장거리 산업 자동화 배포에서 기가비트 이더넷 신호 무결성을 유지하는 방법

연선 이더넷 케이블은 여러 해 동안 10Base-T 및 100Base-T 데이터 전송률로 신뢰를 받아온 완전하고 안정적인 기술로 간주됩니다. 그러나 고속 이더넷 트래픽이 초당 1기가비트(Gb/s) 이상에 도달함에 따라 설계자는 신호가 케이블 불일치에 더 민감해지고 간섭, 누화, 임피던스 손실, 반사되는 신호로 인한 반사 손실, 감쇠에 더 예민해 진다는 현실을 마주해야 합니다.

이러한 문제는 산업 자동화 시설에서와 같이 케이블 길이가 증가함에 따라 악화됩니다. 여기에 로봇 공학 및 기타 기계와 같은 응용 분야뿐만 아니라 레이아웃 중에 이더넷 케이블이 꼬이거나 구부러지는 문제가 추가됩니다. 이렇게 반복적으로 구부리면 연선이 분리되어 케이블의 전기적 성능이 저하될 수 있습니다. 결과로 나타나는 신호 감쇠는 시간이 지남에 따라 악화되는 간헐적인 데이터 손실을 유발할 수 있습니다. 이러한 유형의 오류는 식별 및 문제 해결이 매우 어렵기 때문에 시간과 비용이 많이 드는 시스템 다운타임이 발생합니다.

이 기사에서는 연선 컨덕터를 통해 고속 디지털 이더넷 데이터를 전송하는 문제에 대해 설명합니다. 결합쌍 이더넷 케이블을 사용하여 신호 손실 감소 및 물리적 남용에 대한 저항을 포함하여 장거리에서 고속 이더넷 데이터에 대해 일관된 성능을 제공하는 방법을 설명합니다. 그런 다음 Belden의 결합쌍 이더넷 케이블의 두 가지 예를 소개하고 이러한 케이블을 사용하여 산업 환경에서 이더넷 신호 무결성을 보장하는 방법을 보여줍니다.

기가비트 이더넷 데이터를 안전하게 전송

표준 이더넷 케이블은 연선 구리 컨덕터를 통해 데이터를 전송합니다. 과거에는 저렴한 케이블에 2개의 연선만 사용할 수 있었지만 최신의 일반적인 이더넷 케이블에는 고속 데이터 전송 및 PoE(이더넷을 통한 전력 공급) 전달을 위해 4개의 연선이 있습니다. 모든 이더넷 케이블은 케이블 구조, 케이블 길이, 간섭 및 데이터 전송률로 인해 어느 정도 신호 품질이 저하됩니다. 10미터(m) 이상의 케이블을 통해 고속 데이터를 전송하는 경우 케이블 구조를 통해 과도한 신호 저하가 방지됩니다.

대부분의 상업용 및 저속 산업용 이더넷 케이블은 구리 연선 컨덕터를 사용합니다. 구리 연선은 매우 유연하고 작업하기 쉽기 때문에 케이블의 모서리 주위를 구부릴 수 있고, 바닥과 실장 지점에 테이프로 고정할 때 케이블이 제자리에 유지됩니다. 그러나 구리 연선은 특히 장거리에서 경성 구리선보다 전류 흐름에 대한 저항이 더 큽니다. 따라서 경성 구리선은 일반적으로 더 낮은 신호 전압을 사용하는 고속 데이터에 더 적합하므로 고속 데이터는 전선 저항으로 인한 신호 감쇠 및 데이터 손실에 더 취약합니다. PoE의 경우 구리 단선은 구리 연선에 비해 더 많은 전류를 전달할 수 있고 더 적은 열을 생성하므로 더 적합한 옵션입니다.

구리 단선의 단점은 유연하지 않고 연선보다 구부러지지 않는다는 것입니다. 따라서 케이블을 배치할 때 약간의 추가 노력이 필요할 수 있습니다.

연선 이더넷 케이블은 RJ45 플러그의 수신기 및 송신기에 대한 특성 임피던스를 나타냅니다. 일반적으로 이 임피던스는 100옴(Ω)이며 케이블 길이를 따라 일정해야 합니다. 임피던스는 연선의 두 컨덕터 사이의 중심 간 거리에 영향을 받습니다. 무거운 물체에 대한 충격이나 케이블을 늘리거나 밀어 넣는 것과 관련된 응력은 연선을 분리하여 일부 섹션의 중심 간 거리를 변경할 수 있습니다. 이러한 결과로 케이블 임피던스 변화가 발생하여 신호를 저하시킵니다. 초당 10메가비트(Mb/s)(10Base-T) 또는 100Mb/s(100Base-T) 속도에서는 눈에 띄지 않을 수 있지만 기가비트 속도(1000Base-T)에서는 데이터 손실이 발생할 수 있습니다.

누화는 신호 저하의 또 다른 원인입니다. 두 개의 고속 전선을 병렬로 실행하면 각 컨덕터가 다른 전선에 전류를 유도하게 되며, 이는 누화에 대한 최악의 상황입니다. 누화 및 신호 손실의 위험을 최소화하기 위해 전선은 자체 차폐 연선으로 연결됩니다. 그러나 임피던스 손실과 마찬가지로 연선의 두 전선이 케이블에 가해지는 외력에 의해 제자리에서 밀려나거나 움직이면 연선 간의 누화가 증가하여 신호 신뢰성이 감소합니다.

거리에 따른 케이블의 전기 저항과 결합된 임피던스 손실 및 누화의 조합은 신호가 소스로 다시 반사되기 때문에 반사 손실을 유발합니다. 반사 손실이 예상되면 종단에서 반향 제거를 사용하여 보상되지만 과도한 반사 손실은 간헐적인 데이터 손실을 초래하는 심각한 문제가 될 수 있습니다. 이 문제는 진단하기가 매우 어려울 수 있으며 과도한 가동 중지 시간을 초래할 수 있습니다. 이 문제는 이더넷 케이블의 위치가 이동하고 전기적 특성을 변화시키는 고진동 산업 환경에서 악화되어, 결과적으로 진동이나 움직임이 멈추면 사라지는 데이터 신호 문제가 발생합니다.

결합쌍 이더넷 케이블

위에서 논의한 바와 같이 임피던스 손실, 누화 및 반사 손실은 모두 케이블 길이를 따라 연선 사이의 서로 다른 중심 간 거리에 의해 크게 영향을 받습니다. 열악한 환경에서 고속 이더넷 연결을 라우팅하는 설계자를 위해 Belden은 기가비트 이더넷용 10GX CAT6 및 CAT5E 결합쌍 모듈식 이더넷 코드로 문제를 해결했습니다.

결합쌍 케이블은 연선 컨덕터를 물리적으로 결합하여 일정한 컨덕터 간 중심을 유지하여 일시적인 분리도 방지합니다(그림 1). 이는 임피던스 손실 및 누화의 위험을 크게 줄입니다.

그림 1:왼쪽의 비결합형 연선은 쌍의 꼬임 또는 결합으로 발생하는 공백으로 인해 컨덕터 간 중심을 잃었습니다. 오른쪽의 결합형 연선은 외력에도 불구하고 중심을 유지합니다. (이미지 출처: Belden)

Belden 결합쌍 이더넷 케이블은 또한 연선에 구리 단선 컨덕터를 사용하여 전기 저항을 줄입니다. 또한, 단선 구리 컨덕터는 PoE 응용 제품을 위한 구리 단선에 비해 적은 손실로 더 많은 전력을 허용합니다. 또한 케이블 저항으로 인한 열을 줄여 안전성을 향상시킵니다.

종합하면, 케이블의 전기 저항을 줄이고 임피던스 손실을 줄이며 누화를 최소화하여 열악한 환경에서도 기가비트 이더넷의 데이터 무결성을 크게 향상시킵니다.

기가비트 이더넷 패치 코드의 경우, Belden은 C601106010 10피트(ft) 결합쌍 이더넷 케이블 조립품을 제공합니다(그림 2). 이는 24AWG 경성 구리선의 4개 결합형 연선을 가진 CAT6+ 케이블 조립품입니다. 끝 부분이 폴리염화비닐(PVC) 외부 재킷에 성형된 엘라스토머 부트가 있는 RJ45 플러그로 종단되어 있어 분리에 저항하는 강력한 스트레인 완화 장치를 형성합니다. 또한 RJ45 종단에서 연선이 꼬이거나 분리되는 것을 방지하고 물과 먼지로부터 보호합니다.

그림 2: Belden C601106010 이더넷 코드는 먼지와 습기로부터 케이블 종단을 보호하기 위해 PVC 재킷 위에 성형된 엘라스토머 부트 스트레인 완화 기능이 있는 2개의 RJ45 플러그로 종단됩니다. (이미지 출처: Belden)

파란색 이더넷 케이블은 지름이 5.715밀리미터(mm) 이며 통상적으로 이더넷 케이블용으로 사용됩니다. 결합형 연선 및 단선 컨덕터는 케이블 조립품에 부피를 추가하지 않으므로 C601106010은 상업용 케이블이 라우팅되는 모든 응용 제품에 적합합니다.

케이블 조립품은 접점당 1.500암페어(A)의 전류 정격을 제공합니다. 기가비트 속도 정격과 결합된 C601106010은 로봇 및 산업용 사물 인터넷(IIoT) 엔드포인트와 같은 산업용 PoE 응용 제품에 적합합니다. 최대 접점 저항은 0.020Ω이며, 1.500A에서는 산업 응용 제품에서 허용 가능한 크기인 0.300와트의 열을 생성합니다.

이 CAT6+ 케이블 조립품은 1000Base-T 응용 제품용으로 평가되며 작동 온도가 -10°C ~ +60°C이므로 온도 최대치의 범위가 넓은 고속 산업 자동화 응용 제품에 적합합니다.

더 긴 거리를 위해 Belden은 CA21106025 25ft 길이의 결합쌍 이더넷 케이블 조립품을 제조합니다. 이는 Belden C601106010과 동일한 기본 전기 사양과 그림 2에 표시된 동일한 종단을 가진 CAT6a 케이블 조립품입니다. 그러나 CA21106025 케이블은 더 길기 때문에 외부 간섭에 더 취약합니다. 25ft 케이블을 통한 기가비트 속도는 주변 전자 장치에서 전자기 복사를 픽업할 수 있는 안테나 역할을 합니다. 신호 무결성을 보장하기 위해 CA21106025에는 알루미늄 호일 외부 실드가 있습니다. 그 결과 지름이 6.731mm로 상용 케이블보다 약간 크지만 케이블 가이드 및 일반적인 라우팅 방법에 대한 허용 오차 범위 내에 있습니다.

이 차폐를 통해 Belden CA21106025 케이블 조립품은 10GBase-T(10Gbs/s) 속도에 대해 정격화되어 고급 산업 자동화 응용 제품은 물론 시설 전체에 고화질 비디오를 스트리밍하는 데 적합합니다.

결론

기가비트 이더넷은 산업 자동화 시설에 더 높은 데이터 속도를 제공하고 있습니다. 이러한 데이터 전송률로 인해 간헐적인 데이터 연결을 초래할 수 있는 간섭, 혼선 및 반사 손실의 위험이 증가합니다. 이는 케이블이 반복적으로 구부러져 케이블의 전기적 성능이 저하될 수 있는 산업 응용 분야에서 특히 그렇습니다.

일정한 중심 간 중심성을 보장하는 결합형 연선 이더넷 케이블을 사용하여 설계자는 네트워크 업그레이드 및 새로운 배포에 대한 PoE 요구 사항을 충족하면서 더 먼 거리에서 더 빠른 속도를 편안하게 사용할 수 있습니다.