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싱글페어 이더넷(SPE; Single Pair Ethernet)에 관심이 있으십니까?

SPE는 원래 자동차 시장에서 많은 주목을 받았으나, 이제는 공장 자동화 애플리케이션 분야에서 더욱 큰 관심을 끌고 있다. 이 기술기고문에서는 SPE 기술을 파헤치고, 실제 제품 통합 사례를 살펴본다.

산업용 이더넷은 서보 드라이브 및 센서, 액추에이터와 같은 공장 현장의 필드 디바이스와 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 사이의 데이터 교환에 사용된다. (그림1 참고)

그림 1. 공장 현장에 설치된 로봇팔 생산 라인

대부분의 산업용 이더넷 네트워크는 100BASE-TX 이더넷 기술을 기반으로 하며, 2쌍(4선) CAT 5e 이더넷 케이블을 통해 100Mbs 속도로 데이터를 교환한다. 최신 산업용 이더넷 네트워크는 1000BASE-T 이더넷 기술을 기반으로 하며, 4쌍(8선) CAT 5e 이더넷 케이블을 통해 1000 Mbps 속도로 데이터를 전송한다. 100BASE-TX와 1000BASE-T 이더넷 기술은 이더넷 세그먼트 (또는 PHY) 사이 전송거리를 최대 100m까지 지원한다. 

SPE는 케이블을 통한 이더넷 프레임 전송에 단일 쌍 케이블(2 선)을 사용한다. SP는 물리 계층(PHY; physical layer)에서 기존 100- 및 1000-Mbps 산업용 이더넷 기술과 완벽하게 호환되어, 기존의 100- 및 1000-Mbps 기술을 보완한다. 이더넷 속도에 따라, SPE는 이더넷 세그먼트 사이에서 최대 1km 케이블 길이의 전송거리를 지원한다.

그림 2는 각 이더넷 기술에 필요한 케이블 쌍의 개수와 데이터 속도를 보여준다.

그림 2. 이더넷 기술 사용 측면에서 100-Mps 1,000-Mps, SPE PHY 기술의 장점 제공 

  • 동일한 케이블링 인프라에서 기존 2-와이어 통신 기술(CAN, 프로세스 필드버스[PROFIBUS], 4~20mA, 파운데이션 필드버스)의 데이터 대역폭 확대
  • 노이즈가 심한 환경에서도 프레임 체크 시퀀스로 메시지를 보호해 통신 강화
  • 암호화를 통해 메시지 페이로드 통신 보호
  • 케이블링을 줄여 신규 설치에 따른 구리 비용 및 무게 절감
  • 로봇팔과 같은 폼팩터 제약 애플리케이션에 이더넷 기술 활용

다음으로 애플리케이션 프로세서와 미디어 액세스 컨트롤러 (MAC), 이더넷 PHY 트랜시버로 구성된 산업용 이더넷 노드를 살펴보자. (그림 3 참고)

그림 3. 일반 이더넷 시스템 실행

산업용 이더넷은 지정된 데이터 교환 주기 시간 내에 프로세스 데이터 전송을 보장하기 위해 전용 MAC을 필요로 한다. TI Sitara(Tm프로세서 제품군과 같은 산업용 이더넷 프로세서는 MAC에서 멀티 프로토콜 이더넷 표준을 작동시킨다. PHY 이더넷 기술은 PHY 장치인 OSI 모형(Open Systems Interconnection model) 1계층에 유일하게 정의되어 있다. SPE 1계층의 전용 이더넷 PHY를 통해 실행된다.

전송 속도 및 범위를 나타내는 다양한 SPE 표준

산업용 이더넷은 지정된 데이터 교환 주기 시간 내에 프로세스 데이터 전송을 보장하기 위해 전용 MAC을 필요로 한다. TI의 Sitara(Tm) 프로세서 제품군과 같은 산업용 이더넷 프로세서는 MAC에서 멀티 프로토콜 이더넷 표준을 작동시킨다. PHY 이더넷 기술은 PHY 장치인 OSI 모형(Open Systems Interconnection model)의 1계층에 유일하게 정의되어 있다. SPE는 1계층의 전용 이더넷 PHY를 통해 실행된다.

  • 전송 속도 및 범위를 나타내는 다양한 SPE 표준
    ● IEEE 802.3cg - 10BASE-T: 10-Mbps 전송속도, 1,000-m 범위
    o 데이터 양이 적은 원격 센서와 액추에이터에 사용
    o 이전에는 공장의 프로세싱 및 자동화에 사용되는 4-20mA 인터페이스와 같은 아날로그 장치에 의해 처리. 기존 2-와이어 케이블 인프라 재사용 가능
    ● IEEE 802.3bw – 100BASE-T1: 100-Mbps 전송속도, 15-m 범위
    o 일반적인 데이터 교환 주기 시간이 31.25 µs - 4 ms인 센서 및 액추에이터, 서보 드라이브에 사용
    o 더 짧은 통신 거리와 로봇공학을 위한 공장 자동화 애플리케이션. 100BASE-TX 이더넷보다 짧은 범위
    o 예) 로보틱 시스템에서 팔(Arm)의 케이블링 비용 절감
    ● IEEE 802.3bp – 1000BASE-T1: 1,000-Mbps 전송속도, 40-m 범위
    o 데이터량이 많은 비전 센서에 사용 (예. IP 네트워크 카메라)
    o 1000Base-T 이더넷보다 짧은 범위의 공장 자동화 애플리케이션
    o 케이블링 비용 절감; 케이블 4쌍 대신 1쌍 필요

    그림 4는 SPE 표준별 범위 및 속도를 비교한다.

그림 4. SPE 따른 표준 이더넷 범위와 전송속도

위 그림에 제시된 모든 IEEE 802.3 표준 규격은 지점 간 통신을 지원한다. IEEE는 SPE에 다중 이더넷 PHY이 연결되는 멀티드롭 방식을 지원하는 표준을 정립 중이다.

802.3 표준용으로 개발된 PHY는 일반적으로 T1 프로토콜 중 하나를 지원하며, 802.3 표준의 이전 버전과 역호환되지 않는다. 사용자는 필요로 하는 용도에 따라 PHY 장치를 선택해야 한다. 종종 PHY 공급 업체는 제품 개발을 용이하게 하는 핀투핀 호환버전의 PHY를 제공한다.

SPE는 또한 ‘PoDL(Power over date line)/APL(Advanced physical layer)’이라 일컫는 싱글페어에서 전력과 데이터의 공존을 가능케 한다. PoDL/APL 접근 방식을 사용하면 앞서 언급한 4-20mA 인터페이스와 유사한 데이터 전송을 위해 동일한 케이블로 최대 1,000m 거리의 원격 센서 또는 액추에이터를 사용할 수 있다.

SPE는 스타 토폴로지 또는 회선 토폴로지, 허브와 스위치를 포함된 모든 구성에 사용할 수 있다.

다음은 SPE를 실행한 예다.

예시 1. 최대 1,000m의 범위의 10BASE-T1 인터페이스를 사용하는 프로세스 자동화 애플리케이션에서 데이터 속도가 낮은 센서 또는 액추에이터 장치 (그림 5 참고)

그림 5. 10BASE-T1 인터페이스를 사용하는 센서

센서와 액추에이터 장치의 데이터 속도 및 프로세싱 속도가 느리므로 MAC이 통합된 마이크로컨트롤러로 이러한 시스템을 구축할 수 있다. 센서 또는 액추에이터는 외부 10BASE-T1 이더넷 PHY를 사용한다. 이러한 디바이스들은 제어 유닛과 센서가 수 백  미터 떨어져 있는 핀투핀 애플리케이션에서 흔히 사용되며, 일반적으로 라인 토폴로지에 데이지-체인 방식으로 연결되지 않는다. 이러한 애플리케이션에는 PoDL 또는 APL을 사용할 수 있다. 예시 1의 경우, 기존 케이블 인프라를 재사용하면서 장치를 기존 4-20mA 인터페이스로 교체할 수 있다.

예시 2. 최대 15m 범위의 100BASE-T1 인터페이스를 사용하는 공장 자동화 애플리케이션에서 일반적인 데이터 속도를 갖는 서보 드라이브 또는 센서, 액추에이터 (그림 6 참고)

그림 6. 생산 라인의 서보 드라이브 센서, 액추에이터

산업용 이더넷 프로토콜(프로세스 필드넷 [PROFINET], 이더넷/IP)로 공장 자동화 네트워크를 통신하는 곳에서는 일반적으로 서보 드라이브나 센서, 액추에이터를 사용한다. 이 디바이스들은 대게 애플리케이션으로 연결할 수 있는 2개의 물리적 이더넷 포트와 1개의 호스트 포트로 구성된 3개의 포트 스위치를 갖고 있다. 이러한 장치는 더 많은 프로세싱 전력과 전용 MAC 인터페이스를 필요로 하므로 마이크로 프로세서를 사용한다.

예시 3. 미디어 컨버터 애플리케이션은 2쌍 또는 4쌍 이더넷과 SPE 사이의 컨버터 브릿지다. (그림 7 참고)

그림 7. 미디어 컨버터 예시

미디어 컨버터는 MAC없이 구축할 수 있다. 대신 T1 이더넷 PHY는 MII를 통해 2쌍 또는 4쌍 이더넷 PHY에 연속으로 연결된다. 미디어 컨버터는 프로토콜 컨버터와 같은 역할을 한다.

결론

SPE은 PHY 계층인 OSI 모형 계층 1에서 차별화된다. 계층 2(MAC)와 상위 계층은 각각의 SPE 표준의 영향을 받지 않는다. 용도에 따라 개발자는 각각 다른 데이터 속도와 범위를 고려해 PHY를 선택해야 한다. SPE를 이용해 네트워크 오퍼레이터는 기존 케이블링을 재사용하거나 신규 설치에 따른 케이블링 비용을 아낄 수 있다. PoDL이 원격 장치에 전력 공급을 가능하게 해, SPE가 아날로그 인터페이스를 패킷 기반 디지털 인터페이스로 대체할 수 있다.

 토마스 마우에르 (Thomas Mauer) TI 공장 자동화 및 컨트롤 시스템 사업부 시스템 엔지니어

 

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