단일 쌍 이더넷을 통한 산업 연결

무선 통신에 대한 의존도가 증가하는 세상에서 유선 세상은 다소 지나치게 보입니다. 그러나 산업용 IoT(IIoT)에서는 여전히 유선이 표준입니다. RF 간섭, 혼잡한 무선 대역, 라이선스 요구 사항 및 간단한 응답을 포함하여 산업 환경에서 유선 연결을 유지해야 하는 몇 가지 이유가 있습니다.

전통적으로 산업용 애플리케이션은 Profibus, Modbus, CAN 등과 같은 오래된 필드버스 기술의 대상이었습니다. 이러한 기술은 일반적으로 트위스트 페어 배선을 기반으로 하며 일반적으로 1Mbps 이하의 성능 수준입니다. 산업 세계에서는 비용이 전부입니다. 따라서 센서 및 액추에이터에 대한 배선은 저렴하고 수명이 길어야 합니다. 따라서 단일 트위스트 페어 배선이 표준입니다.

그럼에도 불구하고 우리는 인더스트리 4.0(I4)으로 알려진 4차 산업 혁명의 확장을 보고 있습니다. I4는 대규모 M2M(Machine-to-Machine) 통신의 사용과 자동화 증가를 위한 IoT(Internet of Things) 배포가 특징입니다. 이 추세의 목표는 사람의 개입 없이 작동, 데이터 분석 및 조치를 취할 수 있는 스마트 장치의 배포입니다. I4 성공의 열쇠는 지연을 유발할 수 있는 신호의 중간 변환을 최소화한 연결성과 성능에 기반합니다. 또한 IoT 요소는 종종 센서에서 클라우드로 데이터를 원활하게 전달할 수 있는 데 중점을 둡니다. 현재 세계에서 이것은 IP 프로토콜 스택의 사용을 의미합니다.

불행히도 기존 필드버스 기술 중 어느 것도 일반적으로 IP 프레임을 전달하지 않습니다. 이는 Profibus 또는 CAN 프레임에서 IP로 또는 그 반대로 변환하는 변환기 상자에 대한 요구 사항이 있음을 의미합니다. 이로 인해 지연 시간이 발생하고 비용이 증가합니다. 그리고 이러한 필드버스 기술의 대부분은 Wi-Fi 또는 5G Cellular와 같은 최신 통신에 비해 상대적으로 느리기 때문에 I4의 증가하는 통신 요구 사항을 지원하려면 새로운 접근 방식이 필요합니다.

자동차의 발전 활용

자동차 세계에서는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)에 있는 센서에 필요한 데이터 양이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 기존 산업 애플리케이션과 마찬가지로 자동차 애플리케이션은 전자 제어 장치(ECU)와 잠금 방지 브레이크, 배기 가스 제어 등과 같은 센서/액추에이터 간의 통신을 위해 CAN과 같은 필드버스 기술에 의존해 왔습니다. 그러나 CAN의 1Mbps 속도 제한 또는 CAN-FD의 향상된 데이터 속도(최대 5Mbps)는 최신 ADAS 장착 차량의 다중 카메라 피드, 레이더 및 라이더에 충분하지 않습니다. 자동차 애플리케이션에 필요한 것은 무게를 줄이면서 새로운 기능의 출시 시간을 단축하는 안정적인 고속 네트워킹 기능입니다. 또한 차량 내에서 IP를 지원하는 기능은 소프트웨어 개발을 용이하게 하고 프로토콜 변환기의 필요성을 최소화합니다.

정보 기술 세계의 한 페이지를 보면 이더넷이 무선 프로토콜의 관점에서도 매우 지배적인 기술이라는 것을 알 수 있습니다. 이더넷은 클라우드 인프라 내에서 최대 400Gbps의 데이터 속도로 보장된 성능을 제공하는 백본입니다. 그러나 기존 이더넷은 일반적으로 2쌍 또는 4쌍 배선 또는 광섬유를 사용합니다. 단일 쌍 CAN 버스와 비교할 때 기존 이더넷 케이블은 더 비싸고 무겁거나(2쌍 또는 4쌍 배선의 경우) 덜 견고합니다(광섬유의 경우). 따라서 1Gbps 범위의 데이터 속도를 처리할 수 있는 단일 쌍 이더넷이 이상적입니다. xBASE-T1 SPE(Single Pair Ethernet)를 입력합니다.

SPE 표준화

IEEE 802.3 작업 그룹은 이더넷과 관련된 표준을 담당합니다. 원래 1983년에 표준화된 이더넷은 다양한 형태로 ARCNET, FDDI 및 토큰 링을 포함한 경쟁 기술을 압도했습니다. 원래 동축 케이블을 기반으로 한 이더넷은 차폐 및 비차폐 연선 케이블을 모두 사용하도록 발전했으며 1990년대 초에는 유비쿼터스 RJ45(8P8C) 커넥터가 IT의 많은 컴퓨팅 장치에 공통적으로 사용되었습니다.

원래의 10BASE-T 구현은 전송에 사용되는 차동 쌍과 수신에 사용되는 차동 쌍이 있는 두 개의 전선 쌍에 의존했습니다. 10Mbits/sec로 제한되는 이 표준은 원래의 동축 기반 접근 방식보다 훨씬 빠르지만 동축 솔루션의 버스 토폴로지 대신 별 모양을 사용했습니다. 이 스타 와이어 방식에서는 스위치 포트에 연결된 장치 간의 데이터 이동을 처리할 수 있는 이더넷 스위치로 알려진 중앙 집중식 허브를 사용해야 했습니다. 이 동일한 2쌍 케이블 솔루션은 최대 100Mbits/sec의 데이터 속도를 지원하는 100BASET라고도 하는 고속 이더넷의 도입으로 계속되었습니다. 기가비트 이더넷(1000BASE-T)의 도입으로 전선 쌍의 수가 4개로 두 배로 늘어났고 데이터 속도가 10배나 뛰어올랐습니다.

데이터 속도의 변경 외에도 PoE(PoE - IEEE 802.at-2009)로 알려진 기술은 데이터와 동일한 이더넷 케이블로 전원을 공급하는 몇 가지 대체 수단을 도입했습니다. 48VDC에서 최대 25.5W의 공급을 지원하는 PoE는 감시 카메라 및 무선 액세스 포인트와 같은 원격 장치에 전원을 공급할 수 있습니다. 이후 버전은 Power over Data Lines(PoDL – IEEE 802.3bu-2016)로 알려져 있으며 12, 24 또는 48VDC에서 최대 50W를 제공할 수 있습니다. PoDL은 xBASE-T1 SPE 시장을 위해 특별히 개발되었으며 단일 전선 쌍을 통해 데이터와 전력을 모두 전달할 수 있습니다.

xBASE-T1 표준은 10BASE-T1L(IEEE 802.3cg), 100BASE-T1(IEEE 802.3bw) 및 1000BASE-T1(IEEE 802.3bp)으로 더 세분화될 수 있습니다. 다음 표에는 이러한 변형의 주요 기능이 요약되어 있습니다.

10BASE-T1L의 "L"은 1Km 길이로 인해 "긴 리치"를 의미합니다(많은 구현은 케이블 품질 및 커넥터 유형에 따라 실제로 1Km를 초과할 수 있음). SPE 사양의 많은 장점 중 하나는 기존 단일 연선 필드버스 케이블을 사용할 수 있다는 것입니다. 이는 산업 응용 분야에서 엄청난 절감 효과입니다. 또한 PoDL을 추가하면 원격 장치가 통신을 지원하고 동일한 케이블 세그먼트를 통해 전원을 공급받을 수 있습니다. 추가 이점으로 10Mbit/sec의 데이터 속도는 대체할 필드버스 구현보다 훨씬 빠릅니다.

T1L 변형은 점대점 애플리케이션을 대상으로 하지만 20mA 전류 루프 및 CAN과 같은 일반적인 필드버스 버전을 대체하기 위해 멀티 드롭 구현으로 연결된 "근거리" 변형(10BASE-T1S)도 있습니다. . T1S 풍미의 도달 범위는 25m로 상당히 단축되었습니다. 그러나 멀티 드롭을 사용하면 미디어 액세스 PHY용 단일 포트 인터페이스로 단일 케이블을 실행할 수 있습니다.

멀티 드롭 액세스를 지원하고 케이블에서 잠재적인 경합을 피하기 위해 두 가지 접근 방식이 있습니다. 첫 번째는 1980년대의 원래 이더넷 구현을 연상시키는 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)를 사용하는 것입니다. 이 접근 방식에서 각 스테이션은 전송하기 전에 먼저 버스의 트래픽을 수신 대기합니다. 여러 스테이션이 동시에 전송을 시도하는 경우 충돌이 감지되고 각 스테이션은 전송을 중지하고 짧은 임의의 시간을 기다린 다음 유휴 버스를 수신 대기하고 다시 전송을 시도하는 프로세스를 반복합니다. 이것은 간단한 접근 방식이지만 통신에 확률적 요소를 추가하여 대기 시간이 발생합니다.

애플리케이션이 특히 대기 시간에 민감한 경우 대체 PLCA(물리 계층 충돌 방지) 메커니즘을 CSMA/CD에 추가할 수 있습니다. 여기서 한 스테이션은 마스터로 지정되며, 이는 비컨에 지정된 스테이션만 전송(토큰 링 구현과 유사). 이것은 각 스테이션에 대해 지정된 슬롯을 제공하고 스테이션 수가 최대 31개 스테이션으로 증가함에 따라 충돌 가능성을 방지함으로써 결정을 용이하게 합니다. PoDL은 아직 멀티 드롭 애플리케이션에 사용하도록 정의되지 않았습니다.

이더넷은 이더넷입니다

SPE의 중요한 이점 중 하나는 최종 분석에서 이더넷이라는 것입니다. 따라서 프로토콜 스택에 관한 한 SPE는 다른 모든 이더넷 세그먼트와 같습니다. 즉, SPE 구현 위에 IPv4/IPv6 프로토콜을 쉽게 사용할 수 있습니다. 이는 소프트웨어 팀이 통신을 위해 표준 IP 기반 API를 사용할 수 있기 때문에 엄청난 소프트웨어 개발 시간을 절약해 줍니다. 필드버스 변형 중 하나에서 IP로 또는 그 반대로 프로토콜을 변환할 필요가 없으므로 대기 시간이 줄어들고 프로토콜 변환기 장치의 비용이 절감됩니다.

SPE 스위치의 자동 속도 감지도 일반적인 4쌍 이더넷 스위치와 마찬가지로 가능합니다. 따라서 하나의 스위치는 10BASE-T1, 100BASE-T1 및 1000 BASE-T1 세그먼트를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 패널 PC와 같은 기존 IT 하드웨어에 대한 디버깅 또는 인터페이스를 위한 보다 전통적인 2쌍 또는 4쌍 이더넷 인터페이스를 지원할 수 있습니다. 스위치는 필요한 경우 원격 장치에 전원을 공급하기 위해 PoDL을 지원할 수도 있습니다.

실수로 SPE와 기존 이더넷 세그먼트를 혼합하는 것을 방지하기 위해 SPE는 IEC 63171-6 커넥터를 사용합니다. 이 커넥터는 개방형 표준이며 IP20 및 IP65/67 버전 모두에서 사용할 수 있습니다. 제조업체는 표준 삽입, 푸시/풀 및 나사 유형 결합면으로 커넥터를 제공하고 있습니다. 또한 기존 필드버스 구현에서 볼 수 있는 M8 및 M12 커넥터에 대한 옵션이 있습니다.

전망

SPE는 인더스트리 4.0에서 중요한 역할을 할 태세입니다. SPE 산업 파트너 네트워크는 이미 케이블, 어셈블리, PHY 실리콘, 이더넷 스위치 및 평가 장치를 제공하는 30개 이상의 제조업체로 구성되어 있습니다. 더 나은 성능을 제공하고, 기존 케이블 플랜트를 활용하고, 전원을 공급하고, 기존 IT 유형 이더넷 구현과 소프트웨어 호환이 가능한 SPE는 기존 시스템이 노후화됨에 따라 유선 센서 및 액추에이터를 교체하기 위한 비교적 저렴한 업그레이드 경로를 제공합니다. . SPE는 산업 자동화 및 자동차의 미래입니까? 확실히 잠재력이 있습니다.

이 기사는 The Aerospace Corporation(El Segundo, CA)의 임베디드 시스템 설계자인 Mike Anderson, 선임 프로젝트 리더가 작성했습니다. 자세한 내용은 michael.e.anderson@ aero.org로 Anderson 씨에게 연락하거나 여기를 방문하십시오. .