한 조합은 범용 연결 및 정밀한 시간 제어를 제공합니다. 이러한 타이밍 제어는 디지털 트윈 및 예측적 유지보수에 유용합니다.

많은 공장에서 IoT를 채택함에 따라 견고한 인프라가 차이를 만듭니다. 적절한 산업용 이더넷에 투자하는 회사는 즉각적인 운영상 이점을 누릴 수 있습니다. 이러한 투자는 또한 회사가 인더스트리 4.0 발전에 대비할 수 있도록 합니다. 이러한 발전을 실현하려면 제조 시설 전반에 걸쳐 신뢰할 수 있는 네트워킹이 필요합니다.