[테크월드=선연수 기자]
산업 속 이더넷의 필요성
산업 시스템에서의 이더넷 연결 기술 채택이 늘고 있다. 제조기업들이 인더스트리 4.0과 스마트 공장의 주요 통신 과제 해결에 나서고 있기 때문이다. 이런 과제 속에는 데이터 통합, 동기화, 엣지 커넥티비티, 시스템 상호운용성이 모두 포함된다.
이더넷으로 연결된 공장은 정보 기술(IT)과 운영 기술(OT) 네트워크를 연결함으로써, 제조 생산성을 높이고 더욱 유연하고 확장성 있는 제조 실현을 돕는다. 이를 통해 시간 결정적 통신을 지원하는 원활하고 안전한 통합 고대역폭 네트워크 속에서 공장은 모든 영역을 모니터링하고 제어할 수 있다.
산업용 이더넷 PHY의 향상 요구
확장된 컴퓨팅과 견고한 통신 인프라는 커넥티드 공장의 동맥과도 같다. 다양한 통신 프로토콜을 사용해 네트워크를 연결하고 있는 공장은 전체의 트래픽 변환을 위해 복잡하고 전력 소모가 많은 게이트웨이를 사용하는 것이 불가피하다. 점점 더 늘어나는 트래픽 부하와 상호운용성 문제가 해결과제인 것이다. 산업용 이더넷은 핵심적이고 확정적인 성능을 공장 엣지(Edge)에 원활하게 제공함으로써 단일 네트워크에서의 상호운용성 문제를 해결한다.
산업용 이더넷 기술의 역사를 돌아보면, 아쉽게도 극한의 산업용 환경을 위해 특별히 설계된 이더넷 물리 계층(PHY, Physical Layer)은 거의 없었다. 산업용 통신 장비 설계자는 매우 오랫동안, 대량 시장용으로 개발된 표준 규격의 소비자 등급 이더넷 PHY를 사용하는 선에서 타협해야 했다.
그러나 엣지 노드 수가 급격히 증가하고 커넥티드 공장 구현에 있어 확정적인 성능이 필수적인 인더스트리 4.0 시대에는, 더욱 향상된 산업용 등급을 준수하는 산업용 이더넷 PHY가 중요하다.
IT와 OT 이더넷 연결 기술의 핵심
이더넷은 풍부한 지원, 확장 가능성, 유연한 고대역폭 통신 솔루션 등의 장점들로 오래전부터 IT 세계에서 주요 통신 기술로 사용돼 왔다. 또한 IEEE 표준으로서 상호운용성의 이점도 제공한다. 그러나 IT와 OT 네트워크 연결, 이더넷 기술에 기반한 매끄러운 연결을 구현하기 위해서는 시간 결정적인 연결을 필요로 하는 극한 산업 환경에 배치하는 것이 핵심이다.
산업용 이더넷 기반 앱 구현과 이더넷 배치
[그림 1]은 산업용 이더넷 연결에 기반해 스마트 공장 커넥티드 모션 애플리케이션을 구현한 것이다. 스마트 공장에서는 고품질 제조와 머시닝을 위해 다축 동기화와 정밀 모션 제어가 필수적이다. 향상된 생산량과 출력 품질에 대한 수요가 늘어나면서, 서버 모터 드라이브에서는 더 빠른 응답 시간과 더 높은 정밀성이 요구된다.
향상된 시스템 성능은 최종 장비에 사용되는 서보 모터 축보다도 엄격한 동기화를 필요로 한다. 오늘날 실시간 100Mb 이더넷은 모션 제어 시스템에 광범위하게 사용되고 있지만, 이런 동기화의 대상은 네트워크 마스터와 슬레이브 간 데이터 트래픽에 그친다.
네트워크에서 동기화는 네트워크 간 경계를 넘나들며, 1μs 이하에서 곧장 서보 모터 제어 내 PWM 출력으로 구현돼야 한다.
IEEE 802.1 TSN(time sensitive networking)을 사용해 더 빠른 데이터 속도를 가진 기가비트 산업용 이더넷을 기반으로 구현할 수 있다. 이로 인해 로봇, CNC 머신과 같은 다축 애플리케이션에서 머시닝과 생산 정확도를 높일 수 있다. 엣지-클라우드 연결을 위해 실시간 산업용 이더넷 프로토콜로 단일 고대역폭 융합 네트워크에서 모든 디바이스를 연결할 수도 있다.
산업 환경에서 이더넷을 배치하는 네트워크 설치 엔지니어의 또 다른 과제는 견고성과 높은 주변 온도다. 케이블 길이가 길면 모터와 생산 장비에서 발생하는 고전압 과도상태에 의해 데이터와 장비가 훼손될 수 있다. [그림 1]처럼 산업용 이더넷을 성공적으로 배치하기 위해서는 향상된 이더넷 PHY 기술이 필요하고, 이는 높은 주변 온도 환경에서도 동작할 수 있는 소형 패키지에 견고성, 저전력, 낮은 지연 특성을 고루 갖춰야 한다.
이 글에서는 커넥티드 공장에 이더넷 PHY 솔루션을 배치할 경우의 해결 과제들에 대해 살펴본다.
산업용 이더넷 PHY
산업용 이더넷 PHY는 OSI(Open Systems Interconnection) 네트워크 모델에 기반해 이더넷 프레임을 송·수신할 수 있는 PHY 트랜시버 디바이스를 의미한다. 이더넷은 OSI 모델에서 계층 1(PHY)과 계층 2(데이터 링크 계층)의 일부를 다루며, IEEE 802.3 표준에 의해 정의된다. PHY 은 전기 신호 유형, 신호 전송 속도, 매체·네트워크 토폴로지를 지정한다. 또한 1000BASE-T(1000Mbps), 100BASE-TX(구리 케이블에서 100Mbps), 10BASE-T(10Mb) 표준의 이더넷 PHY 부분을 구현한다.
데이터 링크 계층은 송·수신되는 메시지의 프레임 구조와 매체에서 통신이 이뤄지는 방식을 지정한다. 이는 데이터를 비트 스트림에서 추출할 수 있도록, 와이어로부터 비트를 뽑아 내 정렬하는 것을 의미한다. 이더넷에서는 이를 MAC(Media Access Control)이라고 부르며, 호스트 프로세서나 이더넷 스위치에 통합된다. fido5100, fido5200은 ADI가 계층 2 커넥티비티를 위해 출시한 2포트 산업용 이더넷 임베디드 스위치 2종으로, 다중 프로토콜 실시간 산업용 이더넷 디바이스 커넥티비티를 지원한다.
▷ '산업 속 시간 결정적 통신을 위한 이더넷 PHY 솔루션 ②'로 이어집니다.
글: 모리스 오브라이언(Maurice O’Brien) 전략 마케팅 매니저
자료제공: 아나로그디바이스
- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 6월 호에 게재된 기사입니다.
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