물리적 산업 네트워크의 안전, 성능 및 신뢰성

이더넷의 장점 중 하나는 완전히 표준화되어 있어 연결이 간단하다는 것입니다. 그와 동시에 선택 가능한 부품이 부족하면 산업 환경에서의 안전, 성능 및/또는 신뢰성에 위험 및 위협이 될 수 있습니다. 제어 패널, 기계 및 장비에 들어가는 다른 전선, 케이블 및 커넥터와 마찬가지로 이더넷 케이블 연결의 동적 환경 조건에 관한 계획을 세워야 합니다. 이번 논의에서는 전자파 장해(EMI) 잡음과 같은 일반적이고 광범위한 환경 요소와 이더넷 장치 성능에 위협이 되는 잡음을 완화 및 제거하기 위한 전략 및 제품 솔루션을 검토합니다.

제어 패널 내의 EMI 관리 모범 사례

기계 제어 패널의 인클로저는 외부 잡음원으로부터 내부 회로망을 보호하는 EMI 장벽을 제공합니다. Panduit의 산업 이더넷 코드 세트는 UTP 및 STP 설치를 위한 카테고리 5e 및 6A의 산업용 연선 케이블로 구성되어 있습니다. 각 코드 세트는 UL, NEMA, IP 등급으로 가벼운 세척 및 일시적 침수 조건에도 성능 손실 없이 견딜 수 있으므로 신뢰성이 보장됩니다. 하지만 내부 회로망에서도 EMI가 생성됩니다. 인클로저 내부의 장치는 이러한 내부 EMI 생성원에 가깝고 민감하기 때문에 더욱 위험할 수 있습니다. 산업 공정 제어는 인클로저 내부에서 이루어지므로 장치가 이미 외부 EMI로부터 보호되고 있더라도 보호 조치가 추가로 필요합니다(그림 1).

그림 1: 산업 자동화 시스템 인클로저 내의 EMI 잡음 위험 (이미지 출처: Panduit)

잡음원 가까이에 민감 장치가 있기 때문에, 인클로저 내에서 EMI를 발생시키는 주요 모드는 정전 용량 및 유도 결합입니다. 두 근원을 모두 파악하면 모범 사례와 잡음 완화 제품을 지정하는 것이 어떻게 장비 신뢰도를 향상시키는지 검토하는 데 도움이 됩니다.

두 결합 모드 모두 의도되지 않은 것이며 한 전선을 통해 흐르는 전류가 해당 자기장 내에 있는 병렬 전선에서 전압을 유도할 때 발생합니다. 정전 용량 결합은 고주파 회로에서 더 문제가 되고, 유도 결합은 고전류 회로에서 더 문제가 됩니다. 생성되는 잡음의 크기는 공격을 받는 전선이 연결된 상태에서 오실로스코프를 사용하여 측정할 수 있습니다(그림 2). 중요 통신 및 제어 인프라의 작동을 유지하기 위해 EMI를 완화하는 다중 계층 접근 방식을 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 보호 계층에는 접지 및 접합 방법, 전선 분리 및 구분, 장벽 사용, 케이블 차폐, 필터 사용 등이 포함됩니다. Panduit의 PanelMax™ Shielded Wiring Duct 및 Noise Shield를 사용하여 민감한 배선을 연결 및 분리하고 잡음 방출로부터 보호할 수 있습니다. 이와 같은 이점 덕분에 더욱 근접하게 경로를 배치할 수 있으므로 산업 제어 패널 내의 중요한 공간을 확보할 수 있습니다. 차폐를 통해 최대 20dB의 잡음(EMI/RFI) 감소 또는 90%의 NVR(잡음 전압 감소) 효과를 볼 수 있으며, 이는 민감한 배선과 잡음 방출 배선 사이의 간격이 6인치일 때의 결과입니다.

그림 2: EMI 유형, 근원 및 완화 방법 (이미지 출처: Panduit)

선택된 케이블에서 사용되는 차폐 유형은 환경에서 예상되는 잡음원 및 잡음 유형과 상호 관련이 있습니다.

산업 환경의 네트워크 통신에 적합한 인프라를 선택하는 것이 중요합니다. 일반적으로 묻는 질문 중 하나는 ‘차폐 케이블 연결을 사용하는 시기와 방법’입니다. 차폐 케이블 연결은 산업 환경에서 이더넷 네트워크 케이블 연결로 유입되는 원치 않은 전파 방해를 완화하기 위해 자주 사용됩니다. 비차폐 케이블은 밸런스 연선 설계로 인해 전파 방해를 어느 정도 방지하지만 차폐 케이블과 동일한 수준의 보호를 제공하지는 못합니다. 이 ‘전기적 밸런스’ 덕분에 케이블에서 EMI의 영향을 최소화할 수 있으며 밸런스가 우수할수록 보호력도 향상됩니다. 전파 방해가 많은 산업 영역에서 차폐 케이블 연결을 사용하면 한층 더 강화된 보호 성능을 이용할 수 있습니다.

전기 잡음이란?

차폐 케이블의 주요 응용 분야는 통신 케이블 근처에 전기 잡음원이 포함된 환경입니다. 차폐 케이블과 비차폐 케이블 중 어떤 것을 사용할지 정할 때 가장 중요한 요소는 케이블이 설치되는 환경입니다. ANSI/TIA-1005-A 표준에는 MICE 등급(기계/침투/기후-화학/전자기) 시스템이 자세히 나와 있습니다. Panduit의 M.I.C.E 안내서는 분류별 전기 잡음과 같은 환경 스트레스 양을 정하기 위해 유용한 지침을 제공하는 효과적인 도구입니다.

차폐 케이블을 사용하는 이유는 다음과 같습니다.

• 회사 사양 또는 현지 요구 사항에 따른 의무 사항 - 특정 산업 내의 제조 회사와 시스템 통합자는 네트워크 케이블을 설치하기 위해 까다로운 환경에서 광범위한 노력을 기울였습니다. 알려진 ‘전기 잡음이 심한’ 환경에 관한 이러한 전문 지식은 회사 사양 및 표준으로 설명서에 가장 잘 담겨 있습니다. 일반적으로 이러한 회사에서는 설계 및 엔지니어링 설명서(모범 사례)에 특정 응용 분야에 차폐 케이블을 사용할 시기에 관한 요구 사항과 지침을 포함하고 있습니다.

  케이블 연결 인프라를 적절하게 설계하기 위해서는 전기 잡음이 심한 영역을 최대한 피하고 모범 사례(예: AC 라인 90도 교차, 차폐 케이블에서 적절하게 차폐 접지)를 따르는 등의 노력이 필요합니다.

• 인프라가 작업 설비 바닥 근처에 있고 데이터 전송이 중요한 경우 - 데이터 전송 라인이 일정 수준의 환경 스트레스에 노출된 작업 설비 바닥 근처에 있는 경우가 자주 있습니다. 엔터프라이즈급 케이블은 일반적으로 산업 응용 분야에 적합한 등급의 케이블만큼 견고하지 않습니다. 여러 유형의 화학 물질에 노출, 유체 침투, 전기 잡음 및 휨 응용 분야와 관련된 문제는 산업용 케이블을 사용하여 가장 효과적으로 해결할 수 있습니다. 설계 단계에서 적절한 케이블을 지정하면 전체 시스템의 수명과 성능이 향상됩니다.
• 동작 제어 및 고속 자동화 응용 분야 - 동작 제어 및 고속 자동화 시스템은 기본적으로 잡음이 심한 환경이므로 대부분의 동작 제어 벤더는 차폐 케이블을 요구하거나 권장합니다. 이러한 시스템은 시간이 매우 중요하며 정보의 각 패킷에 따라 영향을 받습니다. 차이가 몇 밀리초에 불과하더라도 고속 기계가 오프라인으로 전환되거나 장비에 손상을 줄 수 있습니다. 동작 제어의 전기 잡음이 매우 심한 경우 광섬유를 사용하는 것이 좋습니다.
• MICE(기계/침투/기후-화학/전자기) 수준 E₂ 또는 E₃

그림 3: E₂ 또는 E₃ MICE 수준은 잡음 전파 방해의 심각도를 나타냅니다. MICE 등급 시스템은 분류별 전기 잡음과 같은 환경 스트레스의 양을 정하기 위해 유용한 지침을 제공하는 TIA-1005 표준의 효과적인 도구입니다. MICE에 대한 자세한 내용은 Panduit MICE 웹 사이트에서 표준 또는 Panduit MICE 안내서 자료를 참조하십시오. (이미지 출처: Panduit)

EMI 및 무선 주파수 전파 방해(RFI) 형태의 전기 잡음은 산업 환경에서 흔히 발생합니다. 이러한 형태의 전기 잡음은 이더넷 네트워크 케이블 연결의 전송을 방해할 수 있습니다. 전자파 장해를 일으키는 원인에는 전기 모터, 가변 주파수 드라이브, 접촉기/계전기, 용접, 형광등, 무선 통신 등이 있습니다. 이러한 장치는 산업 환경에서 사용되며 유도, 자기 또는 정전 용량 결합을 통해 네트워크 케이블 연결에 영향을 주는 경우가 많습니다. 전기 잡음도 공통 노드 접지를 통해 전송될 수 있습니다. 하지만 이러한 원칙에 관한 해박한 지식이 없어도 잘 설계된 인프라를 개발할 수 있습니다. 공극 및/또는 분리 장벽을 통한 물리적 분리가 효과적이지만 특정 시점에서 이더넷 네트워크 케이블은 유해한 잡음에 계속 노출됩니다. 제어 시스템에서 잡음원을 확인하는 일은 어려울 수 있고 상당한 양의 테스트 장비와 시간이 필요할 수 있습니다. 따라서 실제 인프라 설계 시 모범 사례를 따르면 귀중한 시간과 리소스를 절약할 수 있으며 성능 향상도 보장됩니다. 접지 및 접합 시스템은 이더넷 통신 인프라의 필수 요소이지만 절대적인 요소는 아닙니다. 응용 분야마다 환경 잡음과 접지 상황이 다르므로 모범 사례와 경험을 통해 이해해야 합니다. 부적절한 접지 및 접합은 이더넷 패킷의 전송을 방해하는 잡음을 발생시킬 수 있습니다.

차폐 응용 분야에 대한 자세한 내용은 Panduit의 산업 환경 응용 분야 안내서를 참조하거나 Noise Mitigation for Control Panels 백서를 다운로드하십시오. MICE 지침에 대한 자세한 내용은 Panduit MICE 시작 페이지를 참조하십시오.