싱글 페어 이더넷을 사용하여 상태 기반 모니터링을 구현하는 방법

공장 자동화 및 산업용 사물 인터넷(IIoT)에서 상태 기반 모니터링(CbM)은 자산 상태에 대한 통찰력을 제공하여 가동 시간과 생산성을 높이고, 유지보수 비용을 줄이며, 자산 수명을 연장하고, 작업자 안전을 보장합니다 센서, 진단 알고리즘, 처리 능력, 인공 지능(AI) 및 머신러닝(ML) 기술 적용이 개선되면서 CbM이 더욱 유용해지고 있지만, 적절한 인프라 부족으로 인해 많은 응용 분야에서 적용 범위가 제한되고 있습니다.

광업, 석유/가스, 유틸리티, 제조 분야의 장비는 전력이나 데이터 네트워크가 부족한 곳에 위치하는 경우가 많습니다. 이러한 원격 위치에 새로운 전원 및 네트워크 케이블을 연결하는 것은 비용이 많이 들고 비현실적일 수 있으며, 특히 상대적으로 높은 전력 및 데이터 속도를 필요로 하는 CbM 응용 분야의 경우 더욱 그렇습니다.

무선 대안에는 장단점이 있습니다. 예를 들어, 배터리로 작동하는 센서는 제한된 데이터 속도만 제공할 수 있으므로 이러한 설정은 CbM에 적합하지 않습니다. 이러한 위치에 최신 CbM 기능을 제공하려면 엔지니어는 저렴한 비용으로 안정적인 전력과 고대역폭 네트워킹을 제공하는 대체 인프라 옵션이 필요합니다.

10BASE-T1L 싱글 페어 이더넷(SPE)은 이러한 기준을 충족하도록 명시적으로 설계되었습니다. 산업용 이더넷의 한계를 훨씬 뛰어넘어 최대 1킬로미터(km) 거리에서 데이터와 전력을 제공합니다. 엔지니어는 이 새로운 기술을 통해 이전에는 접근이 불가능했던 위치에도 정교한 CbM 기술을 배포할 수 있습니다.

이 기사에서는 원격 위치에 대한 SPE의 이점을 간략하게 설명하기에 앞서 CbM과 AI의 영향에 대한 개요를 소개합니다. 또한 SPE 기반 센서의 핵심 구성 요소를 강조하고 이를 선택하기 위한 가이드라인을 제공합니다. 마지막으로, 데이터와 전력 통신 인터페이스를 결합한 설계의 기본 사항을 검토하고, SPE 기반 CbM 시스템을 광범위한 산업 네트워크에 통합하는 방법을 보여줍니다.

CbM 그리고 AI 및 ML의 영향

여러 가지 요인이 CbM의 성장을 촉진하고 있지만, 특히 주목할 만한 것은 AI와 ML의 부상입니다. 이러한 기술은 펌프, 압축기, 팬과 같은 회전 장비를 넘어 CNC 기계, 컨베이어 시스템, 로봇 공학을 포함한 광범위한 기계류로 CbM의 범위를 확장하고 있습니다.

이러한 발전은 진동, 압력, 온도, 시각적 데이터 등 무수히 많은 데이터를 수집하고 해석하는 AI와 머신러닝 시스템의 능력 덕분에 가능했습니다. AI와 ML 시스템은 풍부한 데이터 세트를 통해 이전 기술로는 놓칠 수 있는 비정상적인 행동을 식별할 수 있습니다.

이러한 이점을 얻으려면 모든 관련 장비에서 고충실도 데이터를 사용할 수 있어야 하므로, CbM 시스템이 운영 범위 내 가장 먼 곳까지 에지-클라우드 연결을 제공하는 것이 중요해졌습니다(그림 1).

그림 1: 최신 CbM 시스템은 멀리 분산된 운영 기술(OT) 장비를 정보 기술(IT) 시스템과 연결해야 합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

다른 대안 대비 SPE의 장점

이처럼 다양한 원격 위치에 서비스를 제공하기 위해 엔지니어는 비용과 물리적 설치 공간을 최소화하면서 데이터와 전력을 공급할 수 있는 IT 친화적인 방법이 필요합니다. 산업용 이더넷 솔루션은 초당 100Mbps의 일반적인 데이터 대역폭과 포트당 최대 30와트의 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 제공하므로 확실한 선택입니다. 하지만 산업용 이더넷은 100미터(m)의 거리로 제한됩니다.

이름에서 짐작되는 바와 같이, 두 쌍(100BASE-TX의 경우 ) 또는 네 쌍(10BASE-T의 경우)이 아닌 단일 연선 쌍을 통해 이더넷 연결을 제공하는 SPE가 등장했습니다. 그 결과, SPE 케이블링은 동급의 산업용 이더넷 케이블링보다 더 작고 가벼우며 비용도 저렴합니다. 설치 공간이 줄어들었음에도 불구하고 SPE는 최대 1킬로미터(km), 최대 초당 1기가비트(Gbps)의 데이터 속도, 최대 50와트의 전력, 열악한 환경을 위한 IP67 등급 커넥터를 지원합니다.

SPE의 최대 등급은 상호 배타적이라는 점에 유의할 필요가 있습니다. 예를 들어, 1Gbps 속도는 최대 40m의 단거리에서만 지원되며, 반대로 데이터 속도는 최대 1km의 케이블 길이에서 10Mbps로 제한됩니다.

SPE 응용 제품에서 사용할 이더넷 MAC을 선택하는 방법

모든 이더넷 연결과 마찬가지로 SPE 인터페이스는 MAC(미디어 액세스 제어) 계층과 PHY(물리적) 계층을 통합합니다. MAC은 이더넷 트래픽을 관리하고, PHY는 케이블의 아날로그 파형을 디지털 신호로 변환합니다.

많은 고급 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)에는 MAC이 장착되어 있으며, PHY가 포함되어 있는 경우도 있습니다. 하지만 에지 센서에 사용되는 저비용, 저전력 MCU에는 이러한 기능이 없습니다. 이 두 가지 요소를 별도의 칩에 구현하여 설계자가 다양한 초저전력 프로세서 중에서 선택할 수 있도록 하는 10BASE-T1L MAC-PHY가 해결책이 될 수 있습니다.

좋은 예로 Analog Devices의 ADIN1110CCPZ-R7을 들 수 있습니다(그림 2). 이 단일 포트 10BASE-T1L 트랜시버는 확장된 도달 범위, 10Mbps SPE 연결을 위해 설계되었습니다. ADIN1110은 대부분의 최신 마이크로 컨트롤러에서 볼 수 있는 인터페이스인 4선 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 호스트에 연결됩니다.

그림 2: ADIN1110은 4선 SPI 인터페이스를 통해 호스트 프로세서에 연결되는 단일 포트 10BASE-T1L 트랜시버입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

견고성을 향상시키기 위해 ADIN1110에는 전압 공급 모니터링 및 파워온 리셋(POR) 회로망이 통합되어 있습니다. 또한 프로그래밍 가능한 송신 레벨, 외부 종단 저항기, 독립적인 수신 및 송신 핀이 있어 본질적인 안전이 중요한 응용 분야에 적합합니다.

공유 데이터 및 전력 통신 인터페이스 설계

SPE는 데이터 라인을 통한 전력 공급(PoDL)이라는 기술을 사용하여 동일한 전선을 통해 전력과 데이터를 제공합니다. 그림 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 고주파 데이터는 직렬 커패시터를 통해 연선에 결합되고 직류(DC) 전력은 인덕터를 사용하여 라인에 결합됩니다.

그림 3: PoDL은 각각 유도성 및 정전 용량 결합을 사용하여 단일 연선을 통해 전력 및 데이터 신호를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

실제로는 견고성과 내결함성을 위해 추가 부품이 필요합니다. 예를 들어, 전원 연결의 잘못된 극성을 방지하기 위해 브리지 정류기 다이오드를 사용하는 것이 좋습니다. 마찬가지로 전자파 적합성(EMC) 견고성을 위해서는 과도 전압 억제기(TVS) 다이오드가 필요합니다. 특히 케이블의 공통 모드 노이즈를 완화하려면 초크가 필요합니다.

CbM용 센서 선택

앞서 언급한 바와 같이 CbM은 다양한 감지 방식에 적용할 수 있습니다. 이러한 방식에서 고려해야 할 중요한 요소 중 하나는 성능과 효율성 간의 균형입니다.

진동 감지를 예로 들어 보겠습니다. 압전 센서는 미세전자기계 시스템(MEMS)에 비해 우수한 성능을 제공하지만 더 고가입니다. 따라서 압전 센서는 중앙에 위치하는 경향이 있는 매우 중요한 자산에 적합한 선택입니다.

반면, 중요도가 낮은 자산은 보통 시설 내 가장 먼 곳에 위치하는 경우가 많기 때문에 비용 제약으로 인해 현재 모니터링되지 않는 경우가 많습니다. 하지만 전반적인 시스템 생산성을 개선하기 위해서는 이러한 자산의 데이터를 마이닝해야 합니다. 거리와 비용에 대한 민감성이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 것이 바로 SPE 기반 CbM의 강점이며, 따라서 MEMS 센서는 매우 적합합니다.

저렴한 비용 외에도 MEMS 센서는 SPE 센서에 다른 장점도 제공합니다. 예를 들어, 압전 센서에 비해 대부분의 MEMS 센서는 디지털 필터링, 뛰어난 선형성, 가벼운 무게, 작은 크기라는 장점을 제공합니다.

그 다음으로는 1축 센서와 3축 센서 중에 선택을 해야 합니다. 표 1은 두 가지 일반적인 예인 ADXL357BEZ-RL 3축 가속도계와 ADXL1002BCPZ-RL7 1축 가속도계의 차이점을 보여줍니다.

표 1: 1축 ADXL1002BCPZ-RL7 및 3축 ADXL357BEZ-RL 센서는 여러 중요한 고려 영역에 걸쳐 장단점을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 1축 센서는 대역폭이 상당히 높고 잡음이 적습니다. 그러나 3축 센서는 수직, 수평, 축 방향 진동을 포착할 수 있어 자산의 작동을 보다 상세하게 파악할 수 있습니다. 구부러진 샤프트, 편심된 로터, 베어링 문제, 코킹된 로터 등 많은 결함은 1축 센서로는 식별하기 어렵습니다.

진동 센서만으로는 모든 결함, 심지어 주로 진동과 관련된 결함을 감지할 수 없다는 점에 유의할 필요가 있습니다. 일부 시나리오에서는 1축 센서를 모터의 전류 또는 자기장 센서와 같은 다른 센서와 페어링하는 것이 최적의 솔루션일 수 있습니다. 다른 경우에는 두 개 이상의 1축 센서를 사용하는 것이 최상의 솔루션일 수 있습니다.

이러한 고려 사항의 복잡성을 고려할 때 두 가지 유형의 센서를 모두 실험해 보는 것이 좋습니다. 이를 위해 Analog Devices는 ADXL357 3축 센서 평가 기판 그리고 ADXL1002 1축 센서 평가 기판을 제공합니다.

대규모 산업 네트워크에 SPE 기반 CbM 시스템 통합

모든 CbM 시스템의 필수 요건은 클라우드에 대한 원활한 연결성을 제공하는 것입니다. 그림 4는 메시지 대기 텔레메트리 트랜스포트(MQTT) 프로토콜을 사용하여 이를 달성하는 방법을 보여줍니다. 이 경량 IIoT 메시징 프로토콜을 사용하면 최소한의 코드 풋프린트와 낮은 네트워크 대역폭으로 원격 장치들을 연결할 수 있습니다.

그림 4: SPE 기반의 CbM 아키텍처를 보여줍니다. 주요 센서 시스템 구성 요소에는 센서, 저전력 에지 프로세서, MAC-PHY가 포함됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

대부분의 칩에는 센서 및 MAC-PHY에 연결하는 데 필요한 SPI 포트가 있기 때문에 대부분의 저가형 Cortex-M4 마이크로 컨트롤러가 이 응용 분야에 적합합니다 소프트웨어 관점에서 주요 요구 사항은 MQTT 스택을 위한 충분한 메모리, 적절한 실시간 운영 체제(RTOS), 에지 분석 소프트웨어이며, 일반적으로 수십 킬로바이트의 RAM과 ROM만 필요합니다.

SPE 케이블이 기존 인프라에 도달하면 미디어 컨버터가 10BASE-T1L 신호를 표준 이더넷 케이블용 10BASE-T 프레임으로 변경할 수 있습니다. 이 변환은 물리적 형식만 변경할 뿐 이더넷 패킷은 그대로 유지되며, 여기서부터 이러한 패킷은 모든 이더넷 네트워크를 통해 전송할 수 있습니다.

결론

SPE는 원격 장비에 대한 CbM의 과제를 수월하게 해결하는 혁신적인 기술로 부상하고 있습니다. PoDL 기능은 단일 연선에서 전력과 데이터 전송을 효율적으로 결합하여 이더넷 인프라를 더 먼 거리로 확장할 수 있는 저렴한 방법을 제공합니다. 엔지니어는 MAC-PHY 인터페이스와 MEMS 센서를 신중하게 선택하면 이러한 기능을 사용하여 덜 중요한 자산에 사용하기에 충분히 비용 효율적인 소형 경량 솔루션을 배포할 수 있습니다. 이를 통해 AI 및 ML 시스템이 전례 없는 운영 인사이트를 제공하는 데 사용할 수 있는 새로운 수준의 운영 가시성을 확보할 수 있습니다.