[첨단 헬로티]

4차 산업혁명 시대의 필수 요소인 산업용 사물인터넷(IIoT)이 빠른 속도로 성장하고 있다. 전문가들은 싱글 페어 이더넷(Singple Pair Ethernet, SPE)이 IIoT의 성공에 중추적인 기술이 될 것이라는 데 모두 공감하고 있다. 4차 산업 네트워크 기반 구조에서 커넥터 산업은 자동화 분야 통신 구축의 중추적인 역할을 담당한다. 바이드뮬러는 미래형 IIoT 인프라 솔루션으로 SPE(Sing Pair Ethernet) 기술을 선도하고 있다.

바이드뮬러의 SPE 개발

바이드뮬러는 IP20 환경용 IEC 63171-2 변형과 IP67 환경용 IEC 63171-5 변형을 위한 커넥터 개발을 지원한다. AWG 26–AWG 22 범위에서의 횡단면에 초점을 맞추어, 플러그와 소켓용 M8 커넥터로 사용자 친화적인 포트폴리오를 구현했다. 이는 양쪽 끝에 플러그나 소켓만 가지고 있는 연장 케이블이 필요 없다는 것을 의미한다. 뿐만 아니라 바이드 뮬러의 제품은 경쟁사 제품에 비해 현저히 향상된 HF 성능을 자랑한다.

IEC 63171-2(IP20 환경)와 IEC 63171-5(IP-67 환경)에 따른 연결 시스템은 양쪽 모두 자유롭게 결합해 사용할 수 있다는 이점이 있으며, 이러한 호환성은 현장 측정 기술 영역에서 가장 유용하다. 워크스테이션부터 컴퓨팅 센터, 산업용 배선, 클라우드까지, 그 애플리케이션에 관계없이 독립적으로 사용 가능하다(그림 1).

그림 1. 싱글 페어 이더넷 커넥터 범위는 자유로운 조합이 가능하며, 워크스테이션부터 산업용 배선, 

클라우드에 이르기까지 용도와 무관하게 단대단 트랜스미션을 지원한다.

IP20과 IP67 환경에서 동일한 커넥터 연결은 호환 가능한 애플리케이션 범위를 축소하지 않고 구성 요소 개수를 제한하기 때문에 물류 보관하는데 유리하다. 커넥터 결합 면은 프리 커넥터로 수형과 암형으로 모두 사용 가능해야 하는데, M12/M8 커넥터가 장착된 장치의 경우 PoDL과 데이지 체이닝이 지원된다. 여기에는 IP20 인쇄 회로 기판(PCB) 커넥터용 LED 유/무형 직선 및 각진 변형, 그리고 M8/M12 커넥터 기반의 연속 IP67 배선도 포함된다. 

많은 4차 산업 애플리케이션의 경우, 배선할 공간이 사실상 부족하기에 콤팩트하게 설계되어야한다. 바이드뮬러가 개발한 이 버전은 피치 7.62mm로 RJ45 커넥터 크기의 절반 밖에 되지 않는다. 따라서 기존의 RJ45 PCB 커넥터 1개가 차지하는 공간 안에 싱글 페어 이더넷 포트 2개를 설치할 수 있기 때문에 포트 밀집도가 2배로 늘어난다는 이점이 있다.

높은 TLC(Transverse Conversion Loss, 횡변환 손실)와 양호한 RL(Return Loss, 반사 손실) 등은 인터페이스에 대한 최적의 데이터 전송을 보장한다(그림 2). 또한, 데이터 전송률이 최대 4.0GHz까지 가능하도록 설계되었기 때문에 Multi-Gig 용도(2.5, 5, 10Gigabit)로도 사용이 적합하다. 따라서 이 커넥터 결합 면은 센서와 클라우드 사이에 10Mbit~10Gigabit의 데이터 전송률을 제공하는 솔루션이라고 볼 수 있다.

그림 2. 현재 표준 대비 커넥터의 RL 동작을 보여 준다.

SPE가 각광받는 이유 

SPE는 기존의 2쌍 혹은 4쌍의 와이어로 이루어진 커넥터가 아닌, 한 쌍의 와이어로 연결할 수 있는 기술이다. 최근의 산업은 가능한 적은 케이블에 고도 성능으로 데이터를 전송할 수 있는 구조를 요구한다. 언뜻 보면 산업 시설에서 사용되는 지능형 단말 장치의 개수가 증가한다고 생각할 수 있지만, 사실 실제 산업 현장에서의 가용 공간 수량은 그러하지 않고 오히려 그 반대를 요구할 때가 많다.

더 많은 센서가 기계와 시스템에 통합되어야 하는 만큼, 배선 또한 용도에 맞추어 설계되어야 하고, 이는 소형이면서 간단해야 한다는 것을 의미한다. 뿐만 아니라 로봇 팔과 같이 기계적 유연성과 중량이 중요한 장비에서는 작은 외경과 낮은 굽힘 반경을 가진 경량 케이블이 필수적이다. 기존 이더넷 표준의 “하향 확장”이라고 볼 수 있는 SPE는 이러한 발전하는 자동화 기술 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 

SPE는 전송 길이 1,000m에 초당 전송률 10Mbit/s부터 40m~100m 전송 길이에 초당 전송률 1Gbit/s까지 가능하다. 도달 가능한 응답 시간은 TNS(Time-Sensitive Networking, 시간-민감 네트워킹) 용도로도 적합하며, 연결된 주변 기기에 PoDL(Power over Data Line, 데이터 라인 통한 전력)방식으로 전원을 공급할 수 있다.

PoDL은 PSE(Power Source Equipment, 전원 설비)에 60W까지의 전력 공급이 가능하다. 이는 극히 좁은 조건에서도 센서가 에너지와 데이터 인터페이스를 모두 공급 받을 수 있으며, 별도의 공급선이 필요하지 않다. IEEE는 이 용도의 상이한 전력 클래스 분류를 정의하였으며, 클래스 1-9는 이미 POE에 할당되었기 때문에, PoDL 전력 클래스는 10부터 시작된다. 

표 1은 케이블 선의 길이와 단면에 따라 단말 장치에서 다른 공급 전압으로 초래되는 출력을 설명한다. 

표준화, 성공의 열쇠

SPE의 장기적 성공은 단지 국제적 표준화로 확보될 수 있기 때문에, 국제적 표준을 정립하고자 많은 기관들이 관여하고 있다. 현재 전 세계 커넥터 산업, 자동화 기술 및 케이블 산업의 저명한 전문가들이 SPE 국제 표준을 개발하기 위해 노력하고 있다.

전송 채널의 애플리케이션과 정의는 IEEE 802.3(Institute of Electrical and Electronics Engineers/전기 전자 기술자 협회; Ethernet Working Group/이더넷 작업 그룹)에서 담당한다.

ISO/IEC JTC 1 SC25 WG3(International Electrotechnical Commission/국제 전기 표준 회의, Interconnection of information technology equipment/정보기술 장비 상호 연결, working group 3 Customer Premises Cabling/워킹 그룹 3 고객 프리미즈 케이블)은 산업, 건물, 스마트 홈 및 컴퓨팅 센터에서의 전송 요건 및 수동적 배선 구조에 대한 파라미터를 기술하고 있다.

기술적 및 전기적 속성의 요구사항은 최종적으로 IEC SC 48B Electrical connectors(전기 커넥터) 및 IEC SC 46C Wires and symmetric cables(와이어 및 대칭 케이블)에 의해 결정된다.

IEEE 802.3과 ISO/IEC 사이에는 각각의 작업을 정의하는 확정 합의가 있는데, IEEE 802.3cg(SPE 10Mbit/s) 프로젝트와 커넥터 및 전기적 속성은 IEEE 환경에서 최초로 정의되었다. 

표준1~6 시리즈에서 정의된 커넥터는 각각 커넥터 결합 면, 치수 및 기계적 속성이 다르다. 현재, IEC 63171-1, IEC 63171-6은 IEC 63171 기본 표준을 참조하지 않기 때문에 기술적 요구사항이나 전기적 요구사항이 모두 다르다. 표2에는 현재 표준화된 커넥터들 사이의 주요 차이가 나열되어 있다.

표준의 ISO/IEC 11801-x 시리즈는 각기 다른 환경별로 일반적인 케이블 배선 구조를 의미하며, 새로운 SPE 애플리케이션에 따라 확장되고 있다. 이는 IEEE 802.3cg에서처럼 동일한 커넥터들을 정의하는데, ISO/IEC에서 “사용 가능”으로 정의되는 커넥터는, TO(telecommunication outlet / 텔레커뮤니케이션 콘센트)에서 “필수 사용” 커넥터로 정의되고 있다. 따라서 TO에 대해서는 커넥터 결합 면에 대한 고정된 정의가 있다.

IT(정보 기술) – 고객 건물용 일반 배선 :

• ISO/IEC 11801-1 AM1 (일반 요구조건)

• ISO/IEC 11801-3 AM1 (산업 건물) 

• ISO/IEC 11801-6 AM1 (분산형 빌딩 서비스)

IEC 63171-2 및 IEC 63171-5에 부합되는 커넥터들은 한층 더 엄격한 값을 준수한다. 일례로, 유전체 강도가 최대 2.25kV DC에 이르며, IEEE 802.3 환경에서 “사용 가능”으로 기술된 커넥터의 사용은 10Mbit/s 애플리케이션의 경우에만 해당됨을 의미한다. 100MBit/s, 1,000MBit/s 및 MultiGig 범위 내의 용도는 애플리케이션은 영향을 받지 않는다.

그림 3. 표준의 IEC 63171 시리즈 구조의 개요

그림 4에서 나타나듯이, TO는 자동화와 공장 홀 사이의 연결을 나타낸다. 따라서 커넥터 결합 면의 규격은 자동화 이외의 애플리케이션 및 일반 배선으로의 자동화 아일랜드의 연결에 적용되며, 그에 따라 TO는 ISO/IEC 11801에 따른 일반 배선에서만 적용된다.

그림 4. ISO/IEC 11801-3 AM1 배선 모델(출처: ISO IEC 11801-3) 예시

일반 배선을 제외하면 TO는 PROFINET 환경에서는 사용되지 않으며, PROFINET과 기타 산업용 통신 프로토콜은 그 가이드라인에서 순수한 점대점(Point-to-Point) 배선만을 정의한다. 다만, 채널의 정의가 일반 배선에서 유래하지 않더라도 산업용 환경에 맞추어진 채널 정의는 단대단(End-to-End) 링크로 파생될 수 있다(그림 5).

그림 5. PROFINET 가이드라인에 따른 단대단(End-to-End) 링크의 변형 예시.

현재 표준 제정을 위한 절차가 현재 진행되고 있으며, 커넥터 결합에 합의하고자 PROFINET 사용자 단체들의 논의가 지속되고 있다. 

바이드뮬러의 4 Chamber Solution

바이드뮬러는 위에 설명한 싱글 케이블용 커넥터 외에도 단일 인터페이스를 통해 4개의 SPE 케이블 공유하는데 사용할 수 있는 4 Chamber version 또한 출시할 예정이다. 접점들을 적절히 배열해 이상적인 전기적 속성을 실현하며, 접점 쌍들은 서로 직각을 이루도록 배열하고 개별 케이블 사이의 간섭을 최소화하는 원리이다(그림 6).

그림 6. 4 체임버 시스템에서 접점들의 배열 모습.

4 Chamber version은 콤팩트한 설계로 RJ45 커넥터 1개 설치 공간에 싱글 페어 이더넷 포트 4개까지 배치가 가능하다. 대표적인 용도로는 센서들이 팔 종단부에 밀집된 형태로 배치된 용접용 로봇이며, 이는 추가 스위치를 설치하거나 간선 케이블을 통과할 필요 없이 연결 가능하다. 4 페어 연결 기술은 그 용도에 관계없이 IEC 63171-2와 IEC 63171-5에 부합되는 방식으로 컴퓨팅 센터, 사무실, 일반 가정 및 산업 현장에서도 사용 가능하다.

바이드뮬러의 SPE 솔루션은 일반 산업 현장에서 요구되는 것 이상을 목표로 하며, 추후 4차 산업 시대의 흐름에 따른 능동적인 변화를 지속적으로 추가할 예정이다.