산업용 USB-C 케이블을 사용하여 상호 운용성을 보장하고 비용을 낮추며 신뢰성을 향상시키는 방법

산업 시설은 디지털 전자기기 상호 연결과 사물 인터넷(IoT) 노드 네트워킹을 포함한 점점 복잡해지는 배선망입니다. 디지털 네트워킹은 이더넷, BACnet과 같은 유선 프로토콜과 Wi-Fi, Bluetooth와 같은 무선 네트워킹 프로토콜을 사용하여 표준화가 이루어졌지만 단일 기판 컴퓨터(SBC)나 프로그래밍 가능 논리 제어 장치(PLC)와 같은 제어 컴퓨터와 센서 또는 액추에이터 같은 주변 장치 간 디지털 상호 연결은 매우 다양합니다.

더욱 혼란스러운 점은 상호 연결에는 비슷해 보이지만 전혀 호환되지 않는 다양한 케이블, 커넥터와 핀아웃을 사용한다는 것입니다.

시스템 설계자는 이러한 비호환성을 줄이고 상호 운용성을 보장해야 합니다. 또한 열악한 산업 환경 속에서도 비용을 절감하고 시스템 조립을 가속화하며 신뢰성을 향상시켜야 합니다. 이를 위한 한 가지 방법은 IP67 또는 IP68 등급 USB-C 케이블 조립품을 표준화하는 것입니다. 이를 통해 다양한 장비에서 케이블 조립품 호환성이 향상되어 기술자가 훨씬 편해질 수 있습니다.

이 글에서는 산업 응용 분야의 디지털 상호 연결 문제점과 간단한 디지털 상호 연결을 위해 USB-C 케이블 및 커넥터를 표준화하는 것이 어떻게 이러한 많은 문제들을 해결할 수 있는지에 대해 설명합니다. 그런 다음 PEI-Genesis, Amphenol LTW, 및 Bulgin의 IP67 등급 준수를 포함하여 고유한 특성을 가진 다양한 USB-C 커넥터와 케이블 조립품을 소개하고 컴퓨터-센서/액추에이터 응용 분야를 위해 보편적이고 안정적이며 강력한 연결을 제공할 수 있는 방법에 대해 논의합니다.

산업 자동화의 디지털 상호 연결

산업용 장비는 SBC, PLC 또는 노트북 등의 제어 컴퓨터에 의해 관리됩니다. 제어 컴퓨터는 넓은 의미에서 센서로 정의될 수 있는 장비에 필요한 주변 장치에 연결됩니다. 여기에는 스위치, 광 센서 및 환경 센서, 액추에이터(예: 모터, 솔레노이드 또는 조명)가 포함됩니다. 대부분의 산업용 중장비의 경우 장비 제조업체의 설계자는 케이블 끝단에 사용되는 커넥터 유형을 선택하고, 사용할 전기 프로토콜을 선택합니다. 맞춤형 산업용 제어를 위해 엔지니어와 기술자가 컴퓨터, 액추에이터, 센서, 커넥터 및 케이블을 선택하고 설치합니다. 커넥터 유형과 전기 프로토콜을 선택한 후에는, 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 수리 프로세스가 없이는 이를 바꿀 수 없습니다. 따라서 산업 운영을 계획할 때는 설계 프로세스 초기에 센서와 액추에이터에 어떤 유형의 디지털 상호 연결을 사용할지 결정하는 것이 중요합니다. 상호 연결된 디지털 시스템을 광범위하게 사용하는 다른 모든 시스템과 마찬가지로, 운영의 규모가 클수록 케이블을 포함한 장비를 표준화함으로써 더 많은 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

장비를 설정하거나 재구성할 때 기술자에게는 호환되는 커넥터 단자와 함께 즉시 사용이 가능한 적절한 케이블이 있어야 합니다. 언뜻 보기에는 전기적으로 호환되지 않는 두 개의 케이블 조립품이 똑같아 보이거나 거의 맞을 것처럼 보이지만 실제로는 맞지 않습니다. 이러한 불분명한 호환성은 기술자를 방해하고 시스템 배치를 지연시킬 수 있습니다. 적절한 케이블을 사용하더라도 케이블의 비가역 키 커넥터를 장비에 올바르게 맞추어 단단히 연결되도록 하려면 여러 번 시도해야 할 수도 있습니다. 조도가 낮은 환경이나 배치 속도가 필수적인 환경에서 케이블 조립품을 하나로 표준화하면 시스템 간의 상호 운용성을 보장하고 연결에 실패하는 일도 줄일 수 있습니다. 또한 케이블 조립품을 대량으로 구매할 수 있어 시간뿐만 아니라 비용도 절약할 수 있습니다.

디지털 상호 연결을 위한 USB-C의 장점

보편적인 디지털 상호 연결 문제를 해결하기 위해 USB-C 케이블 조립품은 산업용 장비 간 대부분의 응용 분야에 적합합니다. USB-C 플러그와 리셉터클은 회전 대칭인 키리스 양면 블레이드 커넥터입니다. 따라서 한 번의 삽입으로 견고한 연결을 할 수 있어 기술자가 더 이상 키 커넥터를 올바르게 배치하기 위해 더듬거릴 필요가 없으므로 시간을 절약하고 연결에 실패하는 경우도 줄어듭니다. USB-C 케이블은 또한 센서나 액추에이터에 전원을 공급할 수 있다는 추가적인 장점이 있습니다.

산업 시설은 제어 컴퓨터와 센서 및 액추에이터 간의 대부분의 디지털 상호 연결을 위한 USB-C 케이블 연결 및 커넥터로 표준화하여 케이블 조립품 재고와 커넥터 상호 운용성을 단순화할 수 있습니다. 산업용 IP67 USB-C 케이블 및 커넥터는 내구성이 강해 열악한 산업 시설에서 흔히 볼 수 있는 열, 용매와 액체를 견딜 수 있습니다. 또한 USB-C 산업용 케이블은 전력 및 신호 손실을 최소화하고 굽힘 및 비틀림 힘에 더 잘 견디도록 제작되었습니다.

USB-C 커넥터는 USB 2.0과 USB 3.1을 지원합니다. USB-C 표준을 사용하려면 USB 3.1 포트와 케이블 조립품이 초당 480메가비트(Mbit/s)의 USB 2.0 속도와 하위 호환되어야 합니다. 이렇게 하면 USB 2.0 포트가 USB 3.1과 동일한 케이블 조립품을 사용할 수 있으므로 호환성 문제가 발생하지 않습니다. 그러나 USB 3.1은 훨씬 더 빠른 속도를 지원합니다. USB 3.1 Gen 1 케이블 조립품은 초당 최대 5기가비트(Gbit/s)를 지원하고 USB Gen 2 케이블 조립품은 최대 10Gbit/s를 지원합니다. 전송 속도를 식별하려면 끝단에 USB-C 커넥터가 있는 케이블 조립품은 USB 사양에 따라 케이블 조립품의 최대 전력과 데이터 전송 속도를 식별하는 커넥터 하우징에 내장된 E-marker 칩이 있어야 합니다. E-marker 칩의 데이터는 처음 삽입할 때 USB 호스트가 읽고 케이블의 최대 전송 속도를 USB 호스트에 알려 USB 호스트가 데이터를 적절하게 보낼 수 있도록 합니다. USB 2.0 속도만 지원하는 USB-C 케이블 조립품에는 E-marker 칩이 필요하지 않으므로 칩 데이터가 전송되지 않으면 USB 호스트가 480Mbit/s의 속도로 데이터를 전송합니다.

USB-C 표준은 5V DC에서 3A의 전력을 공급하여 최대 총 15W의 전력을 공급할 수 있습니다. 이는 일반적인 USB 케이블 조립품의 표준입니다. 하지만 USB 3.1 Gen 1 이상 사양에서는 20V에서 5A를 공급하여 100W의 전력을 공급할 수 있습니다. USB 3.1 전원 공급용으로 설계된 USB-C 케이블 조립품에는 전원 공급 용량을 식별하는 E-marker 칩이 포함되어 있어야 합니다. 그렇지 않으면 USB 호스트는 기본적으로 15W로 설정됩니다. 이는 케이블을 파괴할 수 있는 전력 과부하 상태를 방지하여 안전성을 높입니다.

여기서는 디지털 상호 연결용 USB-C 케이블 조립품 표준화에 초점을 맞추고 있지만 다음과 같은 세 가지 케이블 조립품 용량이 있다는 것을 알아두어야 합니다.

1. USB 2.0 모드: E-marker 없음, 15W 전력 및 480Mbit/s의 데이터 제공 가능
2. USB 3.1 Gen 1: E-marker, 100W의 전력 및 5Gbit/s의 데이터 제공
3. USB 3.1 Gen 2: E-marker, 100W의 전력 및 10Gbit/s의 데이터 제공

적절하게 구성된 대용량 USB-C 호스트 및 장치와 함께 낮은 용량의 USB-C 케이블을 사용하면 USB 호스트가 전력 및 데이터를 낮은 용량으로 조절합니다. 이렇게 하면 케이블의 전력 과부하를 방지하여 안전성을 높이는 동시에 호환 가능한 데이터 전송률을 보장하여 신뢰성을 높일 수 있습니다. 시설에서는 필요한 전력과 데이터 전송량을 최대로 제공하는 표준만을 사용하여 이 작업을 더욱 단순화할 수 있습니다. 산업 자동화 시설이 라이브 동영상 스트리밍과 같은 높은 데이터 작업을 하는 것이 아니라면 USB 3.1 Gen 1 케이블 조립품으로 표준화하는 것이 안전한 선택이 될 수 있습니다. 일반적으로 5Gbit/s USB 3.1 Gen 1 케이블은 제어 컴퓨터가 근처의 센서와 액추에이터에 연결하기에 충분한 최대 2미터(m)까지의 길이를 사용합니다. 10Gbit/s 데이터를 안정적으로 전송할 필요가 있다면 USB 3.1 Gen 2 케이블을 최대 1m까지 사용합니다. 더 긴 케이블로 10Gbit/s 데이터를 전송하면 신호 반사나 감쇠로 인해 케이블 길이를 따라 데이터가 손실될 수 있기 때문입니다.

USB-C 케이블 조립품

열악한 환경에서 고속 데이터를 전송하려는 설계자를 위한 견고하고 안정적인 솔루션이 많이 있습니다. 예를 들어, PEI-Genesis는 IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 케이블 조립품을 제공합니다(그림 1). 이 케이블은 길이가 1m이고 -20°C~+85°C에서 작동할 수 있어 가장 열악한 산업 환경에 적합합니다. 케이블 재킷은 내수성과 자외선(UV)에 대한 내성이 우수한 폴리염화비닐(PVC) 수지로 제작되었습니다. 상업용 재킷은 햇빛에 장시간 노출되면 금이 가거나 변색될 수 있습니다.

그림 1: Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M은 산업 응용 분야용으로 제작된 1m USB-C 케이블 조립품입니다. 잠금 너트 개스킷이 있는 커넥터는 센서 또는 액추에이터에 안전한 IP67 방수 연결을 제공합니다. 표시된 치수는 밀리미터 단위입니다. (이미지 출처: PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M의 한쪽 끝에는 스테인리스강 USB-C 플러그와 몰드 PVC 수지로 만들어진 표준 USB-C 플러그 커넥터가 있습니다. 이 끝단은 SBC 또는 PLC의 USB 호스트 커넥터에 연결됩니다. 다른 쪽 끝에는 나일론 잠금 너트와 고무 개스킷이 있는 밀폐된 몰드 플러그가 있습니다. 이를 통해 센서나 액추에이터에 견고하고 안전한 IP67 시일을 제공합니다.

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M에는 연결된 장비에 대한 용량을 식별하는 E-marker 칩이 내장되어 있습니다. E-marker 칩은 케이블 조립품의 전체 범위 -20°C~+85°C에서 작동합니다. 즉, 극한의 온도에서 장비가 켜져 있는 경우에도 케이블을 올바르게 식별할 수 있습니다.

극한 환경의 USB-C 연결

극도로 열악한 환경을 위해 Amphenol LTW는 UC30FL-NCML-SC01 USB-C 1미터 케이블 조립품을 제공합니다(그림 2). 전체 케이블이 폴리프로필렌 플라스틱(PP) 도관으로 둘러싸여 있어 충격, 절단 및 모서리 구부러짐을 방지합니다. 또한 도관은 극심한 진동 시 밀폐된 케이블을 보호합니다. 도관은 케이블의 각 끝에 붙어 있으며 제거할 수 없습니다.

그림 2: UC30FL-NCML-SC01 USB-C 케이블 조립품은 PP 도관으로 둘러싸여 있어 충격과 심한 진동으로부터 밀폐된 케이블을 보호합니다. 치수는 밀리미터 단위입니다. (이미지 출처: Amphenol LTW)

케이블 조립품의 한쪽 끝에는 USB 호스트에 연결되는 공통 USB-C 호스트 커넥터가 있습니다. 다른 쪽 끝에는 스트레인 완화 기능이 강화된 견고한 원형 커넥터가 있습니다. 밀폐된 몰드 플러그와 실리콘 개스킷이 나일론 잠금 너트로 고정되어 있습니다. 이를 통해 대부분의 화학 물질에 내성이 있는 방수 밀폐 성능을 제공합니다. 케이블과 원형 커넥터는 결합 상태와 비결합 상태에서 모두 IP67 등급으로 원형 USB-C 플러그를 환경으로부터 보호합니다.

UC30FL-NCML-SC01은 UL94V-0에 내화성이 있어 PP 케이블이 최대 10초 동안 불꽃을 견딜 수 있습니다. PP 케이블은 오일, 가솔린 및 대부분의 용매에도 내성이 있습니다. 각 플러그는 -40°C~+85°C에서 작동할 수 있으며 나일론 잠금 너트와 PP 도관은 -40°C~+115°C의 더 높은 온도를 견딜 수 있습니다. 따라서 이 케이블 조립품은 산업용 가솔린 엔진 및 발전기의 센서와 액추에이터에 연결에 특히 적합합니다.

내장된 E-marker 칩은 이 케이블을 효율 극대화를 위해 엔진 작동을 지속적으로 모니터링해야 하는 고속 가솔린 발전기에 적합한 5Gbit/s의 데이터 전송을 지원하는 것으로 인식합니다.

해양 응용 분야의 USB 센서

경우에 따라 장비용 제어 컴퓨터를 USB-A 커넥터가 아닌 USB-C 커넥터에 연결해야 할 때가 있습니다. 이를 위해서는 Bulgin의 PXP4040/C/A/2M00 USB-A to USB-C 케이블 조립품과 같은 케이블이 필요합니다(그림 3). 이 케이블은 한쪽 끝에 USB-A 플러그가 있고 다른 쪽 끝에 원형 USB-C 플러그가 있으며 -40°C~+80°C에서 작동합니다. USB-C 커넥터와 케이블은 수심 10m에 잠긴 상태에서 2주 동안 작동할 수 있습니다. 염수에도 강해 유조선, 화물선 등 산업용 기계 등의 해양 장비에 적합합니다. 케이블 조립품은 IP66 등급인 USB-A 커넥터를 제외하고 IP68 등급입니다.

그림 3: PXP4040/C/A/2M00의 한쪽 끝에는 USB-A 플러그가 있고 다른 쪽 끝에는 USB-C 플러그가 있습니다. 염수에 강하며 USB-C 플러그는 10m 수심에서 최대 2주 동안 견딜 수 있습니다. (이미지 출처: Bulgin)

또한 Bulgin PXP4040/C/A/2M00은 난연 등급이 UL94V-0입니다. 케이블 재킷은 PVC 수지로 만들어져 해양 데크 응용 분야에 적합합니다.

USB-C 케이블 셸은 폴리카보네이트-폴리부틸렌 테레프탈레이트(PC/PBT)로 제작되었으며, 이는 자동차 범퍼에 주로 사용되는 고강도 소재입니다. PC/PBT 커넥터 하우징은 내화학성이 뛰어나며 -40°C 이하의 저온에서도 강한 충격을 견딜 수 있는 충분한 유연성을 갖추고 있습니다. 강한 힘을 가해도 커넥터가 파손되지 않고 약간의 균열만 발생합니다. 이는 커넥터를 급속 냉동한 다음 망치로 두드리는 공격에도 견디며 USB 보안 센서에 대한 변조 저항을 제공합니다.

USB-C 사양에서는 한쪽 끝에 USB-A 플러그가 있는 케이블에 E-marker 칩을 내장할 수 없습니다. 이 케이블 조립품은 최대 5A를 제공하고 2m 길이에 걸쳐 최대 5Gbit/s의 데이터 속도를 지원하도록 설계되었습니다. 그러나 일부 USB-C 주변 장치에는 E-marker 칩이 없으며 기본값은 480Mbit/s로 설정되어 있습니다.

결론

산업 환경에서의 디지털 상호 연결을 위한 USB-C 케이블 조립품 표준화를 수행하면 케이블 재고 파악이 간편해지고 플러그와 리셉터클의 회전 대칭 설계로 빠르고 쉽게 연결할 수 있습니다. USB-C 케이블은 호스트 제어 컴퓨터에 대한 전력 및 데이터 전송 용량을 식별하여 데이터 손실과 위험한 전원 과부하 상태를 방지할 수 있습니다. 산업용 시스템에서 USB-C 케이블 조립품을 적절히 선택하고 사용하면 신뢰성이 향상되고 유지 보수가 줄어들어 전반적인 비용이 절감됩니다.