산업용 통신 네트워크를 위해 고속의 강화된 이더넷 커넥터 사용

산업용 사물 인터넷(IIoT) 또는 Industry 4.0을 위해서는 까다로운 환경에서 작동할 수 있는 통신 네트워크가 필요합니다. 보통 이러한 네트워크에서 가장 약점이 되는 요소는 커넥터인데, 이는 산업 환경 내 온도가 높고 청결도가 떨어지고 일반적으로 진동하는 기계가 있기 때문입니다. 이러한 모든 요소로 인해 기계 연결에 지속적인 응력이 가해지고 안정성이 약화됩니다. 현대화된 공장에서 연결 실패가 발생하는 경우 이러한 상황은 더욱 악화됩니다. 생산 불가로 막대한 손실이 야기되어 재정적인 문제가 발생할 수 있고, 안전한 연결이 구현되지 않는 경우 심각한 부상이 초래될 수도 있습니다. 따라서 표준 RJ45 커넥터를 대체할 수 있는 부품이 필요합니다.

설계자에게는 원래의 배치 위치에 관계없이 현재 산업 표준 및 침투 보호(I P) 코드를 충족하는 견고한 이더넷 커넥터가 필요합니다. 이러한 커넥터는 Cat 6A 이더넷 속도에서 초당 최대 10기가비트(Gbps)를 안정적으로 수행하고 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 지원하며 "미래에 대비한 경쟁력"을 최대한으로 갖추어야 할 뿐 아니라, 빠듯한 설계 예산으로도 활용할 수 있도록 비용 효율적이어야 합니다.

이 기사에서는 산업용 통신 시스템의 요구 사항 및 적절한 IP 수준에 대해 알아봅니다. 그 후 산업용 이더넷 커넥터의 기능이 이러한 요구 사항을 충족시키는 방법을 설명한 다음, 이에 대한 예시로 Amphenol에서 제공하는 현실적인 솔루션을 소개함으로써 엔지니어가 이를 새로운 프로젝트에 사용할 수 있는 방법에 대해 안내합니다.

산업용 네트워크 요구 사항

현대 산업은 "Industry 4.0"("제조의 디지털화")의 지원과 70년대 후반에서 80년대에 이루어진 전산화에 기반한 구축을 위해 유선 네트워킹을 널리 수용해 왔습니다. 관리자의 입장에서 Industry 4.0은 생산성 개선, 품질 향상, 비용 절감 및 안전성 개선이라는 이점을 제공합니다. 엔지니어에게는 최신 제조를 지원하는 견고한 네트워크를 구축해야만 하는 과제가 주어집니다.

가전 및 상업용 이더넷 네트워크를 위한 인프라는 일반적으로 저렴한 케이블 및 표준 RJ45 커넥터를 기반으로 하지만, 이러한 부품은 공장 응용 제품용으로는 부적합합니다. 공장의 환경은 더 열악하므로, 케이블과 커넥터의 선택에 있어 다음과 같은 응력 요인을 고려해야 합니다.

• 기계적 요인: 충격, 진동, 파쇄, 굽힘, 비틀림
• 화학적 요인: 물, 오일, 용제, 부식성 가스
• 환경적 요인: 극한의 온도, 습도, 태양광 방사
• 전기적 요인: 정전기 방전(ESD), 전자파 장해(EMI), 고전압 과도 상태

산업용 케이블 및 커넥터는 네트워크 수명 주기 전체에 걸쳐 대단히 열악한 조건을 견딜 수 있는 성능을 지녀야 합니다. 예를 들어, 케이블이 일반적인 주변 온도를 위해 지정된 제품이라면, 추후에 공장이 재정비되어 해당 케이블이 온도가 훨씬 높은 산업용 오븐 가까이에 위치하게 될 경우 이를 사용하기 어렵게 됩니다.

산업용 케이블은 높은 등급의 폴리우레탄 절연으로 제공되어 마모, 화학 물질(오일 포함) 및 화재에 대해 내성을 지닙니다. 폴리염화비닐(PVC)과 같은 절연체는 상대적으로 저렴하긴 하지만 플라스틱은 오일 및 화학 물질에 취약하여 손상되기 쉬우며 낮은 온도에서 균열이 발생할 수 있습니다.

산업용 이더넷 네트워크 구축

전기적 잡음이 별로 없는 환경에서는 비차폐 연선 케이블을 사용할 수도 있습니다. 그러나 아크 용접기 또는 스위칭 계전기, AC 구동기 또는 솔레노이드와 같은 공장 전기 장비는 비차폐 케이블에서 전파 방해와 데이터 전송 중단을 발생시킬 수 있습니다. 확실하지 않은 경우에는 엔지니어가 특별히 주의하여 차폐 케이블을 사용함으로써 추후에 비용이 많이 드는 잠재적인 시스템 오류를 방지해야 합니다. 공장의 규모가 커짐에 따라, 제어 및 전력 케이블은 이전에 이더넷 통신용으로만 사용되었던 덕트를 주로 사용하게 됩니다. 그러면 원래 비차폐 이더넷 케이블이 지정되었던 경우 데이터 손상이 발생할 수 있습니다.

호일과 구리 브레이드 모두를 사용하는 이중 차폐 설계는 데이터 손상을 방지하기 위한 가장 효율적인 솔루션입니다. 또한 차폐가 제대로 작동하도록 하려면 엔지니어는 차폐 커넥터를 사용하고 차폐의 종단을 접지 처리해야 합니다. 차폐가 종단되지 않을 경우 안테나처럼 작동하게 되므로 전파 방해 문제를 심화시킵니다.

차폐 케이블의 경우에도 신호가 전달되는 거리가 길어지면 그 성능이 저하됩니다. 솔리드 컨덕터가 포함된 케이블은 성능이 더 우수하여 최대 100m에 달하는 성능을 제공하지만, 굽힘 또는 비틀림에 의해 손상되기가 더 쉽습니다. 연선 케이블은 비틀림 및 굽힘에는 더 유연하지만, 85m가 넘는 길이로는 사용할 수 없습니다(그림1).

그림 1: 솔리드 컨덕터 이더넷 케이블의 길이는 100m 이하로 제한되어야 합니다(표준 케이블 버전은 85m 이하). (이미지 출처: Amphenol)

네트워크 구성 시, 최소 정적 굽힘 반지름은 케이블 외부 지름(OD)의 4배입니다. 이는 연선 또는 단선, 차폐 또는 비차폐 케이블에 적용됩니다. 유연성이 필요한 경우에는 단선 컨덕터 케이블을 사용해서는 안 됩니다. 연선 케이블의 견적서에는 최대 플렉스 사이클이 명시되어 있는데, 굽힘 반지름에 따라 통상 백만에서 천만 회 사이입니다.

케이블은 케이블 타이로 고정되어야 하는데, 케이블이 자유롭게 움직일 수 있도록 충분히 느슨하게 고정되어야 합니다. 너무 세게 고정하면 응력점이 생겨 컨덕터의 고장을 초래할 수 있습니다. 여러 개의 케이블을 함께 케이블 타이로 고정하는 경우에도 반드시 느슨하게 고정해야 합니다.

대부분의 커미셔닝 오류는 현장 배선으로 인해 발생하기 때문에(연선을 유지하고 차폐를 올바르게 종료하는 것은 어렵고 시간이 많이 걸리는 작업이기 때문), 출하 시 성형된 상태 그대로의 커넥터 사용이 권장됩니다.

미래형 설계

유선 네트워크에는 주요 이점(속도, 신호 무결성, 보안 등)이 있지만, 설치 및 유지 관리에 많은 비용이 듭니다. 따라서 네트워크를 지정하는 작업을 맡은 설계자는 미래 지향적인 시각으로, 이러한 인프라가 가능한 한 오래 지속되고 수리 작업이 최소화되도록 노력을 기울여야 합니다.

이더넷이 사용되는 동안 네트워크 속도는 급속도로 향상되었습니다. 앞으로 산업용 네트워크는 400Gbps 또는 심지어 초당 테라비트(Tbps)의 속도를 제공하는 광학 인프라가 지배할 것으로 예상됩니다. 최근에 사용되는 구리선 설치의 경우, 고급 연선 케이블 및 커넥터를 신중하게 선택하면 네트워크가 현재 1Gbps 속도뿐 아니라 향후 10Gbps 연결도 처리할 수 있습니다(표 1).

표 1: 이더넷 케이블 속도 및 관련 이더넷 작동 주파수(일반적으로 처리율에 비례함) (이미지 출처: DigiKey)

또한 공장 네트워크는 연결된 장비에 이더넷 케이블을 사용하여 전력을 공급하는 기술인 PoE를 활용하기 시작했습니다. PoE는 단일 표준 이더넷 인프라를 사용하면서 수십 와트의 전력을 처리합니다. 이 기술의 중앙화 특성 및 유연성으로 인해, 네트워크에 연결된 각각의 전력 장치를 위한 로컬 전력 공급 장치가 필요하지 않게 되고 어디에나 전력 장치를 배치할 수 있으며 필요에 따라 추후에 간편하게 재배치할 수도 있습니다.

개선된 유형의 PoE(PoE+로 칭함)는 연결된 장치에 최대 25.5W DC를 공급할 수 있으며, 보안 카메라와 같이 전력 소모가 큰 장비를 연결할 수 있습니다. (DigiKey의 기술 문서인 “Power-over-Ethernet Adapts to Meet Higher Demand(더 높은 요구 사항을 충족하는 이더넷을 통한 전력 공급(PoE))”을 참조하십시오.)

케이블 및 커넥터는 기계적, 화학적, 환경적, 그리고 전기적 응력에 대해 동일한 저항을 지니도록 정합되어야 할 뿐 아니라, 기능적 성능에 있어서도 정합해야 합니다. 최대 작동 특징은 네트워크 내에서 가장 성능이 낮은 부품에 의해 결정됩니다. 예를 들어 Cat 6a 케이블이 Cat 6 커넥터와 정합하는 경우, 해당 시스템의 최대 처리율은 케이블의 공칭 최대 처리율인 10Gbps가 아니라 1Gbps입니다.

산업용 네트워크를 위한 커넥터

설계자가 산업용 네트워크를 구축 할 때 케이블 선택, 라우팅 및 이더넷 주파수를 신중하게 고려하는 것은 중요하지만, 이더넷 네트워크 내에서 가장 큰 설계 과제는 커넥터입니다. 이는 설계 내에서 커넥터가 가장 약한 부품이기 때문인데, 커넥터는 물과 먼지에 대한 잠재적인 침투를 제공할 뿐 아니라 이더넷 쌍이 꼬이지 않는 짧은 부분이 있어 전기적 잡음에 더 취약합니다.

공장마다 그 환경이 상당히 다르기 때문에, 설계자는 각 커넥터가 어떤 곳에서 사용될 것인지를 고려해야 합니다. 예를 들어 IEC 표준 60529에 의해 결정되는 IP 코드는 커넥터를 형성하고 있는 기계적 케이싱 및 전기적 인클로저가 제공하는 보호의 수준을 분류합니다. 코드의 첫 자리는 고체 입자에 대한 보호 수준(0(비보호) ~ 6(방진))을, 두 번째 숫자는 액체 침투에 대한 보호 수준(0(비보호) ~ 9K(강력한 고온의 초고압수))을 나타냅니다.

청결하고 건조한 공장 환경에서 사용되는 커넥터에 해당하는 IP20 정격(손가락 및 유사한 물체에 대한 보호, 습기에 대해서는 비보호)이 많은 산업용 커넥터에서 일반적입니다. 예를 들어 Amphenol의 ix Industrial IP20 커넥터는 일반적인 RJ45보다 70% 작은 패키지로 제공되는 고속의 견고한 10접점 커넥터입니다.

커넥터 제조업체는 일반적으로 점차적으로 오염되고 습해지는 환경에서의 사용을 위해 더 높은 보호 옵션을 제공하며, Amphenol도 예외는 아닙니다. ix 산업용 IP20 라인은 표준 제품의 경우 IP20에서 비표준 제품의 경우 최대 IP67(방진, 최대 1m 깊이의 침수)까지 확장됩니다.

네트워크 설계자는 연결의 수, 특히 양쪽 종단에 수 커넥터가 있는 코드 세트의 수를 최소화하기 위해 노력해야 합니다. 이러한 코드 세트는 엔지니어가 아닌 직원이 확장하는 일이 쉽게 발생할 수 있어, 나머지 네트워크의 성능에 악영향을 미치게 됩니다. 또한 모든 고정 커넥터는 암 유형이어야 하는 것이 표준 관행입니다.

다른 제조업체와 마찬가지로 Amphenol 커넥터는 케이블용 수 폼 팩터와 고정 설치용 세 가지 유형의 암 폼 팩터로 제공됩니다(벌크 헤드용 수직 리셉터클, pc 기판 실장용 직각 수직(ND9AS1200), 및 수평(ND9BS3200) 리셉터클(그림 2)). pc 기판 실장 버전은 기판에의 간편한 납땜을 위해 표면 실장 기술(SMT) 또는 스루홀 폼 팩터로 제공됩니다.

그림 2: Amphenol의 ix 산업용 커넥터는 케이블, 벌크 헤드 및 pc 기판 응용 제품을 위한 다양한 플러그 및 리셉터클에서 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

수 버전은 개별적으로(ND9AP5200) 또는 케이블 세트(ND9ACB250A)의 일부로, 500mm ~ 2000mm의 길이로 제공됩니다.

커넥터의 품질을 알아보는 유용한 기준은 해당 커넥터가 IEC 60512 및 IEC 61076과 같은 표준의 요구 사항을 충족하는지 여부를 확인하는 것입니다. IEC 60512는 기계적 및 전기적 테스트 뿐만 아니라 전기 및 전자 장비와 함께 사용 시 커넥터가 충족해야 하는 임계값을 구체적으로 명시합니다. 이 표준은 삽입력 및 탈거력, 진동 저항 및 최대 결합 주기 수와 같은 기계적 요인뿐 아니라 접점, 차폐, 절연으로 인한 저항과 같은 전기적 요인도 포괄합니다.

Amphenol ix 산업용 커넥터는 견고하고 소형화된 이더넷 인터페이스(관련 IEC 표준 준수)를 제공하도록 설계되었으며, 표준 RJ75 커넥터와 비교하여 최대 75%의 공간이 절약됩니다. 10mm 커넥터 피치와 견고한 2점 금속 래칭을 갖춘 이 커넥터는 최대 10Gbps 이더넷 통신을 위한 Cat 6a 성능, PoE/PoE+ 기능 및 EMI 내성을 위한 360° 차폐를 제공합니다.

pc 기판 커넥터에는 고정을 위한 고강도 납땜 탭이 갖춰져 있으며, 안정적인 연결을 유지하는 동시에 충격과 진동을 견디도록 충분히 견고하여 최대 5000회의 결합 주기를 견딜 수 있습니다.

표 2와 3에서는 ix 산업용 계열의 성능과 IEC 60512 표준의 주요 측면을 자세히 살펴봅니다.

표 2: 전기적 측면에서 ix 산업용 이더넷 커넥터는 최대 1.5A의 전류를 처리할 수 있고 IEC 60512 요구 사항을 충족합니다. (이미지 출처: DigiKey)

표 3: ix 산업용 커넥터의 기계적 성능은 IEC 60512 및 60068 요구 사항을 충족합니다. (이미지 출처: DigiKey)

IEC 61076은 집중형으로, 10방향, 차폐, 비고정 및 고정 직사각형 커넥터를 커버하여 최대 500MHz의 주파수로 데이터를 전송합니다. 이 문서에서는 산업용 네트워크에 대한 환경 요구 사항뿐만 아니라 일반적인 치수, 기계적, 전기적 및 전송 특성에 대해 설명합니다.

특히 IEC 61076은 커넥터의 분극 키 및 키 홈의 위치를 결정하는 코딩을 식별합니다. A형 커넥터는 100Mbps ~ 10Gbps 이더넷 통신용으로 설계되었습니다. B형 커넥터는 신호, 직렬 또는 기타 산업용 버스 통신 시스템과 같은 기타 모든 비이더넷 응용 제품용으로 설계되었습니다(그림 3(a) 및 (b)).

그림 3: IEC 61076은 데이터 전송용 커넥터의 분극 및 키 홈을 지정합니다. A형(a)은 수신기의 오른쪽 하단에 위치한 45° 모서리를 사용합니다(결합 면에서 보았을 때). B형(b)의 경우에는 45° 절단 모서리가 수신기의 왼쪽 하단에 위치합니다. (이미지 출처: Amphenol)

결론

최신 공장에는 생산성 향상과 비용 절감을 위해 제조 과정을 디지털화하기 위한 통신 커뮤니케이션이 구축되고 있습니다. 이러한 네트워크를 구성하기 위한 커넥터와 케이블은 열악한 산업 환경을 견딜 수 있도록 견고해야 할 뿐 아니라 미래형 고속 통신 및 PoE 요구 또한 충족해야만 합니다.

이에 대한 솔루션으로 Amphenol을 비롯한 업체에서는 이러한 과제와 공장의 예산에 적합하도록 설계된 산업용 등급 케이블 및 커넥터를 제공합니다. 이러한 제품은 산업용 커넥터 표준에 부합하면서도 높은 네트워크 성능과 수명의 연장을 지원하는 기능이 포함되며 최소한의 유지 보수만이 요구됩니다. 그러나 앞서 언급된 바와 같이 설계자가 커넥터를 IIoT 또는 Industry 4.0 네트워크 설계에 올바르게 사용하려면 커넥터에 해당되는 표준 및 전기적 기계적 한계를 모두 숙지하고 있어야 합니다.