싱글 페어 이더넷: 신뢰할 수 있는 산업용 연결성

무선 통신에 대한 의존도가 높아지는 세상에서 유선 세계는 구식처럼 보일 수 있습니다. 그러나 산업용 IoT(IIoT)에서는 유선이 여전히 표준입니다. 산업 현장에서 유선 연결을 유지하는 데에는 RF 간섭, 혼잡한 무선 대역, 라이선스 요구사항, 단순 반응성 등 여러 이유가 있습니다.

전통적으로 산업 애플리케이션은 Profibus, Modbus, CAN 등 구형 필드버스 기술의 대상이었습니다. 이러한 기술은 일반적으로 트위스트 페어 배선을 기반으로 하며, 일반적으로 1Mbps 이하의 성능 수준입니다. 산업 세계에서는 비용이 모든 것입니다. 따라서 센서와 액추에이터로의 배선은 저렴하고 오래 지속되어야 합니다. 따라서 단일 트위스트 페어 배선이 표준입니다.

그럼에도 불구하고 우리는 제4차 산업 혁명, 즉 인더스트리 4.0(I4)의 확장을 목격하고 있습니다. I4는 대규모 M2M(기계 간) 통신과 자동화 증대를 위한 IoT 배포가 특징입니다. 이 추세의 목표는 사람의 개입 없이 작동하고, 데이터를 분석하며, 조치를 취할 수 있는 스마트 장치를 배치하는 것입니다. I4 성공의 열쇠는 신호의 중간 변환을 최소화하여 지연을 유발할 수 있는 연결성과 성능에 기반합니다. 또한 IoT 요소는 센서에서 클라우드까지 데이터를 원활하게 통신할 수 있는 것에 중점을 두는 경우가 많습니다. 현재 세상에서 이는 IP 프로토콜 스택의 사용을 의미합니다.

불행히도 기존 필드버스 기술 중 어느 것도 일반적으로 IP 프레임을 전달하지 않습니다. 이는 Profibus 또는 CAN 프레임을 IP로, 그 반대로 변환하는 변환기 박스가 필요하다는 것을 의미합니다. 이는 지연을 도입하고 비용을 증가시킵니다. 게다가 이러한 필드버스 기술 대부분이 Wi-Fi나 5G 셀룰러 같은 현대 통신에 비해 상대적으로 느리기 때문에, I4의 증가하는 통신 요구사항을 지원하기 위한 새로운 접근 방식이 필요합니다.

자동차 기술 발전 활용

자동차 세계에서는 ADAS(첨단 운전자 지원 시스템)에 있는 센서에 필요한 데이터 양이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 전통적인 산업 애플리케이션과 마찬가지로 자동차 애플리케이션도 ECU(전자 제어 장치)와 ABS, 배출가스 제어 등의 센서/액추에이터 간 통신에 CAN 같은 필드버스 기술에 의존해 왔습니다. 그러나 CAN의 1Mbps 속도 제한이나 CAN-FD의 향상된 데이터 속도(최대 5Mbps)조차도 최신 ADAS 장착 차량의 다중 카메라 피드, 레이더, 라이다에는 충분하지 않습니다. 자동차 애플리케이션에는 신기능의 시장 출시 시간을 단축하면서 무게를 줄이는 신뢰할 수 있는 고속 네트워킹 기능이 필요합니다. 또한 차량 내에서 IP를 지원하면 소프트웨어 개발이 용이해지고 프로토콜 변환기의 필요성이 최소화됩니다.

IT 세계에서 한 페이지를 가져오면, 무선 프로토콜이 있음에도 이더넷이 여전히 지배적인 기술임을 알 수 있습니다. 이더넷은 클라우드 인프라 내에서 최대 400Gbps의 데이터 속도로 보장된 성능을 제공하는 백본입니다. 그러나 전통적인 이더넷은 일반적으로 2페어 또는 4페어 배선 또는 광섬유를 사용합니다. 단일 페어 CAN 버스와 비교할 때, 전통적인 이더넷 케이블링은 더 비싸고, 무겁습니다(2페어 또는 4페어 배선 경우), 또는 덜 견고합니다(광섬유 경우). 따라서 1Gbps 범위의 데이터 속도를 처리할 수 있는 싱글 페어 이더넷이 이상적입니다. xBASE-T1 싱글 페어 이더넷(SPE)이 등장했습니다.

SPE 표준화

IEEE 802.3 작업 그룹은 이더넷과 관련된 표준을 담당합니다. 1983년에 처음 표준화된 이더넷은 ARCNET, FDDI, 토큰 링 등 경쟁 기술을 제치고 다양한 형태로 발전했습니다. 원래 동축 케이블 기반이었던 이더넷은 차폐 및 비차폐 트위스트 페어 케이블링을 사용하도록 진화했으며, 1990년대 초반에는 RJ45(8P8C) 커넥터가 IT 분야의 많은 컴퓨팅 장치에서 흔한 고정 장치가 되었습니다.

원래 10BASE-T 구현은 2개의 와이어 페어에 의존했으며, 하나의 차동 페어는 송신용, 다른 하나는 수신용으로 사용되었습니다. 10Mbits/sec로 제한된 이 표준은 원래 동축 기반 접근 방식보다 훨씬 빨랐지만, 동축 솔루션의 버스 토폴로지 대신 스타 토폴로지를 사용했습니다. 이 스타 배선 방식은 스위치 포트에 연결된 장치 간 데이터 이동을 처리할 수 있는 중앙 집중식 허브인 이더넷 스위치의 사용을 의무화했습니다. 이 동일한 2페어 케이블 솔루션은 Fast Ethernet(100BASE-T) 도입으로 이어졌으며, 최대 100Mbits/sec의 데이터 속도를 지원합니다. 기가비트 이더넷(1000BASE-T) 도입으로 와이어 페어 수가 4개로 늘어나고 데이터 속도는 한 단계 뛰어올랐습니다.

데이터 속도 변경 외에도, PoE(IEEE 802.3at-2009)라는 기술은 데이터와 동일한 이더넷 케이블로 전력을 공급하는 여러 대체 수단을 도입했습니다. 48VDC에서 최대 25.5W 공급을 지원하는 PoE는 감시 카메라와 무선 액세스 포인트 같은 원격 장치에 전원을 공급할 수 있게 했습니다. 이후 버전은 PoDL(IEEE 802.3bu-2016)로 알려진 Data Lines을 통한 전원 공급으로, 12, 24, 또는 48VDC에서 최대 50W 공급을 허용합니다. PoDL은 xBASE-T1 SPE 시장을 위해 특별히 개발되어 단일 와이어 페어로 데이터와 전력을 모두 공급할 수 있게 했습니다.

xBASE-T1 표준은 10BASE-T1L(IEEE 802.3cg), 100BASE-T1(IEEE 802.3bw), 1000BASE-T1(IEEE 802.3bp)로 더 세분화할 수 있습니다. 다음 표는 이러한 변형의 주요 기능을 요약합니다:

10BASE-T1L의 'L'은 1km 길이 덕분에 '장거리(long reach)'를 의미합니다(많은 구현이 케이블 품질과 커넥터 유형에 따라 실제로 1km를 초과할 수 있음). SPE 사양의 많은 장점 중 하나는 기존 단일 트위스트 페어 필드버스 케이블 런을 사용할 수 있다는 것입니다. 이는 산업 애플리케이션에 엄청난 절감 효과입니다. PoDL 추가로 원격 장치는 통신을 지원하고 동일한 케이블 세그먼트로 전원을 공급받을 수 있습니다. 추가 이점으로, 10Mbit/sec 데이터 속도는 대체하려는 필드버스 구현보다 훨씬 빠릅니다.

T1L 변형이 포인트 투 포인트 애플리케이션을 대상으로 하는 반면, '단거리(short reach)' 변형(10BASE-T1S)도 있으며, 이는 20mA 전류 루프와 CAN 같은 일반적인 필드버스 버전을 대체하기 위해 멀티드롭 구현으로 배선됩니다. T1S 변형의 도달 거리는 25m로 크게 단축됩니다. 하지만 멀티드롭을 사용하면 미디어 액세스 PHY에 대한 단일 포트 인터페이스로 단일 케이블 런이 가능합니다.

멀티드롭 액세스를 지원하고 케이블에서 잠재적 경합을 피하기 위해 두 가지 접근 방식이 있습니다. 첫 번째는 1980년대 원래 이더넷 구현으로 거슬러 올라가는 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 사용입니다. 이 접근 방식에서 각 스테이션은 전송하기 전에 버스의 트래픽을 먼저 청취합니다. 여러 스테이션이 동시에 전송을 시도하면 충돌이 감지되고, 각 스테이션은 전송을 중단하고 짧은 무작위 시간 대기 후, 다시 유휴 버스를 청취하고 전송을 재시도하는 과정을 반복합니다. 이는 단순한 접근 방식이지만 통신에 확률적 요소를 추가하여 지연을 유발합니다.

애플리케이션이 특히 지연에 민감한 경우, CSMA/CD에 PLCA(Physical Layer Collision Avoidance) 메커니즘을 추가할 수 있습니다. 한 스테이션이 마스터로 지정되어 비콘을 보내 비콘에 지정된 스테이션만 전송할 수 있게 합니다(토큰 링 구현과 유사). 이는 각 스테이션에 지정된 슬롯을 제공하고 스테이션 수가 최대 31개까지 증가함에 따라 충돌 가능성을 피함으로써 결정성을 보장합니다. PoDL은 아직 멀티드롭 애플리케이션에서 사용하도록 정의되지 않았다는 점에 유의해야 합니다.

이더넷은 이더넷이다

SPE의 중요한 장점 중 하나는 결국 이더넷이라는 것입니다. 따라서 프로토콜 스택 측면에서 SPE는 다른 이더넷 세그먼트와 같습니다. 이는 IPv4/IPv6 프로토콜을 SPE 구현 위에 쉽게 사용할 수 있음을 의미합니다. 이는 소프트웨어 팀이 통신을 위해 표준 IP 기반 API를 사용할 수 있어 소프트웨어 개발 시간을 크게 절약합니다. 필드버스 변형에서 IP로, 다시 IP에서 필드버스로의 프로토콜 변환이 필요 없어 지연을 줄이고 프로토콜 변환기 장치의 비용을 제거합니다.

일반적인 4페어 이더넷 스위치와 마찬가지로 SPE 스위치에서도 자동 속도 감지가 가능합니다. 따라서 하나의 스위치가 10BASE-T1, 100BASE-T1, 1000BASE-T1 세그먼트는 물론 기존 2페어 또는 4페어 이더넷 인터페이스도 지원하여 패널 PC 같은 기존 IT 하드웨어와의 디버깅이나 인터페이스를 지원할 수 있습니다. 스위치는 필요시 원격 장치에 전원을 공급하기 위해 PoDL도 지원할 수 있습니다.

SPE와 전통적인 이더넷 세그먼트가 실수로 혼용되는 것을 방지하기 위해 SPE는 IEC 63171-6 커넥터를 사용합니다. 이 커넥터는 개방형 표준이며 IP20 및 IP65/67 버전으로 제공됩니다. 제조업체는 표준 삽입, 푸시/풀, 스크류 타입 결합면으로 커넥터를 제공합니다. 또한 기존 필드버스 구현에서 발견되는 M8 및 M12 커넥터 옵션도 있습니다.

전망

SPE는 인더스트리 4.0에서 중요한 역할을 할 태세입니다. SPE 산업 파트너 네트워크는 이미 케이블, 어셈블리, PHY 실리콘, 이더넷 스위치, 평가 장치를 제공하는 30개 이상의 제조업체로 구성되어 있습니다. 더 높은 성능 제공, 기존 케이블 플랜트 활용, 전력 공급, 전통적인 IT형 이더넷 구현과의 소프트웨어 호환성 등을 통해 SPE는 기존 시스템이 노후화됨에 따라 유선 센서와 액추에이터를 교체하기 위한 상대적으로 저비용 업그레이드 경로를 제공합니다. SPE가 산업 자동화와 자동차의 미래일까요? 확실히 그럴 잠재력이 있습니다.

이 기사는 The Aerospace Corporation의 수석 프로젝트 리더/임베디드 시스템 아키텍트 Mike Anderson이 작성했습니다. 자세한 정보는 michael.e.anderson@aero.org로 문의하거나 여기를 방문하세요.