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산업 자동화의 PoE(이더넷을 통한 전력 공급)

작성자: Jody Muelaner

Digi-Key 북미 편집자 제공

이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 연결 시스템은 IEEE 802.3 표준에 의해 정의되어 있으며 단일의 일체형 이더넷 케이블을 사용하여 기계 부품에 데이터와 전기 전력을 모두 공급할 수 있는 간편한 방법을 제공합니다. PoE에 대한 소개와 구조에 대한 기본 사항은 2013 Digi-Key 기사 이더넷을 통한 전력 공급 소개를 참조하십시오.

오늘날 PoE에 대해 3가지 표준 하위 분류가 있습니다.

  • PoE 대안 B는 데이터와 전력을 운반하는 데 별도의 전선을 사용합니다. 보다 구체적으로, 이 PoE 하위 분류는 4개 연선(2개는 데이터 운반용, 2개는 전력 운반용)을 포함하는 Cat-5 이더넷 케이블의 사용을 지정합니다. 따라서 PoE 대안 B 방식은 기가비트 이더넷용 케이블이 사용되는 경우에도 최대 100Mbps(100BASE-TX)의 데이터 전송율까지만 지원할 수 있습니다.
  • 대안 A도 100Mbps의 데이터 전송율로 제한되지만 동일한 2개 연선을 사용하여 데이터와 전력을 모두 운반합니다. 즉 PoE 대안 A 방식은 2개 연선과 전체 Cat-5 4연선 케이블을 포함하는 이더넷 케이블과 호환이 가능합니다.
  • 4PPoE는 모두 4개 연선을 사용하여 전력을 전송하며 따라서 더 높은 전류를 제공할 수 있습니다. 이 연선은 또한 기가비트 이더넷의 최고 데이터 전송율 및 그 이상으로 데이터를 운반할 수 있습니다.

PoE(이더넷을 통한 전력 공급) 설치에 대한 한 배선 변형 구성도그림 1: PoE(이더넷을 통한 전력 공급) 설치에 대한 한 배선 변형 구성도. (이미지 출처: Design World)

종종 이러한 3개 주요 표준은 간단히 모드 A, 모드 B, 4연선 PoE로 참조됩니다. 각 모드에 대해 핀을 다양하게 구성할 수 있습니다. 그러나 변형에 관계없이 전력 장치(PD)는 모드 A 및 모드 B 연결을 모두 수용할 수 있어야 합니다.

궁극적으로, 이는 어떤 모드가 사용되는지 결정하는(하나 또는 여러 모드를 지원할 수 있는) PoE 시스템의 전력 소싱 장비(경우에 따라 PSE로 축약됨)입니다. PD는 전동식 쌍에 걸친 저항에 따라 PoE와의 호환성을 나타낼 수 있습니다. 고정된 25kΩ 저항은 표준에 대한 일반적인 준수를 나타내며, 저항 변경을 통해 특정 공급 모드를 요청할 수 있습니다.

PoE 전력 장치(PD) 조립품에서의 Maxim MAX5969A/MAX5969B IC 설치 이미지그림 2: PoE 전력 장치(PD) 조립품에서의 MAX5969A/MAX5969B IC 설치. IEEE 802.3af/at 호환 IC는 PD에 감지 및 분류 시그니처뿐만 아니라, 유입 전류 제어 기능이 있는 분리 전력 스위치를 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

차동 신호 및 지원되는 전력 용량

이더넷 케이블은 차동 신호를 사용하는 연선을 통해 데이터를 전송합니다. 즉, 연선의 각 전선이 동일한 정보를 운반하므로 신호를 수신하는 장치가 두 전선의 전압 차이를 측정할 수 있습니다. 이러한 방식은 단순히 접지에 대해 단일 전선의 전압을 추적하는 설계에 비해 신뢰성이 매우 뛰어납니다. 케이블에 영향을 미치는 전자파 장해(EMI)를 감지하고 제거할 수 있기 때문입니다. 연선을 PoE로 사용한다는 것은 또한 케이블에 의해 운반되는 데이터 신호에 부정적 영향을 미치지 않으면서 전력을 전송하기 위해 전선 쌍의 전압을 증가시킬 수 있음을 의미합니다.

2연선 및 Cat-5 4연선 이더넷 케이블 이미지그림 3: 다양한 PoE 방식은 2연선 및 Cat-5 4연선 이더넷 케이블을 사용합니다. PoE의 주요 이점은 여러 PoE 장치를 연결하는 데 단 하나의 케이블만 설치하면 된다는 것입니다. (이미지 출처: Getty Images)

PoE 표준이 개발됨에 따라 전송 가능한 전력 크기도 증가했습니다. 이는 PoE 또는 유형에 따라 4세대로 나타낼 수 있습니다.

  • 원래 유형 1 PoE는 최대 13W(37V ~ 57V의 전압 범위)의 전력 전달을 지원합니다. 이는 일반적으로 무선 액세스 점 및 도어 액세스 패널과 같은 장치에 충분합니다.
  • 유형 2 또는 PoE+는 최대 25W(42V ~ 57V의 전압 범위)의 전력 전달을 지원합니다. 이 전력 수준에서는 보안 카메라, RFID 판독기, 경고 시스템과 같은 장치도 지원할 수 있습니다.
  • 유형 3은 최대 51W(42V ~ 57V의 전압 범위)의 전력 전달을 지원합니다. 이는 랩톱 및 제어 패널에 전력을 공급하는 데 충분합니다.
  • 유형 4는 최대 71W(41V ~ 57V의 전압 범위)의 전력 전달을 지원합니다. 이는 LED 조명에 전력을 공급하는 데 특히 유용하여 주 전원 공급 장치 없이 스마트 조명을 실현할 수 있습니다.

유형 1의 경우 최대 케이블 저항은 20Ω이지만 이후 세대 표준의 더 높은 전류로 인해 이 저항은 12.5Ω으로 제한됩니다.

PoE 설치에서 일반적으로 사용되는 네트워크 부품

PoE 네트워크를 구성하는 데 사용되는 장치에는 다음이 포함됩니다.

  • PoE 스위치 - 해당 포트에 PoE를 제공하는 네트워크 스위치. 이 장치는 확장된 PoE 네트워크(대부분의 네트워크에서 PSE로 작동)의 기본 구성요소입니다.
  • PoE 인젝터 - 전력이 공급되지 않은 이더넷 케이블에 전력을 추가합니다. 이 장치는 비 PoE 네트워크에 전력을 추가하기 위해 설계에 통합될 수 있습니다. 예를 들어, 비 PoE 네트워크 스위치를 통해 장치를 네트워크에 연결하는 시스템이 있다고 가정하겠습니다. 이더넷 케이블을 통해 이 장치에 전력을 구동하는 것이 목적이라면 설치자가 네트워크 스위치의 케이블을 PoE 인젝터에 연결한 후 인젝터에서 장치로 2차 케이블을 연결하면 됩니다. 인젝터에는 고유한 전원 공급 장치가 필요합니다.
  • PoE 스플리터 - PoE 케이블에서 전력과 데이터를 분리하여 별도의 입력을 사용하여 비 PoE 호환 장치에 전력을 공급할 수 있도록 합니다. 스플리터는 인젝터의 반대로 생각할 수 있습니다.

Phihong USA PoE 스플리터 이미지그림 4: 이 PoE 스플리터(자세한 내용은 Phihong PTM 참조)는 선별된 IEEE802.3 시스템에서 최대 45W를 제공할 수 있습니다(과전류 보호 및 과전압 보호 기능 포함). (이미지 출처: Phihong USA)

  • PoE 허브 - 본질적으로 인젝터 모음입니다. 전력이 공급되지 않은 여러 케이블이 한쪽에 연결되어 있으며 다른 쪽에 연결된 케이블에는 전력이 공급됩니다.
  • PoE 확장기 - 이더넷 네트워크가 공칭 100m 범위를 넘어 작동할 수 있도록 합니다.

PoE 예제 응용 분야

전력을 공급하고 단일 케이블을 통해 데이터를 전송하는 기능은 자동화 기능의 비용을 단순화하고 절감하기 때문에 많은 응용 분야에서 반드시 필요한 요소입니다. 실제로, PoE는 사용 가능한 전원 공급 장치가 없는 장소에서 특히 유용합니다. 또한 수반되는 전압이 낮기 때문에 PoE 케이블을 설치할 때 전기 기술자가 필요하지 않습니다. 따라서, 대안에서 추가적인 전기 소켓을 설치하는 경우 상당한 비용 절감을 나타낼 수 있습니다. PoE를 위해 시설에 이미 있는 기존 네트워크 또는 전화 케이블을 사용할 수도 있습니다.

전압이 낮기 때문에 시스템 안전도가 향상됩니다. 이는 또한 도관 및 접지 인클로저가 필요하지 않음을 의미하며, 이는 설치 비용을 더욱 감소시킵니다. 최대 전압은 안전 제한 내에 있으며 PSE는 최대 전력을 공급하기 전에 10V에서 테스트 전류를 보냅니다. 최대 전압은 PD에서 25Ω 저항이 감지되는 경우에만 인가됩니다. 이렇게 하면 연결된 장치가 손상되는 것을 방지 할 수 있습니다.

변경이 필요한 경우 이더넷 연결 장치를 변경하고 케이블을 교체하는 것은 비교적 쉽습니다. 기술자가 새 장치의 케이블을 네트워크 스위치에 연결하기만 하면 됩니다. AC 전력으로 작동하는 자동화 기계 섹션(경우에 따라 작업이 수행되는 동안 전체 자동화 플로어를 분리해야 할 수 있음)과 달리 PoE는 플러그 앤 플레이입니다. 즉, 네트워크가 계속 작동하는 동안 변경을 수행할 수 있습니다. 또한 장치 사용 데이터를 채택하여 특정 장치에 대한 전력을 손쉽게 제어할 수 있습니다. 장치의 전원을 켜고 끄는 이 기능은 전력 소비를 크게 줄일 수 있습니다.

한 PoE 응용 분야를 생각해 보겠습니다. PoE 조명 시스템은 광범위한 응용 가능성으로 점점 더 일반화되고 있습니다. 여기에는 이더넷 케이블과 스위치를 통해 연결되는 센서 및 조명 컨트롤을 포함하는 LED 조명이 사용됩니다. 한 예로 장치는 창고 시설에서 근로자의 건강, 복지 및 생산성을 향상시키기 위해 자연광주기를 모방하는 데 사용됩니다. PoE 컨트롤러에서 실행되는 동작 센서와 예측 알고리즘의 통합을 통해 빛을 가장 효율적으로 사용하여 에너지를 절약하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

PoE의 또 다른 상대적으로 새로운 응용 분야는 모터입니다. 통합 PoE 모터는 모터와 외부 동작 컨트롤러 간 전용 피드백 케이블의 필요성을 제거하므로 개별 자동화에 필요한 케이블 양을 줄일 수 있습니다. 모터 하우징에 통합된 구동기가 있는 장치에서 모터는 단일 이더넷 케이블을 통해 전력과 함께 제어 명령을 간단히 수신할 수 있습니다. 이는 설치 과정을 단순화하면서 전체 설치 실장 면적을 줄입니다.

이러한 통합 PoE 지원 모터는 이더넷 데이터 연결을 통해 동작 제어 프로그램 또는 실시간 명령을 수신할 수 있습니다.

결론

PoE(이더넷을 통한 전력 공급)는 전력 연결 및 데이터 연결을 필요로 하는 장치에 유용합니다. 이는 설치 비용을 줄이고 설계 편의성을 제공하며 분리된 전력 연결 및 데이터 연결보다 안전하고 신뢰할 수 있습니다. PoE 사용이 늘어가는 2가지 유형의 장치가 있습니다.

  • 조명과 같은 장치는 전통적으로 전력만 필요로 했지만 점점 보다 새롭고 비교적 진보된 기능을 위해 데이터 전송에 의존하는 스마트 장치로 많이 판매되고 있습니다.
  • 전기 모터와 같은 부품은 전력 연결 및 데이터 연결을 위한 경제적이고 안전하며 편리한 옵션으로 PoE의 증가된 용량을 활용하기 시작했습니다.

PoE가 산업용 사물 인터넷(IIoT) 기능을 활용하는 스마트 건물 및 기계 자동화는 물론 소비재의 핵심 기술로 급속하게 자리잡은 것은 당연합니다.

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

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner는 제재소 및 의료용 장치를 설계하고, 항공 우주 제조 시스템의 불확실성을 처리하며, 혁신적인 레이저 기기를 만들어온 엔지니어입니다. 그는 여러 동료 평가 저널과 정부 요약을 발표했으며 Rolls-Royce, SAE International 및 Airbus를 위한 기술 보고서를 작성했습니다. 그는 현재 전기 자동차 개발 프로젝트를 이끌고 있습니다(자세한 내용은 betterbicycles.org 참조). Muelaner는 또한 탈탄소 기술과 관련된 개발도 다룹니다.

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