디지털 트랜스포메이션을 주도하는 SPE 기술
앤디 셰퍼(Andy Schäfer), 제품 매니저 PCB 커넥터, 피닉스컨택트(Phoenix Contact GmbH & Co. KG), 블롬베르크(Blomberg), 독일
Single Pair Ethernet(SPE)의 특성은 최신 통신 인프라에 실질적인 부가가치를 제공합니다. SPE 분야의 포괄적인 제품 포트폴리오를 갖춘 피닉스컨택트(Phoenix Contact)는 기술 솔루션과 산업 전반의 전문 지식을 제공합니다.
전통적으로 Ethernet 솔루션에는 일반적으로 두 쌍의 전선이나 4개의 전선 쌍도 사용되는 반면, SPE는 한 쌍의 전선으로 작동하며 데이터와 전원을 한 쌍의 전선으로 모두 전송할 수 있습니다.
전송 속도는 최대 전송 거리가 1,000 m인 경우 10 Mbps, 최대 거리가 40 m인 경우 1 Gbps에 이르며, 스마트 측정 트랜스듀서와 카메라 시스템을 갖춘 네트워크 센서 기술을 집중적으로 사용하는 애플리케이션과 같이 가장 까다로운 작업에도 충분합니다. 따라서 SPE는 데이터 속도, 범위 및 원활한 통신 측면에서 이전에 제한을 받았던 적용 분야에도 적합합니다.
최대 1,000 m의 연결
예를 들어, 기존 Ethernet 솔루션의 한계 중 하나는 포인트-투-포인트(point-to-point) 연결의 최대 거리가 100 m라는 것입니다. 산업용 플랜트에서와 같이 더 먼 거리를 연결해야 하는 경우 이전에는 리피터 또는 스위치를 설치해야 했는데 이는 기본적으로 유지 관리 작업이 수반되는 오류가 발생하기 쉬운 인터페이스였습니다. 반면에 SPE를 사용하면 최대 1,000 m 거리에서 10 Mbps로 하나의 케이블을 통해 장치를 연결할 수 있으며, PoDL(Power over Data Line) 기술을 옵션으로 사용할 수 있습니다. 이는 특정 fieldbus 기술도 최대 10 Mbps의 데이터 속도를 지원하는 SPE 솔루션으로 대체될 수 있다는 것을 의미합니다.
SPE는 복잡한 네트워크 토폴로지를 구현하는 데에도 적합합니다.
SPE는 10 Mbps부터 1 Gbps 범위의 전송 속도를 통해 SPE는 다양한 애플리케이션의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 확장된 성능 프레임워크를 갖춘 SPE 표준은 현재 IEEE 802.3 협회 내에서 논의되고 있습니다. 이렇게 하면 단거리(<15 m)의 경우 10 Gbps 이상, 최대 500 m 거리의 경우 100 Mbps의 더 높은 데이터 전송 속도를 달성할 수 있습니다. 이러한 새로운 표준은 SPE의 범위를 확장하여 더 많은 적용 분야를 포함합니다.
그림 2: SPE 표준은 IEEE 802.3에 정의되어 있습니다. 이 표준은 단일 전선 쌍을 통한 Ethernet 기반 데이터 전송을 위한 기술 프레임워크를 설명합니다.
원활하고 안전한 데이터 통신
이전에는 산업용 플랜트의 경우 Ethernet 네트워크와 많은 수의 fieldbus 시스템이 필드 레벨에서 사용되었습니다. 이 같은 기존 토폴로지는 산업용 사물 인터넷(IIoT)의 출현으로 인해 fieldbus는 점점 더 효율적인 통신 시스템으로 대체되고 있습니다. 센서 및/또는 네트워크 간의 원활한 통신이 필요한 모든 분야에서 이러한 변화를 관찰할 수 있습니다. 이러한 애플리케이션의 경우 원활하고 안전한 데이터 연결이 중요합니다.
비용 효율적인 공장 자동화
일반적인 공장의 경우 하루에 약 1테라바이트의 데이터가 생성되고 있으며 이러한 추세는 계속 증가하고 있습니다. 지속적인 통신은 이러한 대량의 데이터를 효과적인 평가하기 위한 전제 조건입니다. 여기에서 SPE는 센서에서 클라우드까지 종단 간 네트워크화를 제공할 수 있습니다. 또한 산업용 애플리케이션에 사용되는 센서 및 인텔리전트 엔드 장치의 수가 증가함에 따라 SPE는 간단하고 안전하며 컴팩트하고 비용 효율적인 이상적인 케이블링 솔루션을 제공합니다. 인프라 자원을 설치할 때 SPE 솔루션을 사용하면 오늘날 일반적으로 사용되는 버스 및 Ethernet 컴포넌트의 조합보다 훨씬 더 뛰어난 경제적 이점을 얻을 수 있을 것입니다.
SPE와 로봇: 공간 절약형과 고성능
SPE는 자율 및 협업 로봇을 사용하는 경우에도 많은 이점을 제공합니다. 기존의 Fieldbus 시스템보다 전송 속도가 빠른 SPE는 빠른 샘플링 속도와 더 큰 데이터 처리량을 바탕으로 로봇 및 제어 장치 간의 안정적인 통신을 가능하게 합니다. 또한 데이터와 전원이 단일 경로를 통해 전송되기 때문에 케이블링 작업이 더 간단합니다. 향후에는 정의된 PoDL 표준을 뛰어넘는 성능 요구 사항을 충족할 수 있도록 데이터와 전원 접점이 하나의 커넥터에 포함된 하이브리드 SPE 솔루션도 제공될 예정입니다. 케이블 및 인터페이스가 감소하여 작업 피로로 인해 발생하는 오류가 줄어들고 문제 해결이 빨라지며 유지 관리가 쉬워집니다. 더 작은 굽힘 반경으로 인해 SPE는 로봇 조작 시스템의 설계를 크게 최적화할 수 있습니다.
그림 3: SPE는 성능과 낮은 공간 요구 사항으로 로봇 공학 분야의 애플리케이션에도 적합합니다.
SPE를 통한 프로세스 자동화
프로세스 자동화의 경우를 예를 들면, 석유 및 가스 부문에서는 거대한 건물이나 탱크가 있는 광대한 부지가 종종 존재합니다. 많은 기업에서는 센서에서 클라우드나 ERP 시스템까지 일관된 데이터 흐름을 통해 모든 글로벌 위치를 원격으로 제어하고, 전체적인 상태 개요를 파악하는 것이 필수적입니다. SPE는 신호 변조나 게이트웨이를 위한 중간 네트워크 장치 없이도 효율적인 네트워크 구조를 제공할 수 있습니다. PoDL과 SPE를 함께 사용하면 이러한 애플리케이션에서도 데이터와 전력을 동시에 전송할 수 있는 이점을 누릴 수 있습니다.
폭발 방지 영역에서 사용 가능한 APL 기술
별도의 SPE 표준인 APL(Advanced Physical Layer)은 폭발 방지 영역(영역 0, 1 및 2)의 데이터 및 전력 전송에 대한 높은 요구 사항을 충족하기 위해 도입되었습니다. 예를 들어, 이 솔루션은 프로세스 산업에서 사용됩니다. 여기서는 IEEE 802.3cg의 10BASE-T1L 표준이 IEC TS 60079-47, 2021-03(2-WISE) 표준(2-WISE = 2선 본질 안전 Ethernet(2-Wire Intrinsically Safe Ethernet))과 함께 사용됩니다. 즉, 본질 안전을 포함한 폭발 방지 방법을 지원한다는 의미입니다.
이 기술을 사용하면 장거리(최대 1,000 m의 트렁크 길이, 최대 200 m의 스퍼)도 연결할 수 있습니다. 또한 다른 제조업체의 장치 및 시스템과의 상호 운용성도 문제가 되지 않습니다. 즉, 사전 예방적 유지 관리와 같은 새로운 솔루션을 위해 방대한 양의 추가 데이터를 캡처하고 분석할 수 있다는 뜻입니다.
APL은 석유, 가스 및 화학 부문과 같은 산업에 다양한 이점을 제공합니다. 이는 미래에도 사용 가능한 안전하고 효율적인 네트워크를 지원합니다. 하지만 이 기술은 EtherNet/IP™, HART-IP, OPC UA, PROFINET과 같은 기존 케이블링과 Ethernet 프로토콜을 사용하여 기존 시스템을 비용 효율적으로 현대화하는 데에도 사용될 수 있습니다.
그림 4: 프로세스 산업의 유량계는 기존 케이블과 함께 APL 기술을 통해 네트워크에 통합됩니다.
에너지 부문에 제공하는 다양한 이점
또한 재생 에너지 분야에서도 SPE의 이점을 활용할 수 있습니다. 이 같은 에너지원은 변동을 겪기 쉬우며, 그리드에 사용이나 그 자체로 사용하기 위해서는 지능적인 관리가 필요합니다. 그렇기 때문에 지능적인 데이터 관리는 매우 중요하다고 볼 수 있습니다. 풍력 터빈 발전기든 태양광 발전 시스템이든, 발전된 에너지는 상시로 측정되어 그리드에 지능적으로 공급되어야 합니다. 여기서는 특별한 요구 사항이 충족되어야 합니다. 예를 들어, 최신 풍력 터빈 발전기는 나셀(엔진실)에서 지상까지 높이가 100 m가 넘습니다. 기존의 구리 기반 Ethernet 연결로는 이 거리를 커버하는 것이 불가능합니다. 따라서 운영자들은 여전히 유리 섬유 또는 무선 솔루션에 의존할 수밖에 없습니다. 태양광 발전소와 P2G(Power-to-Grid)/가스 시스템에서는 100 m 상의 거리를 커버해야 합니다. Single Pair Ethernet은 범위가 넓기 때문에 이 방면에서도 유리합니다.
산업 애플리케이션을 위한 통일된 핀 커넥터 패턴
이제 Single Pair Ethernet 부문은 표준화된 핀 커넥터 패턴에 관한 중요한 결정이 내려졌습니다. 이 결정은 오랜 숙원이었던 이 표준에 대한 명확성과 확실성을 가져다주었습니다. 이는 특히 공장 자동화 분야에서 중요한 이정표로 여겨지고 있으며, PROFINET이 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 컨트롤 캐비닛, 필드 및 하이브리드 장치의 애플리케이션을 위한 통일된 핀 커넥터 패턴을 통해 범용 SPE 표준으로 가는 길을 열어줄 연결 요소가 만들어졌습니다. SPE 커넥터 시스템은 현재 국제 표준화를 위한 검토가 진행 중입니다. 이 새로운 세대는 산업의 미래를 향한 또 다른 발걸음을 의미합니다.
그림 5: PROFIBUS 사용자 기구 e. V.(PNO)는 SPE(Single Pair Ethernet)를 위한 국제 표준 핀 커넥터 패턴을 개발하고 있습니다.
커넥터 또는 단자대를 통한 SPE
다양한 기능을 갖춘 SPE는 산업 애플리케이션은 물론 많은 분야에서 역량을 발휘할 수 있습니다. 센서와 같은 스마트 엔드 장치를 개발할 때 장치 제조업체는 연결 기술도 고려해야 합니다. 그러나 어떤 연결 기술을 선택하느냐는 애플리케이션에 따라 달라지는 경우가 많습니다. 필드 장치에는 종종 IP 보호가 필요합니다. IP 보호 커넥터를 이러한 필드 장치에 통합하는 방법 외에도 원하는 보호 수준을 달성하기 위해 케이블 글랜드를 사용할 수도 있습니다. 이는 테스트를 거쳐 SPE 데이터 전송에 적합한 PCB 단자대를 장치 내부에서 사용할 수 있다는 것을 의미합니다. 여기에는 다양한 이점이 있습니다. 한편, 장치 제조업체는 필요에 따라 PCB에서 소형 SPE 단자대의 위치를 자유롭게 결정할 수 있습니다. 친숙한 스크류와 푸쉬-인(Push-in) 연결 기술은 현장에서 설치하는 작업자의 작업을 더욱 편리하게 해줍니다. 기술자들은 이 같은 장치들이 설치된 위치에 따라 다양한 문제에 직면하게 됩니다. 명확한 컬러 코딩과 직관적인 조작 방법은 접근이 어렵거나 조명 조건이 좋지 않은 환경에서도 SPE 케이블의 파란색 및 흰색 전선을 명확하고 안전하게 연결할 수 있도록 해주기 때문에 설치 중 오류를 방지할 수 있습니다.
그림 6: SPE용 PCB 단자대는 10 Mbps 데이터 전송은 물론, 필드 장치에 PoDL을 통해 전원을 공급할 수 있습니다.
공간 절약형 연결 기술
SPE용 PCB 단자대는 IP 보호 필드 장치를 설치하는 것 외에도, 공간 제약으로 인해 특정 상황에서만 커넥터를 사용할 수 있는 빌딩 기술과 같은 IP20 환경에서도 그 강점을 발휘할 수 있습니다. 예를 들면, 배전함이나 매립형 소켓에 적용하는 경우가 이에 해당됩니다. 단자대는 바로 이 부분에서 공간 절약을 위한 대안이 될 수 있습니다. 이는 플러시 장착 및 DIN 레일 장치를 SPE 설치 케이블을 통해 직접 연결하고 네트워크에 통합할 수 있도록 해줍니다.
맺음말
SPE(Single Pair Ethernet)를 사용하는 IP 기반 네트워크가 유용하게 활용되거나 새로 설계된 솔루션이 도움이 될 수 있는 다른 많은 영역이 있습니다. 원칙적으로 장거리에 걸쳐 일관된 IP 기반 통신이 필요하고 공간이 제한적인 모든 애플리케이션이 이 기술을 사용하기에 적합한 잠재적 후보입니다. 피닉스컨택트는 초기 단계부터 SPE(Single Pair Ethernet)의 잠재력에 집중했으며, 현재는 이 기술의 통합을 선도하는 전문성 높은 파트너사입니다. 이러한 핵심 기술의 가능성은 엄청납니다. 전문가들은 광범위한 디지털화 분야에서 미래의 과제를 해결할 수 있도록 다양한 분야에 SPE(Single Pair Ethernet)를 사용하고 통합하는 데 필요한 전문 지식, 도구 및 서비스를 제공합니다.
Single Pair Ethernet 통합을 위한 전문 파트너
피닉스컨택트는 초기 단계부터 SPE(Single Pair Ethernet)의 잠재력에 집중했습니다. 그 결과 피닉스컨택트의 전문가들은 SPE의 가능한 적용 분야 및 요구 사항에 대해 풍부한 경험을 가지고 있습니다. 현재 다양한 고객들이 그 혜택을 누리고 있습니다. 맞춤형 솔루션의 경우 더욱 그렇습니다.
Single Pair Ethernet 통합을 위한 전문 파트너사인 피닉스컨택트는 이 기술과 관련된 다양한 서비스뿐만 아니라 포괄적인 제품 포트폴리오를 제공합니다. 전문가들은 액티브 네트워크 컴포넌트의 케이블링과 마찬가지로 다양한 장치 인터페이스에 대해 매우 잘 알고 있습니다. 피닉스컨택트의 지원을 통해 고객은 이 핵심 기술의 이점을 누리고 SPE를 사용하여 미래를 설계하기 위한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
자세한 정보
출처: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://mouser.bynder.com/m/69add16baa21d306/original/mouser-phoenixcontact-greenenergy-whitepaper-apacen.pdf?utm_medium=email&utm_campaign=elq-24.0319-phoenixcontact-greenenergy-vertical3-apac-apacen-everestseed&utm_source=eloqua&subid=6f7db95a238d41f0ab6c51385a553ce8&utm_content=7061241