Industry 4.0 장비에 산업용 이더넷을 빠르고 비용효율적으로 추가하는 방법

Industry 4.0 및 산업용 사물인터넷(IIoT) 스마트 공장을 설계하려면 작고, 강력하며, 대기 시간이 짧은 저전력 자동화 및 제어 네트워크 인터페이스를 빠르게 배포할 수 있어야 합니다. PROFINET, EtherNet/IP 또는 이더넷 프로토콜 내 캡슐화된 EtherCAT 등의 프로토콜 그리고 수정된 매체 접근 제어(MAC) 레이어 사용을 통해 Industry 4.0 장비에 요구되는 대기 시간이 짧은 실시간 성능을 제공하는 산업용 이더넷(IE) 덕분에 그러한 성능 요구사항은 점차 더 많은 부분이 충족되고 있습니다.

그러나 신뢰성 높은 운영과 상호운용을 위해 필요한 IE 소프트웨어 인증을 확보하면서 유연한 IE 구현에 필요한 모든 구성품을 확보하는 것은 매우 어려운 일일 수 있습니다.

전력 효율성과 환경과 관련된 문제들도 있습니다. 예를 들어 보통 IE 네트워크는 스타 네트워크에 비해 유선 길이가 짧은 라인 또는 링 네트워크 구조를 사용합니다. 그러나 라인 네트워크와 링 네트워크의 경우, 장치마다 두 개의 이더넷 포트가 필요하기 때문에, 물리층(PHY) 소비 전력이 설계에 있어 핵심적인 사항이 됩니다.

산업 환경에서는 온도 상승이 많은 데다가 콤팩트한 솔루션이 필요하므로, 설계자가 IE 구현을 위한 소비 전력 예산을 신중하게 관리하는 것이 매우 중요합니다.

필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 이중 데이터 전송률(DDR) 메모리 그리고 이더넷 스위치에서 1.8와트를 소비하는 IE 포트(2.5와트 소비 전력 예산)를 생각해 보겠습니다. 그러면 두 PHY에서 700밀리와트(mW)를 사용할 수 있습니다.

그림 1: 이더넷 라인(가운데) 또는 링(오른쪽) 구조 내 장치마다 두 개의 PHY(왼쪽)가 필요합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

소비 전력 예산 충족이라는 어려움 이외에도, 산업용 장비는 다음과 같은 전자파 적합성/정전기 방전(EMC/ESD) 국제 전자기술 위원회(IEC) 및 유럽 표준(EN)의 표준을 준수해야 합니다.

• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-4 EFT(Electrical Fast Transient)
• IEC 61000-4-5 서지
• IEC 61000-4-6 전도 내성
• EN 55032 방사 노이즈 및 전도 노이즈

이러한 표준 관련 테스트에는 비용과 시간이 많이 듭니다. 또한, 테스트와 인증 과정에서 한 가지라도 문제가 생기면 시장 출시 시간이 연장되고 비용이 증가하게 됩니다.

참조 설계로 IE 구현 간소화

IE 구현과 관련된 많은 난관을 해결하기 위해, Analog Devices는 Chronous RapID Platform Generation 2 임베디드 참조 설계를 개발했습니다. Chronous는 많이 사용되는 IE 프로토콜에 대해 인증 및 검증된 하드웨어와 소프트웨어를 포함하는 완전한 IE 개발 환경을 제공합니다.

여기에는 두 개의 이더넷 PHY가 포함되어 라인 또는 링 토폴로지로 네트워킹된 장치 내 사용이 용이합니다. EtherCAT (EV-RPG2-ECZ), EtherNet/IP(EV-RPG2-ENZ) 및 PROFINET(EV-RPG2-PNZ)에 대해 사전 승인된 소프트웨어가 포함된 기판이 3가지 있습니다. EV-RPG2 평가 키트(그림 2)는 완전한 개발 환경을 제공하며, 다음 품목이 포함되어 있습니다.

• 인증된 프로토콜 소프트웨어와 ADIN2299 RapID Generation 2 모듈이 장착된 베이스 기판
• 범용 플러그 어댑터가 있는 벽 실장 교류(AC) 어댑터
• USB A(수) to USB micro B(수) 케이블
• 이더넷 케이블

그림 2: EV-RPG2 평가 키트에는 신속한 IE 네트워킹 장치의 배포에 필요한 모든 품목이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

EV-RPG2 개발 키트를 사용하면 설계자가 통합 전에 호스트 프로세서와 스마트 팩토리 장치(예: 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)) 간의 커뮤니케이션 경로를 빠르게 확인할 수 있습니다. 사전 테스트된 소프트웨어와 함께 사용 시, EV-RPG2는 전력 소비가 적고, 관련 IEC 및 EN 표준 충족을 위한 테스트를 완료했으며, 다양한 사용 사례를 위한 맞춤화도 가능합니다.

ADIN2299 모듈은 소형 폼 팩터에 응용 제품 내장이 가능할 뿐 아니라 전력 소비와 대기 시간이 적은 장점도 제공합니다. 사전 테스트된 완전한 솔루션으로, 애플리케이션 프로세서를 위한 산업용 프로토콜과 네트워크 트래픽을 관리하고, 필드 장치에 IE를 통합하는 과정을 가속화합니다. 여기에는 커뮤니케이션 컨트롤러, 프로토콜 스택, 플래시 메모리, RAM, 팔로워 컨트롤러와 두 개의 PHY 인터페이스뿐 아니라 EtherCAT, PROFINET real-time(RT) 또는 isochronous real-time(IRT) 및 EtherNet/IP 네트워킹에 필요한 특별한 소프트웨어도 포함되어 있습니다(그림 3).

그림 3: ADIN2299 모듈은 소형 폼 팩터에 응용 제품 내장이 가능하고 두 개의 이더넷 PHY를 제공합니다(오른쪽). (이미지 출처: Analog Devices)

ADIN2299 임베디드 IE 모듈의 PHY는 두 개의 ADIN1200, 저전력, 단일 포트 10Mbit/s 및 100Mbit/s 이더넷 트랜시버를 사용합니다. ADIN1200은 에너지 효율성이 높은 이더넷 PHY 코어, 아날로그 회로망, 입력 및 출력 클럭 버퍼링, 관리 인터페이스 및 서브 시스템 레지스터, MAC 인터페이스 및 제어 논리를 사용합니다. 이외 ADIN1200의 추가적인 특징은 다음과 같습니다.

• 10BASE-Te/100BASE-TX IEEE 802.3 준수
• 매체 독립 인터페이스(MII), 감소된 매체 독립 인터페이스(RMII) 및 감소된 기가비트 MMI(RGMII) MAC 인터페이스
  • 100BASE-TX RGMII 대기 시간: <124나노초(ns)의 송신, <250ns의 수신
  • 100BASE-TX MII 대기 시간: <52ns의 송신, <248ns의 수신
• 충족 사항
  • IEC 61000-4-4 EFT(Electrical Fast Transient)(±4킬로볼트(kV))
  • IEC 61000-4-5 서지(±4 kV)
  • IEC 61000-4-6 전도 내성
  • EN55032 방사 노이즈 및 전도 노이즈(클래스 A)
• 주위 작동 온도 범위: −40°C ~ +105°C
• 전력 소비: 139 mW(100BASE-TX at 1.8볼트)
• 5 × 5밀리미터(mm), 32-lead 리드 프레임 칩 크기 패키지(LFCSP)(그림 4)

그림 4: ADIN1200 이더넷 트랜시버는 강력하며, 5mm2 LFCSP 패키지이므로 콤팩트한 솔루션 제공이 가능합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT 등의 IE 프로토콜은 대기 시간이 짧은 자동화와 Industry 4.0에 필요한 제어 네트워크 인터페이스에 필요한 사항을 지원합니다. 상호운용성을 확보하면서도 IE 배포를 가속화하고 비용을 절감할 수 있도록 Analog Devices는 효율적인 PHY와 사전 인증된 소프트웨어를 다양하게 제공하는 참조 설계를 제공합니다.

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