Employee checking a cifX PC card from Hilscher.
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    블로그: 싱글 페어 이더넷 – 배치 및 특성

    제2부: 다양한 업계의 전환 경로

    센서 레벨까지 IP 기반 네트워크를 활성화하는 아이디어는 분명히 유익하지만, 문제는 SPE가 어떤 방식으로 핵심 장치 및 설비에 배치될 수 있는가 하는 것입니다. 현재 설치된 기반을 살펴보면, 현장에는 매우 다양한 필드 버스(아래 표 참조)와 센서 네트워크가 있습니다.

    필드버스전송 속도최장 거리
    공장 자동화
    AS-Interface125kbit100m
    인터버스500kBd .. 2Mbit최고 400m
    PROFIBUS DP9.6kBd .. 12 MBit100m .. 1200m
    CANopen62.5kBd .. 1 Mbit30m .. 1000m
    DeviceNet125kBd .. 500kBd100 500m
    CompoNet최대 4Mbit1500m (@93kBd)
    CC-Link최대 10Mbd100m
    IO-Link250kBd20m
    공정 자동화
    Profibus PA31.25kBd1900m
    HART1.2kBd1500 .. 3000m
    (케이블에 따라)

    센서 및 주변 장치 부문에서 현재 필드버스 기술의 거리 및 전송 속도

    이 표는 공정 및 공장 자동화에서 운영 중인 필드버스 조합을 나타낸 것입니다. 따라서, 오늘날 현장에 배치되는 속도와 거리 요구사항이 다양합니다. 이러한 요구사항은 후속 기술이 지원할 필요가 있는 규격을 정의합니다. 아울러 공정 자동화 부문의 방폭(Ex) 영역에는 본질 안전에 대한 특정 요구사항이 있습니다. ‌브라운필드 설비에서 실제 상위 계층 네트워크에 대한 연결은 다음과 같이 여러 가지 단점을 가지고 있습니다:

    • "기존" 설치와 신규 이더넷 네트워크 간의 게이트웨이 수요
    • 경우에 따라 진단 및 매개변수화 기능 부족
    • 일부 현행 네트워크의 전송 속도 및 주기 시간으로 인한 성능 제한
    • "오래된" 노하우 유지에 소요되는 유지 관리 및 지원 노력 증가
    • 멀티 벤더 구성 및 툴링을 지원하기 위한 설치 수고
    • 잠재적 수명 종료 시나리오로 인한 창고 비용 증가 및 가용성 문제

    사실, 열거된 필드버스 표준 규격이 모두 위의 목록과 같이 심각한 영향을 받는 것은 아니며, 가령 IO-Link와 같은 일부 표준은 이제 막 확장 단계에 있습니다. 다만 해당 설비에 기존 기술을 사용하는 정도에 따라, 업계 내의 대응 조치와 시장 압력에 대한 요구가 다른 것은 분명합니다.

    Hilscher는 2021년경부터 공정 자동화 부문에서 SPE를 조기에 채택 및 투입할 것으로 예상합니다. 그 이유는 해당 설비들이 디지털 비즈니스 모델을 지원하는 확장에 당장 필요하지 않은 HART, PROFIBUS PA 및 동종 필드버스에 기반한 것이기 때문입니다. NAMUR 협회, 특히 FieldComm Group은 PROFIBUS International(PI) 및 ODVA와 함께 공정 자동화 산업용 APL로 전환하는 일을 강력하게 추진하고 있습니다. 이들 분야의 애플리케이션은 일반적으로 성능 및 주기 시간 요구사항이 낮으며, 네트워크를 통한 진단 및 매개변수화의 투입이 공장 자동화 응용분야 수준까지는 아직 진행되지 않았습니다. 반면, 공장 자동화 분야에서는 SPE 현장 배치에 시간이 조금 더 걸릴 수 있습니다. ODVA, IO-Link 그룹을 포함한 PI 등의 협회 조직은 SPE를 해당 표준에 통합하여 포지셔닝과 애플리케이션의 이점을 평가하는 활동을 개시했습니다. 이와 동시에, 상이한 설치용 플러그, 커넥터 및 케이블을 제안하는 매우 활동적인 두 그룹이 있습니다. 이렇듯 매우 생산적인 이니셔티브와 이들이 다루는 수많은 공개 질문들을 감안할 때, 공장 자동화 분야의 현장 배치는 2024년경에 시작될 것으로 보입니다.

    결론적으로 상태, 진단 및 매개변수화 측면에서 장비가 여전히 상위 계층에 투명하지 않은 제조업 분야는 시스템 성능이 전반적으로 부족할 뿐만 아니라 기계 가동시간 증가, 가용성, 예측 유지보수 등 디지털화의 장점이 실현되지 않을 것으로 봅니다. 따라서, 가능한 한 빠른 대응과 진전을 이루어야 한다는 압력이 공정 산업계에서 한층 더 높아질 것으로 예상됩니다.

     

    싱글 페어 이더넷 개관

    기본 아이디어가 비교적 단순하고 잠재적 이점도 무척 분명해 보이는 까닭에, 사람들이 왜 싱글 트위스트 페어 방식으로 진작부터 이동하지 않았을까 하는 의문이 생길 수 있습니다. 그러나 기존 이더넷 네트워크에 대한 변경은 케이블 교체 정도가 아닌 만큼 그렇게 간단하지 않습니다. 뿐만 아니라, 상이한 업계에서 기대하는 이점을 구현하려면 수많은 요구사항을 추가해야 합니다.

    상이한 물리 계층

    업계에서 가장 많이 배치되고 채택된 표준인 현행 산업용 이더넷 10Base-T/100Base-TX는 단방향 데이터 송수신을 위해 2개의 트위스트 페어 케이블을 사용합니다. 따라서, 이를 위한 변경에는, 싱글 페어 이더넷이 동일한 트위스트 페어를 통해 송수신하므로, 상이한 물리 계층뿐만 아니라 상이한 커플링 및 트랜스듀서가 필요합니다.

    다양한 SPE 관련 요구사항
    장거리 전송

    특히 산업 자동화의 대상인 센서, 액추에이터 및 기타 주변 장치 등의 경우, 이들 장치간 케이블 길이가 훨씬 더 연장되어야 합니다. 따라서 오늘날 100Base-TX에서 가용 거리로 지정된 100m에 비해, 스테이션 간의 케이블 거리를 최대 1000m까지 연장해야 한다는 요구가 강력하게 대두되고 있습니다.

    본질 안전

    또 다른 측면은 공정 자동화 분야에서 비롯된 것입니다. 장거리 요구사항 외에도, 방폭(Ex) 및 위험 지역을 지원하기 위해, 본질적으로 안전한 전송이 필요합니다.

    송전

    수많은 실제 센서 통신 필드버스에서, 통신 케이블을 통한 송전이 가능합니다. 따라서, 싱글 트위스트 페어 케이블은 또한 원격 센서와 액추에이터에 대한 전원 공급에 필요한 전력도 운반할 필요가 있습니다.

    애플리케이션별 대역폭 수요

    10Mbit 전송 속도로 대역폭 수요를 충분히 감당할 수 있는 필드 레벨 장치 및 센서 다음으로, SPE를 더 높은 대역폭의 애플리케이션으로 출시하는 것이 아이디어였습니다. ‌따라서, IEEE는 또한 물리 계층을 포함한 비젼, 모션 또는 HMI에 적합한 표준을 정의했습니다.

    IEEE 표준화 및 관련 애플리케이션

    이러한 모든 요구사항과 입력은 다음 표에 표시한 바와 같이 다양한 전송 속도에서 몇 가지 SPE IEEE 표준으로 귀결되었습니다:

    IEEE 표준PHY 표준전송 속도케이블 대역폭케이블 길이애플리케이션
    IEEE802.3 cg10Base-T1L10Mbit20MHz1000m
    (STP)    		센서, 액추에이터 및 주변 기기, 기계 제어, 열차 및 버스 네트워크, 건물 자동화
    10Base-T1S10Mbit20MHz15m (UTP)
    25m (STP)    		캐비닛 설치 (PoDL 없음) 반이중
    APL10Mbit 1000m
    (STP)    		본질 안전 및 Ex 장비
    IEEE802.3 bw(BroadR Reach)100Mbit166MHz15m (UTP)
    40m (STP)    		자동차
    IEEE802.3 bp 1000Mbit600MHz15m (UTP)
    40m (STP)    		HMI, IPC, 카메라, 모션 및 로봇 공학
    IEEE802.3 ch 2.5/5/10Gbit4-5 GHz15m (STP)영상 감지, IPC, HMI, 분석, 의료 시스템
    IEEE802.3 bu    데이터 라인 전원공급 (SPE용 PoDL, 최대 60W 전원공급

    다양한 SPE 관련 표준 개요

    표 "다양한 SPE 관련 표준 개요"는 각종 센서, 액추에이터 및 주변 기기 애플리케이션의 다양한 니즈와 요건을 반영하여, 10Mbit 싱글 페어 이더넷 표준 IEEE 802.3cg에 대한 세 가지 정의로 구분되어 있습니다. 10Base-T1L은 점대점 연결에서 최장 1000m 길이의 케이블을 허용하고, 실제 설치에 매우 적합하기 때문에 센서 요구사항에 최적입니다.

    물리 계층 정의 측면에서, APL은 T1L과 완전히 동일하지만, 경우에 따라 방폭(Ex)영역에서 본질적으로 안전한 전송을 위한 컴포넌트가 추가됩니다. 10Base-T1은 T1L과는 반대로 케이블 길이가 훨씬 짧으며, 소위 PLCA(물리 계층 충돌 방지)라는 상이한 PHY 계층을 수반한 멀티 드롭 설정이 가능합니다. 멀티 드롭(Multi-drop)은 예컨대 캐비닛 설치 또는 여타의 단거리 응용분야에 안성맞춤입니다. 두 시스템 모두 그림 및 다음 표에 표시된 바와 같이 상이한 물리 계층을 필요로 합니다:

     

    10Base-T1S

    10Base-T1L

    전송 속도12.5MBit7.5MBit
     반이중 멀티드롭전이중
      반향 제거
    라인 코딩DMEPAM-3
    시그널 코딩4B5B4B3T
    전압1Vpp1Vpp (2.4Vpp)

     

    PHY connection to upper layer host system

    Although the physical layer differs to some details, that connection to the upper layers is the same. The IEEE has taken effort to make sure that any actual system with a MAC and an MII connection can interface to the actual new PHY so that the major change remains in only one OSI layer. The following picture shows the set-up:

    System set-up of a point-to-point connection with power distribution

    On top of this, the 802.3bu standard has defined a standardized transmission of power over the data line and it is capable to transmit up to 50W to the single endpoint. This feature allows backward compatibility to several existing sensor network standards that also power the connected sensor from a central power controller. The set-up in SPE is as follows:

      본 시스템은 케이블을 통해 에너지를 공급하기 위해 전원공급장비(PSE)가 필요합니다. 지정된 전원에 연결되는 세 가지 상이한 전압이 정의됩니다. 수신기 측에서, 위의 경우 전원 장치(PD)는 48V에서 최대 50W를 점대점 T1L 연결로 전송할 수 있습니다. 24V의 경우에는 규정 PSE를 적용해도 최대 10W 입니다. 이 시스템은 공정 자동화 네트워크의 트렁크 및 스퍼 토폴로지와 대부분 호환됩니다.

      싱글 페어 이더넷의 표준화는 현 시점에서 산업 자동화 요구사항의 요건을 충족하는 데 매우 적합합니다. 물리 계층 기술은 자동차 산업에서 이미 다양한 방식으로 사용되고 있기 때문에, 업계 사용자가 시스템 구현에 착수할 때 이미 현장에서 검증된 물리 기술을 적용할 수 있습니다. 하지만, 특히 공장 자동화 환경에서 SPE를 실제로 이더넷 표준에 포함하기에는 아직 갈 길이 멉니다. 시스템 설치 관점에서, 개별 센서에 하나의 IP 네트워크를 적용한 덕분에, 벤더 독립적인 도구 환경을 써서 실무 현장에서 센서를 구성하고 유지 관리할 수 있습니다. 시스템 설치 관점에서, 개별 센서에 하나의 IP 네트워크를 적용한 덕분에, 벤더 독립적인 도구 환경을 써서 실무 현장에서 센서를 구성하고 유지 관리할 수 있습니다.

      관련 링크
      백서: 싱글 페어 이더넷 - 센서 및 주변 장치에 대한 클라우드 접속 강화

      닐스 트랍(Niels Trapp)이 내놓은 당사의 백서에서 SPE에 대해 자세히 알아보세요! 다운로드 링크를 클릭하세요.

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      Employee checking a cifX PC card from Hilscher.
      블로그: 싱글 페어 이더넷 – 다양한 시나리오에서 시스템 채택

      SPE 관련 블로그 시리즈 제3부: 공장 자동화 네트워크는 이미 대부분 이더넷 표준을 기반으로 구축되고 있습니다. 하지만, 프로세스 자동화 분야에서 이더넷의 채택은 아직도 진행 중입니다. SPE는 이들 두 산업 분야에 어떤 영향을 미칠까요?

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      Two Hilscher employees looking at a tablet
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