스마트 PoE 스위치를 통한 산업용 이더넷 네트워킹 간소화

산업용 사물 인터넷(IIoT) 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 유선 네트워킹 프로토콜은 이더넷입니다. 따라서 이더넷 케이블은 산업 자동화 시설 어디서나 볼 수 있습니다. 이더넷은 전력을 이용할 수 있는 곳에 설치해야 하므로 이더넷 케이블(일반적으로 동일한 케이블 번들 사용)이 있는 곳에서는 거의 항상 전력선을 발견할 수 있습니다.

이더넷을 통한 전력 공급(PoE)의 등장으로 산업 자동화 시설이 크게 간소화되었습니다. 이더넷 연결과 동일한 케이블을 통해 전력을 송신하여 시설 내 배선 연결을 줄임으로써 제조 현장을 손쉽게 설정하거나 재구성할 수 있도록 해야 합니다.

이 기사에서는 PoE를 지원하는 스마트 산업용 이더넷 스위치를 사용하여 비용을 절감하면서 공장 레이아웃을 얼마나 단순화할 수 있는지 알아봅니다. 그런 다음 네트워크 연결과 동일한 이더넷 케이블을 통한 전력 공급을 모두 지원할 수 있는 Henrich Electronics의 두 가지 DIN 레일 이더넷 스위치를 소개합니다.

산업 자동화 케이블 레이아웃 단순화

대부분의 산업 자동화 시설은 쉽게 재구성할 수 있도록 설계되었습니다. 예를 들어 제조 시설의 조립 라인을 해체한 후 다른 제품을 제조하도록 설정해야 합니다. 이더넷을 PoE와 결합하면 일부 장비를 플러그 앤 플레이 방식으로 전환하여 작업 현장의 모듈성이 향상됩니다. 즉, 이더넷 케이블을 연결하면 바로 네트워크에 연결되고 전력이 공급됩니다. 그러면 케이블이 장비에 쉽게 연결되어 공장 설정이 간소화됩니다.

또한 추가 배선 비용을 절감하고 케이블을 연결하는 데 필요한 인력을 줄이면서 시설을 설계하는 시간을 절약할 수 있습니다. 또한 네트워크에서 PoE 종단점 또는 구동 장치(PD)마다 하나의 중앙 전원을 제공하여 PoE는 단일 유지 보수 지점을 구축합니다. PoE 지원 스위치 또는 허브는 PoE를 카메라, 콤팩트 제어 패널 및 일부 공장 장비(밸브, 도어 등)에 적절하게 만들어 각 PD에 최대 90W의 전력을 안전하게 공급할 수 있습니다.

또한 PoE는 추가 배선을 위한 공간을 확보합니다. 산업 시설의 케이블 번들은 대부분 발열 문제로 인해 총 케이블 수가 약 24개로 제한됩니다. 동일한 번들 내의 케이블은 일반적으로 케이블을 서로 강력하게 연결해 주는 고강도 연선 타이를 사용하여 함께 고정됩니다. 따라서 번들 내의 모든 케이블이 열을 함께 가두어 전체 케이블 번들의 온도가 상승합니다. 이를 “온도 상승”이라고 합니다. 온도와 함께 저항이 증가하므로 온도가 상승하면 발열로 인해 전력 및 신호 손실이 발생하여 번들 내 각 케이블의 전력 효율이 감소합니다. PoE는 산업 자동화에 사용되는 많은 전력 케이블을 제거하여 번들 내 케이블 수를 줄임으로써 발열을 줄이고 이더넷 연선의 신호 저하를 방지합니다. 따라서 장비에 대한 전력 운반 효율도 향상됩니다.

현재 세 가지 표준 Cat5e 이더넷 배선을 통한 PoE 공급 표준이 있습니다. 802.3af는 전원 장비에서 최대 15.4W의 DC 전력을 각 PD에 공급하고, 802.3at(PoE+)는 최대 25.5W의 전력을 공급하고, 마지막으로 802.3bt(PoE++) 표준은 표준 Cat5e 이더넷 배선을 통해 최대 60W의 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 802.3bt는 더 두꺼운 게이지 전선을 통해 전력을 공급하는 Cat6 또는 Cat6a 배선을 사용하여 최대 90W의 전력을 지원할 수 있습니다. 각 표준은 이전 버전과 호환이 가능합니다.

새로운 산업 자동화 시설에 이더넷 및 PoE 추가

새로운 네트워크를 구축할 때 PoE를 추가하는 가장 쉬운 방법은 PoE를 지원하는 이더넷 스위치를 통합하는 것입니다. 간편하게 Henrich Electronics HES5A-4E60-VL DIN 레일 5포트 비관리형 PoE 이더넷 스위치를 사용할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: Henrich Electronics HES5A-4E60 이더넷 스위치는 5개의 이더넷 포트를 제공하며, 그중 네 개는 802.3bt PoE++를 지원합니다. (이미지 출처: Henrich Electronics)

Henrich Electronics HES5A-4E60 비관리형 이더넷 스위치는 표준 DIN 레일 또는 패널에 실장되며, 92mm x 116mm x 67.2mm의 콤팩트한 크기로 공간 제약이 있는 설치에 적합합니다. HES5A-4E60-VL은 전면 패널에 5개의 이더넷 포트가 있습니다. 하나는 표준 10/100Base-T 포트이고 나머지 네 개는 각 PD에 최대 60W의 전력을 공급할 수 있는 이더넷 PoE++ 포트입니다. Cat6/a 배선을 사용하여 HES5A-4E60-VL은 최대 90W를 공급할 수 있으며, IP40 등급으로 -40°C ~ +60°C 이상에서 작동 가능하므로 대부분의 산업 자동화 시설에 적합합니다.

또한 HES5A-4E60-VL은 이전 PoE 표준 802.3af(종단점당 15.4W 지원) 및 802.3at(종단점당 25.5W 지원)와 하위 호환성이 있습니다.

케이블을 네 PoE++ 이더넷 포트 중 하나에 연결하면 HES5A-4E60-VL이 PD를 통해 짧은 PoE 핸드셰이킹 프로토콜을 시작합니다. 이 핸드셰이킹에 따라 종단점에 PoE 전력이 필요한지 여부와 그럴 경우 종단점에서 얼마나 많은 전력을 요청하는지 결정됩니다. 따라서 PoE 스위치에서 이더넷 종단점에 요청된 전력을 안전하고 효과적으로 적용하고, 이더넷 케이블이 분리되거나 종단점에서 응답이 중단될 경우 PD에서 전력을 안전하게 분리할 수 있습니다. PD가 제대로 구동되는 경우 스위치에서 해당 PoE 포트에 대한 LED 표시등이 켜져서 포트가 전력을 수신 중임을 나타냅니다. 이 표시등은 전력 문제를 진단하는 데에도 도움이 됩니다. 예를 들어 PD가 작동하지 않고 해당 PoE 표시등이 꺼지면 케이블이 손상 또는 분리되거나 종단점에서 PoE 핸드셰이킹이 제대로 완료되지 않은 것을 나타냅니다.

HES5A-4E60-VL은 비관리형 스위치, 즉 플러그 앤 플레이 스위치입니다. 이더넷 케이블을 5개 포트 중 하나에 연결하면 스위치가 종단점의 이더넷 MAC 주소를 요청합니다. HES5A-4E60-VL에는 알려진 MAC 항목을 IP 주소에 저장하기 위한 1,024항목 MAC 테이블이 있습니다. MAC이 MAC 테이블에 없으면 새 IP 주소가 할당됩니다. MAC 주소가 테이블에 있으면 MAC 테이블 항목에서 IP 주소를 읽은 다음 종단점에 할당합니다. 어떤 식으로든 스위치를 구성하거나 관리할 필요가 없습니다.

정교한 산업 자동화 네트워크를 위해 Henrich Electronics는 HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN 레일 6포트 관리형 PoE+ 이더넷 스위치를 제공합니다(그림 2). 이 IP30 등급 이더넷 스위치는 -40°C ~ +75°C의 넓은 범위에 대해 작동 온도가 지정되어 있으므로 사람이 장시간 노출되면 안 될 정도의 극한 온도에 도달할 수 있는 건조하고 먼지가 없는 산업 환경에 적합합니다.

또한 4,096항목 MAC 테이블이 있고 10/100/1000Base-T를 지원하여 최신 기가비트 이더넷 표준과 호환되며, 각 PD에 대해 최대 30W의 전력을 지원합니다.

그림 2: Henrich Electronics HES6GM-4E-2SFP-VLW DIN 레일 이더넷 스위치에는 6개의 이더넷 포트가 있으며, 그중 4개는 PoE+를 지원합니다. 웹 브라우저에서 스위치를 구성하여 다양한 작동에 대한 경보 및 경고를 설정할 수 있습니다. (이미지 출처: Henrich Electronics)

HES6GM-4E 계열은 DIN 레일 또는 패널에 실장될 수 있습니다. 이 계열은 관리형 스위치입니다. 즉, HES5A-4E60과 같이 완벽한 플러그 앤 플레이 방식으로 작동하거나, 이더넷 포트에 연결된 PC에서 웹 브라우저를 사용하여 구성할 수 있습니다. 보안을 통해 최대 10개의 IP 주소에 웹 브라우저 인터페이스에 대한 액세스 권한을 부여할 수 있습니다. 웹 브라우저 구성 인터페이스의 다른 기능에는 보안 문제에 대한 자동 이메일 경고, DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 파라미터 설정, 포트 기반 트래픽 제어, 제한, 포트 전달, 시스템 로그 액세스 등이 있습니다. 또한 브라우저 인터페이스를 통해 4,096항목 MAC 테이블에 액세스하여 항목을 검토, 편집 또는 삭제할 수 있습니다.

열악한 산업 환경을 위한 배선

산업 환경은 극한 온도에 도달하거나 바닷물, 오일, 가솔린 등 보호되지 않은 표면을 부식시킬 수 있는 다양한 액체에 노출될 수 있습니다. 배선의 경우 뾰족한 모서리 주위로 늘어지거나 트럭이 밟고 지나다니는 등 지속적인 물리적 혹사로 인해 성능이 저하되거나 케이블 차폐가 손상될 수 있으며, 극단적인 경우 데이터와 전력을 전달하는 전기 컨덕터가 파손될 수 있습니다. 따라서 산업 환경의 혹사를 견디도록 제작된 고강도 산업 강도 케이블이 필요합니다. 또한 신호 전달과 전력 공급을 모두 처리하기 위해 PoE는 고품질 케이블이 필요합니다. 데이터와 전력을 공급하기 위해 네 개의 연선이 필요합니다. 케이블당 60W의 전력을 공급하는 데 충분한 효율로 온도 상승을 최소화하려면 전선 게이지가 24AWG보다 작지 않아야 합니다.

열악한 환경을 위해 Samtec Inc.는 RCE-01-G-13.00-D Cat5e 이더넷 케이블 조립품을 도입했습니다(그림 3). 이 13m 케이블에는 네 개의 연선이 포함되어 있습니다. 그중 두 개는 데이터용이고 나머지 두 개는 PoE 전력용입니다.

그림 3: Samtec Inc. RCE-01-G-13.00-D는 IP68 등급의 Cat5e 케이블 조립품입니다. 케이블과 RJ45 커넥터가 모두 가장 열악한 산업 환경에 견딜 수 있습니다. (이미지 출처: Samtec Inc.)

각 RJ45 수 커넥터는 공간 절약형 직사각형 설계로 고안되고 먼지와 액체를 차단하도록 봉인되어 있습니다. 커넥터에서는 제대로 삽입되면 딸칵하는 소리가 나면서 고정되는 밀어서 봉인하는 래칭 메커니즘을 사용합니다. 래치는 최소한의 힘으로 쉽게 제거할 수 있도록 설계되었습니다.

RCE-01-G-13.00-D Cat5e 케이블은 24개의 AWG 컨덕터를 사용하므로 802.3af 및 802.3at 전력 공급에 적합합니다.

결론

전력을 처리할 수 있는 이더넷 스위치의 도입으로 PoE가 더욱 간편해졌습니다. 산업 자동화 응용 분야에 적합한 PoE 이더넷 스위치를 선택하면 동일한 케이블로 전력을 안전하고 효과적으로 공급하고 네트워크를 안정적으로 연결하면서 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.