개요
다양한 장치 간의 데이터 통신은 일상생활의 많은 측면에서 필수적이다. 디지털화와 인더스트리 4.0에 따른 기기 사용의 확산과 데이터양의 급격한 증가는 통신 환경에 변화를 가져오고 있다. 일례로 공정 자동화 같은 분야는 공장 전체를 연결하는 통합 네트워크를 필요로 한다.
데이터는 운영 기술(OT) 기계에서 추출해 처리한 다음, 추가적인 처리를 위해 회사 수준(IT)에서의 컴퓨팅 시스템에 제공되어야 한다. 이전 4~20mA 또는 필드버스 애플리케이션이 데이터 통신 측면에서 한계에 이르면서 이더넷이 통신 표준으로 떠오르고 있다.
기본적으로 이것은 새로운 이더넷 표준 10BASE-T1L 2-와이어 이더넷 솔루션으로, 10Mbps 전송 속도로 최대 1000m 라인 길이까지 가능하고 PROFINET, EtherNet/IP, OPC UA, Modbus-TCP 등과 같은 전송 프로토콜을 지원한다.
10BASE-T1L 표준을 사용하면 기존 2-와이어 케이블을 계속 사용할 수 있어 투자비용이 크지 않다. 이 글에서는 10BASE-T1L의 기본 사항을 설명하고 다양한 애플리케이션에 적합한 커넥터 선택과 관련해 대응하는 제품을 알아본다. 또한 10BASE-T1L에서는 데이터 라인을 통한 다양한 연결 장치의 전력 전송이 중요한 역할을 한다.
들어가며
데이터 통신이 산업 부문뿐 아니라 공정 자동화에서도 어느 때보다 큰 역할을 하고 있다. 급증하는 데이터 양으로 인해 이전 4~20mA 또는 필드버스 애플리케이션이 한계에 다다르면서 이더넷이 통신 표준으로 자리 잡고 있다.
표준 이더넷 4-와이어 솔루션은 단일 연선 케이블 또는 단일 쌍 이더넷(SPE)으로 구성된 10BASE-T1L이라고 하는 2-와이어 솔루션으로 발전했다. 물리 계층의 상위 계층에서(논리계층 이상에서), 10BASE-T1L은 100Mbps 또는 1000Mbps의 기존 산업용 이더넷 기술과 호환되므로 보완적인 역할을 할 수 있다.
10BASE-T1L은 특히 공정 자동화에서 표준으로 자리매김하고 있으며, 이 분야에 전면적인 변화를 가져올 것으로 전망된다. 현재까지만 해도 센서와 액추에이터는 일반적으로 4~20mA 아날로그 인터페이스 또는 필드버스를 통해 연결됐다.
기계 공학이나 공장 자동화와 달리 공정 자동화에서 이러한 센서와 액추에이터는 보통 제어 시스템이나 원격 I/O 시스템과 멀리 떨어져 있어서 200m에서 1000m 이상 거리도 일반적이다. 그렇다면 10BASE-T1L은 정확히 무엇이고, 이 기술이 제공하는 장점은 무엇이며, 왜 새로운 표준인가? 이 질문에 대한 답변이 이 글의 주요 내용이다.
10BASE-T1L이란?
10BASE-T1L은 이름에 대략적인 의미가 담겨 있다. 국제전기전자공학회(Institute of Electrical and Electronics Engineers)의 약어인 ‘IEEE’가 여기에 사용된다. 매체 유형의 ‘10’은 10Mbps의 전송 속도를 나타낸다. ‘BASE’는 베이스밴드 신호를 가리키며, 이는 이더넷 신호만 매체를 통해 전송할 수 있다는 것을 의미한다.
‘T’는 ‘트위스트 페어’를 의미하며, 숫자 ‘1’은 1km 범위를 나타낸다. 뒤에 따라오는 ‘L’은 ‘장거리’를 나타내는데, 이 경우에는 세그먼트 길이가 1km 이상 가능하다는 것을 뜻한다.
다른 네트워크 기술도 있다. 예를 들면 10BASE-2(최대 세그먼트 길이가 185m인 얇은 동축 케이블), 10BASE-5(최대 세그먼트 길이가 500m인 굵은 동축 케이블), 10BASE-F(광섬유 케이블) 또는 10BASE-36(다중 베이스밴드 채널을 지원하고 최대 세그먼트 길이가 3600m인 광대역 동축 케이블) 등이 있다.
10BASE-T1L은 OSI 모델의 어느 계층?
10BASE-T1L은 기존 2-와이어 인프라를 사용해 10Mbps 전송 속도로 최대 1000m의 라인 길이를 실현한다. 물리적 이더넷 기술은 OSI 모델의 계층 1(비트 전송 계층 또는 물리 계층)에서만 정의된다. 비트 전송 계층에서 10BASE-T1L은 PROFINET, Modbus 등과 같은 일반적인 이더넷 프로토콜뿐 아니라 빌딩 관리 시스템에 흔히 사용되는 BACnet, KNX, LON과 같은 다른 버스 시스템도 지원한다. 표 1은 개요를 보여준다.
10BASE-T1L은 계층 1에서 특수한 이더넷 PHY를 사용해 구현된다. 이더넷 프레임은 MII(media-independent interface), RMII(reduced MII) 또는 RGMII(reduced gigabit MII)를 통해 MAC과 PHY 간에 전송된다. MAC은 이더넷 표준 IEEE 802.3에 의해 정의되고 데이터 링크 계층(계층 2)에서 구현된다. PHY는 물리적 인터페이스를 형성하고 전송 매체와 디지털 시스템 사이에서 데이터 인코딩과 디코딩을 담당한다.
| OSI 모델 계층 | BACnet | Modbus | KNX | LON | |
| 호스트 계층 | 7 │애플리케이션 | BACnet 애플리케이션 계층 | |||
| 6│애플리케이션 | - | Modbus | LON | ||
| 5│세션 | - | KNX | |||
| 4│트랜스포트 | UDP(BACnet/IP), TCP(BACnet/SC) | TCP | TCP | ||
| 미디어 계층 | 3│네트워크 | BACnet 네트워크 계층 | IP, ARP, RARP | IP | |
| 2│데이터링크 | ISO 8802 (IEEE 802.3) | ||||
| 1│물리층 | 차폐 또는 비차폐 단일 꼬임쌍 (IEEE 802.3cg) | ||||
표 1 - OSI 모델과 프로토콜 및 버스 시스템 개요
10BASE-T1L은 어떤 디바이스와 기계에서 사용하며, 기존 인프라를 어느 정도까지 함께 사용할까? 10BASE-T1L은 대부분은 아니지만 많은 공정 자동화 애플리케이션에서 4~20mA의 표준화된 신호를 대체하도록 설계됐다.
그러나 이것이 4~20mA 전류 루프를 통해 연결된 구형 필드 계측기를 10BASE-T1L 지원이 가능한 신형 필드 계측기로 교체해야 한다는 의미는 아니다. 이러한 기존 장치는 소프트웨어 구성 가능 I/O(SWIO) 모듈을 통해 연결할 수 있으며, 원격 I/O는 10Mbps 이더넷 업링크로 PLC로 연결하기 위한 수집 지점 역할을 한다.
소프트웨어 구성 가능 I/O 모듈은 재구성 가능한 모듈 채널이 있으므로 방대한 재배선 작업이 필요 없이 빠르고 쉽게 원격으로 작업한다. 채널은 전류와 전압 모두에 대한 입력 또는 출력으로 구성하거나 디지털과 아날로그로 구성한다.
일부 경우에는 장치와 데이터에 대한 전력을 모두 10BASE-T1L을 통해 제공해야 한다는 요구사항이 있다. 이는 표준의 일부로 정의된다. 그림 1은 4~20mA 전류 루프를 통해 연결된 기존 필드 계측기와 새로운 10BASE-T1L 지원 필드 계측기를 혼합해 구축한 사례를 나타낸 것이다.
10BASE-T1L은 최대 1000m 케이블 길이에서 2.4V와 최대 200m의 짧은 길이에서 1V의 두 가지 진폭 모드를 지원한다. 1.0Vp-p 진폭 모드를 통해 이 기술은 방폭 환경에서도 사용할 수 있으며, 해당 영역에 적용되는 엄격한 최대 에너지 소비 요건을 충족한다. 10BASE-T1L 표준을 기반으로 공정 자동화를 위한 본질적으로 안전한 동작을 정의하는 APL(advanced physical layer)이 산업 컨소시엄에 의해 지정됐다.
이더넷-APL을 사용하면 필드에서 클라우드까지 연결된 매끄러운 공정 자동화 설치로 전환할 수 있어 잠재적으로 폭발 위험이 있는 지역을 포함하여 식음료, 제약, 석유 및 가스 산업 설비에 적용한다. 또한, APL은 단일 트위스트 페어 라인에서 전력 공급 단계도 정의한다.
10BASE-T1L에는 구체적인 전송 매체(케이블)가 정의돼 있지 않다. 케이블의 반사 손실과 삽입 손실에 대한 요구사항만 지정돼 있다. 필드버스 타입 A 케이블은 선택하기에 적합한 케이블이며, 이에 따라 기존 PROFIBUS 또는 파운데이션 필드버스 케이블을 재사용할 수 있다.
10BASE-T1L은 문제없이 최대 1000m의 케이블 길이에서 균형된 한 쌍의 컨덕터로 작동한다. 그러나 잡음이 있는 산업 환경에서는 커넥터, 나사 단자 또는 펀치다운 블록을 사용하는 타입 A 케이블과 같은 차폐 케이블이 필요하다. 일부 10BASE-T1L 스위치 칩은 케이블에서 신호 품질을 검사하는 진단 기능을 통합하고 있다. 이처럼 10BASE-T1L은 매우 견고한 통신 기술이다. 심지어 전선을 혼합 구성해도 문제가 되지 않는다.
10BASE-T1L의 장점은?
HART 및 필드버스 장치에서 기존 4~20mA는 데이터 대역폭이 단 몇 kbps로 제한적이다. 하지만 10BASE-T1L를 사용하면 10Mbps의 속도가 가능하다. 10BASE-T1L에서는 프로세스 값뿐 아니라 구성과 파라미터화 정보 같은 추가적인 장치 파라미터도 전송한다.
미래에는 더 복잡해지는 센서 소프트웨어 업데이트뿐 아니라 센서 라인의 단락과 같은 오류 및 네트워크 진단을 데이터 라인으로 비교적 빠르게 수행하게 될 것이다. 10BASE-T1L에는 게이트웨이와 컨버터가 더 이상 필요 없기에 구성도 쉽다. 또한, 게이트웨이가 제거되어 이전 설치 방식에 따른 비용과 복잡성이 크게 줄어들고, 이로 인해 생성되는 데이터 섬 이슈도 해결된다.
이 밖에 데이터 라인을 통해 더 높은 전력을 전송한다. 예를 들어 본질적 안전 지역(위험 지역)에서 500mW를, 비본질적 안전 지역에서 최대 60W까지 전송할 수 있다. PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA 또는 Modbus-TCP 같은 이더넷 표준과 MQTT 같은 IoT 프로토콜은 필드 장치를 클라우드에 쉽고 강력하게 연결하도록 한다.
| HART 지원 4mA-20mA | 필드버스 | 10BASE-T1L | |
| 데이터 대역폭 | 1.2kbps | 31.25kbps | 10Mbps |
| 상위 수준 이더넷 네트워크에 연결 | 복잡한 게이트웨이 | 복잡한 게이트웨이 | 게이트웨이 없이도 매끄러운 연결 구현 |
| 계측기에 대한 전력 공급 | <40mW | 제한적 |
본질적 안전 : 500mW (케이블에 따라 다름) |
| 노하우 / 전문지식 | 노하우 / 전문지식 축소 | 노하우 / 전문지식 축소 |
이더넷 기술은 모든 대학 졸업자에게 매우 친숙 |
표 2 - 공정 자동화의 다양한 통신 기술 개요
10BASE-T1L은 스위치 모듈과 함께 구성되나?
표준 이더넷과 마찬가지로 10BASE-T1L에도 다양한 네트워크 세그먼트와 장치를 연결하는 브리지가 있다. 연결된 장치에 전력을 공급하기 위해 다양한 네트워크 토폴로지를 구현하고 사용할 수 있다. 공정 자동화에서 스위치는 종종 컨트롤러, HMI 및 클라우드에 연결된다. 스위치는 가용성을 높이기 위해 링 토폴로지의 형태로 매체를 이중화하여 구성할 수 있다.
공정 자동화에서 장치, 센서 및 액추에이터에 대한 연결은 스퍼라고 하는 반면, 스위치와 제어 시스템까지 실행하는 사이의 연결은 트렁크에 속한다. 장치의 통합 밀도가 계속해서 높아짐에 따라 잠재 가능성도 점점 더 높아진다. 예를 들어 10BASE-T1L 스위치는 전력을 공급받을 수 있는 추가 센서에 직접 연결되는 센서에 통합될 수 있다. 그림 2는 다양한 스위치 인터커넥션의 예를 나타낸 것이다.
10BASE-T1L 지원 장치와의 통신은 호스트 프로세서를 통해 이뤄진다. 통신은 일반적으로 통합 MAC 기능, 수동 미디어 컨버터 또는 10BASE-T1L 포트가 있는 스위치가 필요하다.
‘2-와이어’를 통해 장치에 전력을 공급할 수 있나?
10BASE-T1L 표준은 센서와 액추에이터로부터 데이터 통신을 제공할 뿐 아니라 신호 라인을 통해 이들 장치에 전력을 공급하는 것도 가능하다. 구체적으로 10BASE-T1L은 비본질적 안전 지역에서 최대 60W의 전력을 공급한다. 방폭(본질적 안전) 지역에서는 전력이 500mW로 제한된다.
이 경우, 신호 진폭도 표준 애플리케이션의 진폭 2.4V에서 1V로 감소해 해당 환경에서 적용되는 최대 에너지에 대한 엄격한 요구사항을 준수한다. 이에 따라 본질적 안전 지역에서는 줄어든 전송 거리만 가능하다. 표 3은 Type 18 AWG 케이블에서 다양한 라인 길이와 영역에 대한 가능한 전력 전송 수준의 개요를 제공한다.
| 55V | 24V | |
| 1000m | 7.7W | 1.23W |
| 400m | 20W | 3.2W |
| 150m | 52W | 8.3W |
표 3 – 다양한 케이블 길이에서의 전력 전송 수준 개요(Type 18 AWG)
결론
10BASE-T1L은 공정 자동화를 위한 비교적 견고한 통신 표준으로서, 기존 인프라의 재사용 가능성 등 이전 4~20mA 애플리케이션에 비해 많은 장점을 제공한다.
헬로티 서재창 기자 |
