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단일 쌍 이더넷을 사용하여 산업용 IoT 성능을 개선하면서 공간과 무게를 줄이는 방법

작성자: Bill Giovino

Digi-Key 북미 편집자 제공

이더넷은 견고한 성능과 입증된 신뢰성을 제공하여 산업용 사물 인터넷(IIoT) 네트워크에서 가장 널리 사용되는 유선 네트워킹 표준입니다. 또한 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)은 동일한 이더넷 케이블을 통해 센서와 IIoT 종단점에 전력을 공급하여 배선을 줄입니다. 이더넷은 승용차 부문에서도 표준이 되어 계측 제어기 통신망(CAN) 직렬 프로토콜을 대부분 대체하고 있습니다. 이더넷의 신뢰성과 높은 데이터 전송률로 인해 자율 주행 및 고급 운전자 보조 시스템(ADAS)에 많은 장점을 제공합니다.

하지만 대규모 IIoT 네트워크에서는 이더넷 케이블 번들이 너무 크고, 무겁고, 번거로워서 추가적인 보강이 필요하여 장비 무게를 줄이는 데 장애물이 될 수 있습니다. 이는 무게와 공간이 늘어나면 수용력과 주행 거리가 감소되는 자동차 응용 분야에서 특히 문제가 됩니다. 트럭, 여객 및 화물 열차, 항공기와 같은 산업 교통 응용 분야의 경우 추가적인 케이블 크기와 무게가 너무 크면 시스템 설계 보정이 필요하므로 비용이 증가하고 설치 시간이 느려질 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 제조업체에서는 데이터 회선을 통한 전력 공급(PoDL)을 지원하는 단일 쌍 이더넷(SPE) 커넥터와 케이블을 도입했습니다. SPE는 단일 연선 커넥터를 통해 고속으로 데이터를 전송하면서 전력도 공급합니다. 이 기사에서는 산업 및 교통 응용 분야에서 SPE의 장점에 대해 설명합니다. 그런 다음 Phoenix Contact의 두 SPE 커넥터와 SPE 응용 분야에 적합한 두 SPE 케이블에 대해 살펴봅니다.

SPE 대 기존 이더넷

이더넷은 상업용 LAN 및 산업용 LAN에서 가장 많이 사용되는 유선 네트워킹 표준입니다. 가장 널리 사용되는 버전은 두 개의 연선을 사용하여 데이터를 전송하는 10/100Base-T 이더넷과 네 개의 연선을 사용하는 기가비트 이더넷입니다. 산업 자동화 시스템에서 더 빠른 속도가 요구되면서 PoE를 결합한 기가비트 이더넷이 컴퓨터를 센서에 연결하는 데 널리 사용되고 있습니다. 일반적으로 24AWG 구리 전선이 연선에 사용됩니다. 8개 전선은 일반적으로 폼 테이프와 호일 실드로 덮인 산업 등급 CAT5e 케이블 안에 들어 있습니다. 대규모 산업 시설에서 수백 개의 케이블이 건물 전체를 연결하고 있는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 케이블 번들은 무겁고, 바닥 전체뿐 아니라 위 공간도 차지하며, 하니스와 번들로 벽면과 장비에 부착됩니다. 이러한 번들은 무게가 50lb 이상에 달할 수 있으므로, 케이블로 인해 추가되는 무게를 고려하지 않을 경우 케이블 지지 시스템에 부담을 주거나 케이블 지지 시스템이 파손되거나 장비가 쓰러질 수도 있습니다.

또한 기존 이더넷 케이블은 100m 길이 제한이 있습니다. 대규모 산업 시설과 건물 자동화 시스템에서는 이더넷 케이블의 길이를 연장하여 원격 센서에 연결하기 위해 리피터를 사용해야 하는 경우도 있습니다. 그러면 시스템의 복잡도가 증가하고 유지보수 지점이 늘어납니다. 이렇게 빽빽하고 무거운 케이블을 연결하는 데 걸리는 시간과 비용이 늘어나면서 대체 배선 방법이 필요해졌습니다.

SPE는 하나의 연선 케이블을 사용하여 양방향 데이터를 제공하고 전력을 송신합니다. 또한 최대 1000m의 케이블 길이를 지원하여 리피터를 사용하지 않고도 네트워크 센서를 연결할 수 있습니다. 즉, 레이아웃을 간소화하여 무게를 획기적으로 줄이고, 설치를 용이하게 함으로써 최대 전력 효율을 제공하고, 기존 이더넷에 비해 실장 면적과 설정 및 유지보수 비용을 줄입니다. 산업용 시스템에서는 차폐 재킷을 사용하여 케이블 번들이 서로 방해하는 것을 방지하면서, 비차폐 케이블도 지원합니다. 이는 시트 하부, 발판 밑과 같은 공간 제약이 있는 영역에서 경량형 케이블을 쉽게 연결할 수 있도록 하여 자동차 응용 분야에서 장점을 제공합니다. 작고 가벼운 케이블 장점에 더해 단일의 비용 효율적인 전선 쌍으로 고속 데이터를 제공하고 전력을 공급하는 SPE는 독보적이지는 않더라도 인기 있는 산업 통신 표준이 될 것입니다.

SPE 기본 사항

10Mb/s SPE의 공식 IEEE 사양은 802.3cg이며, 최대 1000m의 전이중 데이터 통신을 지원합니다.

IEEE 802.3bw는 최대 50m 케이블로 최대 100Mb/s의 전이중 데이터 통신을 지원하며, 산업 응용 분야와 일부 자동차 응용 분야에서 고속 센서를 대상으로 합니다.

IEEE 802.3bp는 최대 15m 케이블로 최대 1000Mb/s의 전이중 데이터 통신을 지원합니다. 이 케이블 길이에서 일부 산업용 센서 응용 분야에 적용되지만, 상대적으로 작은 거리에서 고속 센서 데이터를 전송해야 하는 소형 항공기 및 상업용 자동차 응용 분야와 고화질 동영상 분야에 특히 적합합니다.

현재 IEEE 802.3ch는 최대 15m의 케이블 길이로 최대 10Gbps를 지원합니다. 이 사양은 802.3bp와 비슷하지만 물리층(PHY)을 포함합니다. 주로 높은 데이터 전송률, 작은 케이블 지름, 특히 작은 무게가 매우 중요한 시스템 설계 고려 사항인 상업용 자동차 응용 분야와 산업 교통 응용 분야에 초점을 맞추고 있습니다.

PoDL 결합 SPE는 동일한 연선을 통해 이더넷 센서 또는 종단점에 전력을 공급하며, 전력 공급량은 케이블 길이와 전선 게이지에 의해 결정됩니다. 최대 길이 1000m의 14AWG 전선을 사용하여 IEEE 사양은 종단점에 60V 및 13.53W 전력을 공급할 수 있습니다.

산업용 SPE 하드웨어

산업용 SPE 연결에서는 RJ45 커넥터를 사용하지 않고 새로운 IEC 63171 T1 커넥터 표준을 사용합니다. Phoenix Contact는 산업 응용 분야를 대상으로 하는 SPE 커넥터 및 케이블 제품군을 공급합니다.

IP67 내구성이 필요한 산업용 SPE 응용 분야를 위해 Phoenix Contact는 1163793 SPE M8-2 인서트와 1412502 M8 셸(그림 1)을 함께 사용하여 실질적인 M8 연결을 제공합니다. 셸과 인서트 조립품을 결합하여 열악한 산업 환경에 적절한 IP67 보호를 제공합니다. 또한 경량형 조립품은 항공 및 교통 시스템에 적절합니다.

Phoenix Contact의 1163793 M8-2 인서트 및 1412502 M8 셸 이미지그림 1: Phoenix Contact 1163793 M8-2 인서트(왼쪽) 및 1412502 M8 셸(오른쪽)은 조립 시 IP67 보호 등급의 실질적인 SPE M8 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

커넥터 조립품은 PoDL에 4A에서 최대 72V를 공급할 수 있으며 -40°C ~ +85°C 온도 범위에 적합합니다. 따라서 실외 환경에서 IIoT 종단점 및 센서 노드에 전력을 공급하는 데 적절합니다. 인기 있는 M8 커넥터 형식을 사용하면 시스템 제조업체에서 M8 커넥터를 사용하여 기존 센서 및 장비를 SPE에 쉽게 연결할 수 있습니다. SPE 커넥터 조립품은 표준 SPE M8-2 커넥터 패턴을 D 코딩과 함께 사용하여 SPE 케이블만 커넥터 조립품에 삽입되도록 합니다.

엔터프라이즈 SPE 하드웨어

SPE는 지름이 작고 가벼운 케이블을 쉽게 연결할 수 있는 사무실 환경을 비롯한 엔터프라이즈 시스템에도 적합합니다. IP67 산업 응용 분야에서 동일한 SPE 네트워크를 사용하여 이러한 엔터프라이즈 시스템과 손쉽게 상호 작용할 수 있습니다. 일반적으로 IP20 보호 등급이 필요한 엔터프라이즈 응용 분야에 적절한 솔루션으로 Phoenix Contact 1163797 SPE 모듈식 잭이 있습니다. 이 잭은 고정 클립을 사용하여 견고한 케이블 연결을 보장하는 스루홀 납땜 IEC 63171 잭입니다(그림 2).

Phoenix Contact의 1163797 모듈식 SPE 잭 이미지그림 2: Phoenix Contact 1163797 모듈식 SPE 잭은 현재의 모든 SPE 표준과 호환되며, 최대 72V(4A 기준)를 공급하는 데 적합합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

M8-2 인서트는 잘못된 연결을 방지합니다. 이 잭은 접점 저항을 최소로 유지하는 두 개의 금 도금 구리 합금 플러그를 사용하여 PoDL에 최대 70V(4A 기준)의 전력을 공급할 수 있습니다. M8 셸은 황동에 니켈을 도금하여 내식성이 뛰어납니다.

1163797은 802.3cg/bu/bw/bp의 현재 SPE 커넥터 사양을 모두 지원합니다. 이 잭은 삽입 및 탈거 주기를 750회 이상으로 지정하여 열악한 환경을 견디도록 제작되었으며, 정격 등급은 IP20, 작동 온도 범위는 -40°C ~ +85°C, 크기는 5mm x 8.35mm x 14.2mm입니다. 따라서 케이블이 바뀔 수 있는 단일 기판 컴퓨터(SBC) 및 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)에 납땜 실장하는 데 적합합니다. 이 케이블이 유용한 경우의 예로는 제품 조립품에 따라 재구성되어야 하는 제조 시설이 있습니다.

IIoT용 SPE 케이블

짧은 SPE 연결을 위해 Phoenix Contact는 1183808 2m SPE 케이블을 제공합니다. 이 케이블은 PoDL에 최대 72V(4A 기준)의 전력을 공급하며 각 케이블 종단에 두 개의 SPE 리셉터클이 있습니다(그림 3). 기존 이더넷은 케이블 끝에 잭이 있고 종단점에 리셉터클이 있지만, SPE 하드웨어는 그 반대입니다.

케이블 재킷은 자외선(UV) 조명, 마모 및 대부분의 용제에 대한 내성이 뛰어난 폴리우레탄으로 제작되었습니다. 또한 폴리우레탄 케이블은 산업 환경에서 일반적으로 발견되는 혹사와 직사광선 및 물에 노출되어 발생하는 수축 및 균열에 대한 내성이 뛰어납니다. 이 케이블은 플라스틱 코팅 알루미늄 호일로 래핑된 주석 도금 편복선 실드를 통해 전자파 장해(EM)로부터 보호됩니다. 따라서, 특히 다른 고속 케이블과 함께 사용할 때 전기적 잡음이 심한 환경에 적합합니다.

Phoenix Contact의 1183808 SPE 케이블 이미지그림 3: Phoenix Contact 1183808 SPE 케이블은 2m 길이이며 보호 폴리우레탄 재킷을 제공합니다. 또한 EMI로부터 차폐되며 최대 1000Mb/s 데이터 전송률을 지원합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

케이블 리셉터클 접점은 구리 합금이고 802.3cg 준수 10Mb/s 데이터 전송과 100Mb/s 802.3bw 속도를 지원합니다. 최고 전송 속도는 802.3bp 1000Mb/s이며, 센서뿐 아니라 고화질(HD) 영상 감시 장비에도 적합합니다.

케이블 재킷은 물 및 먼지로부터 보호되고 UL94V0 난연성을 지원하지만, 케이블 조립품은 케이블 종단 커넥터로 인해 IP20 등급입니다. 각 커넥터에는 케이블을 잭 종단점에 안전하게 연결하기 위한 고정 클립이 있습니다. 이 고정 메커니즘은 분주한 환경에서 실수로 탈거되는 것을 방지하기 위한 SPE 커넥터 표준의 일부입니다. 이 케이블은 -40°C ~ +85°C 작동 온도에 적합하며 최대 750회의 삽입 및 탈거 주기를 지원합니다. 또한 패치 패널을 통한 실내 사용과 IIoT 센서와 SPE 접속함 사이의 연결에 적합합니다.

긴 케이블이 필요한 응용 분야를 위해 Phoenix Contact는 1183808과 동일한 사양의 1183811 5m SPE 케이블을 제공합니다.

결론

IIoT, 자동차, 엔터프라이즈 등과 같은 응용 분야에서 SPE로 전환하면 설계자가 비용을 절감하면서 더 가볍고, 더 작고, 사용하기 쉬운 고속 연결 솔루션에 대한 필요성을 충족할 수 있습니다. 하지만 설계자는 물리적으로 열악하고 전기적 잡음이 심한 환경에서 안정적인 연결을 보장하기 위해 SPE 기반 네트워크를 배포할 경우 사용할 커넥터와 케이블을 주의해서 선택해야 합니다.

위에서 살펴본 바와 같이 IP20 등급 엔터프라이즈 시스템에서 실제 M8 SPE 커넥터로 IP67 산업용 제어 시스템에 손쉽게 연결하여 두 환경 모두에서 원활한 연결과 전력 공급을 제공할 수 있는 다양한 커넥터가 출시되어 있습니다. PoDL의 기능을 강화한 SPE 연결을 사용하면 추가 배선을 연결하지 않고 매우 간단하게 배포하여 엔터프라이즈 환경과 산업용 환경 모두에서 IIoT 종단점에 전력과 데이터를 모두 쉽게 공급할 수 있습니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Bill Giovino

Bill Giovino는 시러큐스 대학(Syracuse University)에서 전자 공학 학위를 취득한 전자 엔지니어이며, 설계 엔지니어링에서 현장 애플리케이션 엔지니어링은 물론 기술 마케팅에 이르기까지 바로 투입 가능한 몇 안 되는 실력자 중 하나입니다.

Bill은 25년 이상 STMicroelectronics, Intel, Maxim Integrated를 비롯한 다양한 회사의 기술 및 비기술 담당자를 대상으로 신기술을 홍보해 왔습니다. STMicroelectronics 재직 중 Bill은 마이크로 컨트롤러 업계에서 회사의 초기 입지를 다지는 데 공헌했습니다. Infineon에서는 미국 자동차 업계에서 회사 최초로 마이크로 컨트롤러 설계를 성공으로 이끌어 내는 역할을 했습니다. Bill은 직접 설립한 CPU Technologies의 마케팅 컨설턴트로 일하면서, 많은 업체들이 실적이 저조한 제품의 실적을 개선하는 데 도움을 주고 있습니다.

Bill은 최초의 전체 TCP/IP 스택을 마이크로 컨트롤러에 배치하는 것을 비롯하여 사물 인터넷을 조기에 수용한 바 있습니다. Bill은 '교육을 통한 판매'라는 메시지와 온라인을 통한 제품 홍보에 있어 커져 가는 명확하고 분명한 의사 소통의 중요성 전달에 전념하고 있습니다. Bill은 LinkedIn의 인기 그룹인 Semiconductor Sales & Marketing Group의 중재자이며, B2E에 유창합니다.

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Digi-Key 북미 편집자