산업 속 시간 결정적 통신을 위한 이더넷 PHY 솔루션 ②

[테크월드=선연수 기자] 

▷ '산업 속 시간 결정적 통신을 위한 이더넷 PHY 솔루션 ①'과 이어지는 기사입니다.

산업용 이더넷 PHY 요구사항

전력 소모와 높은 주변 온도

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. 만약 6이라면, 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 보호됨을 뜻하며, 7은 디바이스가 1m 담수에 최대 30분 동안 잠겨도 괜찮음을 의미한다.

이런 유형의 밀폐형 인클로저는 열 전도 성능이 낮아, 전력 소모와 높은 주변 온도가 이더넷 PHY 디바이스에서의 주요한 과제다. 산업용 이더넷 배치를 위해 최대 105℃의 높은 주변 온도에서 동작하며, 상당히 낮은 전력 소모를 갖는 이더넷 PHY 디바이스가 요구된다.

일반적인 산업용 이더넷 네트워크는 라인과 링 토폴로지로 배치된다. 네트워크 토폴로지는 스타 네트워크에 비해 배선 길이가 짧고, 링 네트워크는 이중 경로를 갖는다. 라인이나 링 네트워크에 연결된 각 디바이스는 네트워크에서 이더넷 프레임을 전달하기 위해서는 2개의 이더넷 포트가 필요하다. 연결된 디바이스마다 PHY가 2개씩 있기 때문에, 이런 활용 사례에서 이더넷 PHY 전력 소모는 더욱 중요해진다. 기가비트 PHY 전력 소모는 전체 전력 소모에 주요한 영향을 미치며 전력 소모가 낮은 PHY를 사용할 경우, 디바이스에서 FPGA/프로세서와 이더넷 스위치에 더 많은 전력 예산을 할당할 수 있다.

[그림 2]는 2.5W의 전력 소모 예산을 갖는 디바이스 사례를 보여준다. 이 디바이스는 FPGA, DDR 메모리와 1.8W의 예산을 요구하는 이더넷 스위치를 포함한다. 이로 인해 PHY 2개에 사용할 수 있는 전력 소모 예산은 700mW만 남게 된다. 디바이스 열 요구사항을 만족하기 위해서는 전력 소모가 350mW 미만인 Gb PHY가 필요하지만, 이 정도 수준의 전력 소모 목표를 만족하는 PHY 옵션은 구하기 쉽지 않다.

EMC/ESD 견고성

산업용 네트워크는 생산 장비 잡음으로 고전압 과도상태를 갖는 열악한 공장 환경 속에서 최대 100m의 케이블 길이를 가지며, 장비 설치자와 조작자로부터 ESD가 발생하는 경우도 많다. 산업용 이더넷을 성공적으로 배치하기 위해서는 견고한 PHY 기술이 필수적이다.

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

표준 인증을 받기 위해서는 비용도 많이 들고, 표준 중 어느 하나를 만족하기 위해 반복적인 설계가 필요하게 되며 이로 인해 출시가 늦어지는 건 허다한 일이다. 이에 IEC와 EN 표준에 대한 시험을 이미 완료한 PHY 디바이스를 사용하면 신제품 개발 비용과 위험을 상당히 낮출 수 있다.

이더넷 PHY 지연

[그림 1]과 같이 실시간 통신을 요구하는 애플리케이션에서는 정밀한 모션 제어가 가장 중요하다. 그러나 애플리케이션에서의 PHY 지연은 전체 산업용 이더넷 네트워크 사이클 시간의 핵심으로 매우 중요한 부분이다.

네트워크 사이클 시간은 컨트롤러가 모든 디바이스의 데이터를 수집, 업데이트하는 데 필요한 통신 시간을 말한다. 네트워크 사이클 시간이 적을수록 시간 결정적인 통신에서 애플리케이션 성능이 높아지며, 지연이 적은 이더넷 PHY는 최소 네트워크 사이클 시간을 달성하도록 지원하고 네트워크에 더 많은 디바이스를 연결할 수 있도록 한다.

라인과 링 네트워크는 하나의 디바이스에서 다른 디바이스로 데이터를 전송할 경우 이더넷 포트 2개를 필요로 하는데, 이더넷 PHY 지연은 디바이스당 2포트(데이터 입력 포트/데이터 출력 포트)이기에 영향이 두 배가 된다[그림 3]. 32개 디바이스(64PHY)들로 구성되는 네트워크에서 PHY 지연이 25% 감소할 경우, 산업용 이더넷 PHY 지연은 연결할 수 있는 노드의 수와 산업용 이더넷 네트워크의 성능(사이클 시간)에 상당한 영향을 미친다.

이더넷 PHY 데이터 속도 확장성

10Mb, 100Mb, 1Gb 등 다양한 데이터 속도를 지원하는 산업용 이더넷 PHY 디바이스를 사용하는 것도 중요하다. PLC(Programmable Logic Controller)와 모션 컨트롤러 간 연결에는 고대역폭, 기가비트(1000BASE-T) TSN 이더넷 연결이 필요하다. 필드 레벨 커넥티비티는 100Mb(100BASE-TX) PHY에서 산업용 이더넷 프로토콜을 실행하는 이더넷 연결에 기반한다.

엔드 노드/엣지 디바이스 커넥티비티를 위해 IEEE 802.3cg/10BASE-T1L를 바탕으로 완성된 새로운 PHY 표준이 있다. 이는 최대 1km 단일 트위스트 페어 케이블에서 10Mb 대역폭으로 저전력 이더넷 PHY 기술을 구현하도록 해줘, 공정 제어에서 본질적으로 안전한 애플리케이션에 사용할 수 있다. [그림 4]는 공정 제어 이더넷 연결로, PLC에서부터 엔드 노드 액추에이터와 필드 계측기까지 확장할 수 있는 이더넷 PHY 데이터 속도를 필요로 한다는 것을 알 수 있다.

솔루션 크기

이더넷 기술이 산업용 네트워크의 엣지로 확산되면서 연결된 노드의 크기는 점점 작아지고 있다. 이더넷에 연결된 센서/액추에이터는 매우 작은 폼팩터를 가질 수 있어, 산업 애플리케이션용으로 개발된 소형 패키지의 PHY를 필요로 한다. 0.5mm 핀 피치의 LFCSP/QFN 패키지는 견고성을 입증 받았으며, 고가의 PCB 제조 흐름을 요구하지 않는다. 밑면 패들이 노출된 구조로 높은 주변 온도 동작에서 증가된 전력 소모에 사용할 수 있는 이점도 가진다.

제품의 수명

장비는 15년 이상 작동해야 하는 경우도 있어, 산업 장비 제조업체들에게 제품의 수명은 중요한 관심사 중 하나다. 이는 제품 단종이 매우 큰 비용과 시간이 드는 제품 재설계 활동을 수반함을 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 요건은 [표 1], [표 2], [표 3]을 통해 확인할 수 있다.

ADIN1300의 EMC/ESD 성능은 다음과 같이 클래스 A, B, C로 분류할 수 있다.

새로운 산업용 이더넷 PHY 기술

아나로그디바이스(이하 ADI)는 극한의 산업 조건 속에서, 최대 105℃의 넓은 온도 범위로 신뢰성 있게 동작하는 산업용 이더넷 PHY 2종을 출시했다. ADI는 긴 제품 수명을 보장하기 위해 노력하고 있으며, 이 글을 통해 알아본 과제 해결에 적합한 ADIN1300, ADIN1200의 PHY 특징은 다음과 같다. 특징 요약은 [표 2]를 참고하면 된다.

ADIN1300은 저전력, 저지연, 작은 크기의 패키지, 10Mbps/100Mbps/1000Mbps 산업용 이더넷 PHY로 EMC와 ESD 견고성에 대해 광범위하게 시험된 제품이며, 최대 105℃의 넓은 주변 온도 동작을 지원한다. ADIN1200 저전력, 10Mbps/100Mbps, 견고한 산업용 이더넷 PHY는 역시 EMC와 ESD 견고성에 대해 광범위하게 시험됐으며, 최대 105℃의 넓은 동작 온도 범위를 지원한다[그림 5].

[그림 6]에서 볼 수 있듯이 fido5200와 ADIN1200은 임베디드 2포트 디바이스 커넥티비티를 위한 Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP, 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 포함돼 있다. ADIN1300 PHY도 EtherCAT G 산업용 이더넷 프로토콜을 위한 모든 요구사항을 만족하며, EtherCAT G PHY 선택 가이드에 포함돼 있다.

결론

IT와 OT 네트워크를 매끄럽게 연결하고 인더스트리 4.0의 가치를 완전하게 실현하기 위한 핵심 설계는, 산업 애플리케이션용으로 설계된 PHY 기술이다. 전력, 지연, 솔루션 크기, 105℃ 주변 온도, 견고성(EMC/ESD), 긴 제품 수명 등에 대한 과제를 해결하는 견고한 산업용 이더넷 PHY 기술은 커넥티드 공장의 근간이다.

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.