글: 모리스 오브라이언(Maurice O’Brien) 전략 마케팅 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

 

산업 시스템에서 이더넷 연결 기술 채택이 늘고 있다. 제조기업들이 인더스트리 4.0과 스마트 공장의 주요 통신 과제를 해결하기 위해서이다. 이러한 과제에는 데이터 통합, 동기화, 에지 커넥티비티, 시스템 상호운용성이 포함된다. 이더넷으로 연결된 공장은 정보 기술(IT)과 운영 기술(OT) 네트워크를 연결함으로써 제조 생산성을 높이고 보다 유연하고 확장 가능한 제조를 실현할 수 있다. 또한 이러한 공장은 시간 결정적 통신을 지원하는 하나의 원활하고 안전한 고대역폭 네트워크에서 공장의 모든 영역을 모니터링 및 제어할 수 있다. 

확장된 컴퓨팅과 견고한 통신 인프라는 커넥티드 공장의 동맥과 같다. 이러한 공장에서는 다양한 통신 프로토콜을 사용하여 네트워크를 연결한다. 여기에는 공장 전체의 트래픽 변환을 위해 복잡하고 전력 소모가 많은 게이트웨이 사용이 불가피하며, 점점 더 증가하는 트래픽 부하와 상호운용성 문제를 해결해야 하는 것이 과제다. 산업용 이더넷은 핵심적인 확정적 성능을 공장의 에지(edge)에 원활하게 제공함으로써 단일 네트워크에서 이러한 상호운용성 문제를 해결한다. 

산업용 이더넷 기술의 역사를 돌아보면, 아쉽게도 극한의 산업용 환경을 위해 특별히 설계된 이더넷 물리 계층(PHY)은 거의 없었다. 산업용 통신 장비 설계자는 매우 오랫동안 대량 시장용으로 개발된 표준 규격의 소비자 등급 이더넷 PHY를 사용하는 선에서 타협해야 했다. 그러나 에지 노드의 수가 급격히 늘어나고 커넥티드 공장을 구현하는 데 있어서 확정적 성능이 필수적인 인더스트리 4.0 시대에는 보다 향상된 산업용 등급의 산업용 이더넷 PHY가 중요하다.

 

이더넷은 풍부한 지원, 확장 가능하고 유연한 고대역폭 통신 솔루션 등의 장점들로 인해 IT 세계에서는 오래전부터 주요 통신 기술로 사용되어 왔다. 이더넷은 또한 IEEE 표준으로서 상호운용성의 이점도 제공한다. 그러나 IT와 OT 네트워크를 연결하고 이더넷 기술에 기반한 매끄러운 연결을 구현하기 위한 핵심 과제 중 하나는 시간 결정적인 연결을 필요로 하는 극한 산업 환경에 배치하는 것이다.

 

그림 1은 스마트 공장을 위한 산업용 이더넷 연결에 기반한 커넥티드 모션 애플리케이션을 나타낸다. 스마트 공장에서 고품질 제조와 머시닝을 위해서는 다축 동기화와 정밀 모션 제어가 필수적이다. 보다 향상된 생산량과 출력 품질에 대한 수요가 커지면서 서버 모터 드라이브에서 더 빠른 응답 시간과 더 높은 정밀성이 요구된다. 이러한 향상된 시스템 성능은 최종 장비에 사용되는 서보 모터 축의 보다 엄격한 동기화를 필요로 한다. 오늘날에는 실시간 100Mb 이더넷이 모션 제어 시스템에 광범위하게 사용된다. 그러나 이러한 동기화는 네트워크 마스터와 슬레이브 사이의 데이터 트래픽만을 대상으로 한다.

네트워크에서 동기화는 네트워크 간 경계를 넘나들며 1μs 이하에서 곧장 서보 모터 제어 내의 PWM 출력으로 구현될 필요가 있다. 이러한 구현은 IEEE 802.1 TSN(time sensitive networking)을 사용하여 더 빠른 데이터 속도의 기가비트 산업용 이더넷에 기반하여 로봇과 CNC 머신과 같은 다축 애플리케이션에서 머시닝과 생산 정확도를 향상시킨다. 또한 이렇게 하면 에지-클라우드 연결을 위한 실시간 산업용 이더넷 프로토콜로 단일한 고대역폭의 융합된 네트워크에서 모든 디바이스를 연결할 수 있다.

그림 1. 산업용 이더넷으로 구현한 커넥티드 모션 애플리케이션
 

산업 환경에서 견고성과 높은 주변 온도는 이더넷을 배치해야 하는 네트워크 설치자로서는 해결해야 할 과제이다. 케이블 길이가 길면 모터와 생산 장비에서 발생하는 고전압 과도상태에 의해 감싸이게 되는데, 이는 데이터를 훼손하고 장비를 손상시킬 수 있다. 그림 1에서 보듯이 산업용 이더넷을 성공적으로 배치하려면 향상된 이더넷 PHY 기술이 필요하며, 이는 높은 주변 온도 환경에서도 동작할 수 있는 소형 패키지에, 견고하면서 저전력과 낮은 지연 특성을 갖추어야 한다. 이 글에서는 커넥티드 공장에 이더넷 PHY 솔루션을 배치할 때 해결해야 할 과제들을 살펴볼 것이다.

 

산업용 이더넷 PHY는 OSI 네트워크 모델을 기반으로 하여 이더넷 프레임을 송신 및 수신할 수 있는 물리 계층 트랜시버 디바이스를 말한다. OSI 모델에서 이더넷은 계층 1(물리 계층)과 계층 2(데이터 링크 계층)의 일부를 다루며, IEEE 802.3 표준에 의해 정의된다. 물리 계층은 전기 신호 유형, 신호 전송 속도, 매체 및 네트워크 토폴로지를 지정한다. 또한 1000BASE-T(1000Mbps), 100BASE-TX(구리 케이블에서 100Mbps), 10BASE-T(10Mb) 표준의 이더넷 물리 계층 부분을 구현한다.

데이터 링크 계층은 송수신되는 메시지의 프레임 구조뿐 아니라 매체에서 통신이 이루어지는 방식을 지정한다. 이것은 데이터를 비트 스트림에서 추출할 수 있도록 와이어로부터 비트를 뽑아내 정렬하는 것을 의미한다. 이더넷에서는 이를 MAC(media access control)이라고 부르며, 호스트 프로세서 또는 이더넷 스위치에 통합된다. fido5100 및 fido5200은 ADI가 출시한 2종의 계층 2 커넥티비티를 위한 2포트 산업용 이더넷 임베디드 스위치로, 다중 프로토콜 실시간 산업용 이더넷 디바이스 커넥티비티를 지원한다.

 

산업용 애플리케이션에서 이더넷 커넥티드 디바이스는 흔히 밀폐형 IP66/IP67 인클로저로 제공된다. IP 등급은 전기 기기가 물, 이물질, 먼지, 모래를 얼마나 잘 막을 수 있는지를 나타낸다. IP 뒤에 이어지는 첫 번째 숫자는 IEC가 해당 디바이스의 고체에 대한 내성을 지정한 등급이다. 이 경우 6은 8시간 동안 대상에 직접 접촉한 후 먼지나 이물질이 디바이스에 유입되지 않는다는 것을 의미한다. 다음에 이어지는 숫자는 방수 등급 6과 7을 나타낸다. 6은 강력한 노즐에서 분사되는 물로부터 보호된다는 것을 뜻하며, 7은 디바이스가 1m 담수에 최대 30분 동안 잠겨도 괜찮다는 것을 의미한다.

이러한 유형의 밀폐형 인클로저의 경우 열 전도 성능이 떨어지기 때문에, 전력 소모와 높은 주변 온도가 이더넷 PHY 디바이스에서의 주요한 과제이다. 산업용 이더넷 배치를 위해서는, 최대 105°C의 높은 주변 온도에서 동작하고 매우 낮은 전력 소모를 갖는 이더넷 PHY 디바이스가 요구된다.

일반적인 산업용 이더넷 네트워크는 라인 및 링 토폴로지로 배치된다. 이러한 네트워크 토폴로지는 스타 네트워크에 비해 배선 길이가 짧고, 링 네트워크의 경우 이중 경로를 갖는다. 라인 또는 링 네트워크에 연결된 각 디바이스는 네트워크에서 이더넷 프레임을 전달하기 위해 2개의 이더넷 포트를 필요로 한다. 연결된 디바이스당 2개의 PHY가 있기 때문에 이더넷 PHY 전력 소모는 이러한 활용 사례에서 더욱 중요해진다. 기가비트 PHY 전력 소모는 전체 전력 소모에 주요한 영향을 미치며, 전력 소모가 낮은 PHY를 사용할 때 디바이스에서 FPGA/프로세서 및 이더넷 스위치에 더 많은 전력 예산을 할당할 수 있다.

 

그림 2는 2.5W의 전력 소모 예산을 갖는 디바이스 사례를 나타낸다. 이 디바이스는 FPGA, DDR 메모리 및 1.8W의 예산을 필요로 하는 이더넷 스위치를 포함한다. 이에 따라 2개의 PHY에 사용 가능한 전력 소모 예산은 700mW만 남는다. 디바이스 열 요구사항을 만족하려면 전력 소모가 350mW 미만인 Gb PHY가 필요하다. 오늘날 이러한 전력 소모 목표를 만족하는 PHY 옵션은 구하기가 쉽지 않다.

 

산업용 네트워크는 생산 장비 잡음으로 인한 고전압 과도상태를 갖는 열악한 공장 환경에서 최대 100m의 케이블 길이를 가질 수 있으며, 장비 설치자와 조작자로부터 ESD가 발생하는 경우도 많다. 이에 따라 산업용 이더넷의 성공적인 배치를 위해서는 견고한 물리 계층 기술이 필수적이다.

산업용 장비는 일반적으로 다음과 같은 EMC/ESD IEC 및 EN 표준을 통과해야 한다.

▶ IEC 61000-4-5 서지

▶ IEC 61000-4-4 EFT

▶ IEC 61000-4-2 ESD

▶ IEC 61000-4-6 전도 내성

▶ EN 55032 복사 방출

▶ EN 55032 전도 방출

이러한 표준들에 대한 인증을 받으려면 많은 비용이 들 뿐 아니라, 이러한 표준 중 어느 하나라도 만족하기 위해 설계 반복이 필요하게 되면 신제품 출시가 늦어지는 것은 흔한 일이다. 따라서 IEC 및 EN 표준에 대해 이미 시험을 완료한 PHY 디바이스를 사용하면 신제품 개발 비용과 위험을 상당히 낮출 수 있다.

 

그림 1과 같이 실시간 통신을 필요로 하는 애플리케이션에서는 모션의 정밀한 제어가 가장 중요한데, 이러한 애플리케이션에서 PHY 지연은 전체 산업용 이더넷 네트워크 사이클 시간의 핵심 부분이므로 매우 중요하다. 네트워크 사이클 시간은 컨트롤러가 모든 디바이스의 데이터를 수집하고 업데이트하는 데 필요한 통신 시간이다. 네트워크 사이클 시간이 적을수록 시간 결정적인 통신에서 애플리케이션 성능은 향상된다. 지연이 적은 이더넷 PHY는 최소 네트워크 사이클 시간을 달성하도록 도와주고 더 많은 디바이스를 네트워크에 연결할 수 있게 해준다.

라인 및 링 네트워크는 하나의 디바이스에서 다른 디바이스로 데이터를 전송할 때 2개의 이더넷 포트를 필요로 하기 때문에 이더넷 PHY 지연은 디바이스당 2포트(데이터 입력 포트/데이터 출력 포트)이므로 영향이 두 배가 된다(그림 3 참조). 32개 디바이스(64PHY)들로 구성되는 네트워크에서 25%의 PHY 지연이 감소하는 경우, 이와 같이 감소된 산업용 이더넷 PHY 지연은 연결할 수 있는 노드의 수뿐 아니라 산업용 이더넷 네트워크의 성능(사이클 시간)에도 상당한 영향을 미친다.

 

또한 10Mb, 100Mb, 1Gb 등 다양한 데이터 속도를 지원하는 산업용 이더넷 PHY 디바이스를 사용하는 것이 중요하다. PLC와 모션 컨트롤러 간 연결은 고대역폭, 기가비트(1000BASE-T) TSN 이더넷 연결을 필요로 한다. 필드 레벨 커넥티비티는 100Mb(100BASE-TX) PHY에서 산업용 이더넷 프로토콜을 실행하는 이더넷 연결을 기반으로 한다. 엔드 노드/에지 디바이스 커넥티비티를 위해 IEEE 802.3cg/10BASE-T1L 하에 완성된 새로운 물리 계층 표준이 있다. 이 표준은 최대 1km 단일 트위스트 페어 케이블에서 10Mb 대역폭으로 저전력 이더넷 PHY 기술을 구현할 수 있게 하며, 공정 제어에서 본질적으로 안전한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 그림 4는 공정 제어 이더넷 연결을 보여준다. PLC에서부터 엔드 노드 액추에이터와 필드 계측기까지 확장 가능한 이더넷 PHY 데이터 속도를 필요로 한다는 것을 알 수 있다.

 

이더넷 기술이 산업용 네트워크의 에지로 확산되면서 연결된 노드의 크기가 점점 작아지고 있다. 이더넷에 연결된 센서/액추에이터는 매우 작은 폼팩터를 가질 수 있기 때문에 산업용 애플리케이션용으로 개발된 소형 패키지의 PHY를 필요로 한다. 0.5mm 핀 피치의 LFCSP/QFN 패키지는 견고성을 입증 받았으며 고가의 PCB 제조 흐름이 필요하지 않다. 또한 밑면 패들이 노출되어 있어 높은 주변 온도 동작에서 증가된 전력 소모에 사용할 수 있는 이점이 있다.

 

장비는 현장에서 종종 15년 이상 작동할 수 있어야 하므로 제품 수명은 산업 장비 제조업체들에게 중요한 관심사이다. 이는 제품 단종이 매우 많은 비용과 시간이 드는 제품 재설계 활동을 수반한다는 것을 의미한다. 산업용 이더넷 PHY 디바이스는 긴 제품 수명을 지원해야 하지만 소비자용, 대량 시장 이더넷 PHY 공급업체에 의해서는 지원되지 않는 경우가 많다.

 

견고한 산업용 이더넷 애플리케이션을 위한 산업용 이더넷 PHY 요건 정리

PHY 주요 특징	소비자용 이더넷 PHY	산업용 이더넷 PHY	장점
주변 동작 온도	0°C ~ 70°C	–40°C ~ +105°C	극한 산업용 애플리케이션에서 견고한 동작
Gb PHY 지연 (RGMII)	>400ns	<300ns	네트워크 사이클 시간 단축
Gb PHY 전력	>500mW	<350mW	팬 또는 히트싱크 없는 IP66/IP67 제품
EMC/ESD 견고성	요구되지 않음	서지, EFT, ESD, 복사 내성, 전도 내성, 복사 방출, 전도 방출	제품 개발 및 인증 시간과 비용 절약, 견고한 제품
패키지 크기	48핀, 7mm × 7mm	40핀, 6mm × 6mm	더 작은 폼팩터
제품 수명	짧음	20 ~ 25년	긴 제품 수명

 

부품 번호	데이터 속도 (Mbps)	MAC 인터페이스	IO 전압 (V)	케이블 길이 (m)	링크 손실 검출 (µs)	지연 (ns)	전력 (mW)	온도 범위	패키지
ADIN1200	10/100	MII/RMII/RGMII	1.8/2.5/3.3	180	<10	300 (MII)	139	–40°C ~ +105°C	32-LFCSP (5 mm × 5 mm)
ADIN1300	10/100/1000	MII/RMII/RGMII	1.8/2.5/3.3	150	<10	294 (RGMII)	330	–40°C ~ +105°C	40-LFCSP (6 mm × 6 mm)

 

시험/표준 방법	관련 표준 제한	평가된 성능
CISPR 32     복사 방출 (3m에서)	30MHz ~ 230MHz QP 50dBµV/m 230MHz ~ 1GHz QP 57dBµV/m   1GHz ~ 3GHz PK 76dBµV/m, AVE 56dBµV/m 3GHz ~ 6GHz PK 80dBµV/m, AVE 60dBµV/m	산업용 Class A 환경 제한 만족
CISPR 32     전도 방출	0.15MHz ~ 0.5MHz: QP: 53dBµA ~ 43dBµA, AVE: 40dBµA ~ 30dBµA   0.5MHz ~ 30MHz: QP: 43dBμA, AVE: 30dBµA	산업용 Class A 환경 제한 만족
IEC 61000-4-2 ESD	±4kV 접촉 Class B 성능	RJ-45 차폐에 대한 ±6kV Class B 성능
IEC 61000-4-5 서지	±1kV 접지 라인, I/O 신호/제어, Class B 성능	±4kV Class A 성능
IEC 61000-4-4 EFT	±1 kV I/O 신호/제어, Class B 성능	±4kV Class B 성능
IEC 61000-4-6 전도 내성	3V, 150kHz ~ 80MHz, Class A 성능	AM 및 CW 두 가지 동작 모드에서 10V Class A 만족
복사 내성 IEC 61000-4-3	3m에서 10V/m 80MHz ~ 1GHz Class A 성능 3m에서 3V/m 1.4GHz ~ 2GHz, 3m에서 1V/m 2GHz ~ 2.7GHz, 3m에서 1V/m 2. GHz ~ 6GHz	1GHz 이상 산업용 Class A 만족. 3V/m 80MHz ~ 1GHz Class A 만족   CW 및 AM 간섭 모드에서 시험됨

 

 

ADIN1300: EMC/ESD 기능 성능 분류

▶ 클래스 A

    • 링크 끊김 없음

    • 연속적인 손실 또는 오류 패킷 2개 이하*

    • 시스템은 스트레스 후 오류가 없고 사용자 개입 없이 정상적으로 작동해야 한다.

▶ 클래스 B

    • 링크 끊김 없음

    • 손실 및 오류 패킷 허용

    • 시스템은 스트레스 후 오류가 없고 사용자 개입 없이 정상적으로 작동해야 한다.

▶ 클래스 C

    • 시험 중 링크가 끊기거나, 시스템이 사용자 개입을 필요로 한다(예: 스트레스 테스트 후 정상 작동을 복구하기 위한 리셋 또는 전원 사이클).

* 주의: 기능 시험 소프트웨어는 문제의 패킷이 연속적인지 여부를 확인할 수 없음.

 

아나로그디바이스는 최근 최대 105°C의 넓은 온도 범위에서 극한 산업 조건에서 신뢰성 있게 동작하도록 설계된 새로운 산업용 이더넷 PHY 2종을 출시했다. 아나로그디바이스는 산업용 애플리케이션용으로 개발된 신제품에 대한 긴 제품 수명을 보장하기 위해 최선을 다하고 있다. 특별히 이 글에서 언급된 과제를 해결하기 위해 개발된 ADIN1300과 ADIN1200의 향상된 PHY 특징은 다음과 같다.
 

▶ 링크 손실을 10µs 미만에 검출하는 향상된 링크 손실 검출

    • 실시간 산업용 이더넷 프로토콜(예, EtherCAT®)의 요구사항

▶ IEEE 1588 타임 스탬프를 위한 패킷 시작 검출

    • 전체 네트워크에서 정확한 타이밍을 위해 필요

▶ MDI 핀에 향상된 ESD 보호

    • RJ-45 커넥터에 ESD 견고성

▶ 15ms 미만 PHY 파워 업 시간

    • 전원 양호(good)에서부터 사용 가능한 관리 인터페이스/레지스터까지 도달하는 시간

▶ 온칩 전원장치 모니터

    • 파워 업 시 향상된 시스템 레벨 견고성

ADIN1200 및 ADIN1300 산업용 이더넷 PHY 특징의 요약은 표 2를 참조한다.

 

ADIN1300은 업계 최저 전력, 최저 지연, 최소형 패키지 크기, 10Mbps/100Mbps/1000Mbps 산업용 이더넷 PHY로, EMC 및 ESD 견고성에 대해 광범위하게 시험되었으며 최대 105°C의 넓은 주변 온도 동작을 지원한다. 표 3에서 보듯이 ADIN1300 PHY는 EMC/ESD 표준에 대한 시험을 완료했다. IEC 및 EN 표준에 대해 광범위하게 시험된 PHY 기술을 사용할 경우 제품 적합성 테스트 및 인증과 관련된 비용과 시간을 크게 줄일 수 있다.

 

ADIN1200 저전력, 10Mbps/100Mbps, 견고한 산업용 이더넷 PHY는 EMC 및 ESD 견고성에 대해 광범위하게 시험되었으며 최대 105°C의 넓은 동작 온도 범위를 지원한다. fido5200와 ADIN1200은 그림 5에서 볼 수 있듯이 임베디드 2포트 디바이스 커넥티비티를 위한 Profinet®, EtherNet/IP™, EtherCAT, Modbus TCP 및 Powerlink를 지원하는 다중 프로토콜 실시간 산업용 이더넷 디바이스 커넥티비티를 위한 시스템 레벨 솔루션을 구현한다. 

 

ADIN1200 PHY는 EtherCAT 산업용 이더넷 프로토콜을 위한 모든 요구사항을 만족하며, EtherCAT PHY 선택 가이드에 포함되어 있다. ADIN1300 PHY는 EtherCAT G 산업용 이더넷 프로토콜을 위한 모든 요구사항을 만족하며, EtherCAT G PHY 선택 가이드에 포함되어 있다. 자세한 내용은 벡호프(Beckhoff)의 애플리케이션 노트—PHY 선택 가이드를 참조한다.

 

ADIN1300 및 ADIN1200은 고객 평가 보드와 함께 신속한 평가를 위한 소프트웨어 GUI를 사용할 수 있다. analog.com의 ADIN1300 및 ADIN1200 제품 페이지에서 애플리케이션 보드의 소프트웨어 GUI 기능을 설명하는 비디오 튜토리얼을 확인할 수 있다. 그림 6은 애플리케이션 보드와 소프트웨어 GUI를 보여준다.

 

IT와 OT 네트워크를 매끄럽게 연결하고 인더스트리 4.0의 가치를 완전하게 실현하려면 산업용 애플리케이션용으로 설계된 물리 계층 기술이 핵심적인 설계 선택이다. 전력, 지연, 솔루션 크기, 105°C 주변 온도, 견고성(EMC/ESD) 및 긴 제품 수명의 과제를 해결하는 견고한 산업용 이더넷 PHY 기술은 커넥티드 공장의 근간이다. 이 글에 언급된 과제를 해결하기 위해 아나로그디바이스는 최근 2종의 새로운 견고한 산업용 이더넷 PHY인 ADIN1300(10Mbps/100Mbps/1000Mbps) 및 ADIN1200(10Mbps/100Mbps/1000Mbps)을 출시했다.

아나로그디바이스 홈페이지 analog.com/Chronous를 방문하면 ADI Chronous™ 산업용 이더넷 솔루션 포트폴리오와 이 솔루션이 어떻게 실제 산업용 이더넷 네트워크를 가속화하는지 자세히 볼 수 있다.

 

 

모리스 오브라이언(Maurice O’Brien)은 아나로그디바이스의 산업용 커넥티비티 부문 전략적 마케팅 매니저로서, 산업용 애플리케이션을 위한 이더넷 연결 솔루션 지원 전략을 담당하고 있다. 이전에는 아나로그디바이스에서 15년 간 전력 관리 분야에서 애플리케이션과 마케팅 업무를 담당했다. 아일랜드 리머릭 대학에서 전기공학 학사학위를 받았다. 문의: maurice.obrien@analog.com.