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마이크로칩 2021-04

[기술기고] 산업용 이더넷 구리 배선 표준 및 테스트

입력 : 2021.01.20 10:12

Matrix 320가 산업현장의 산업용 이미지 기반 스캐너 판을 흔든다
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[헬로티]


오늘날의 가장 빠르게 성장하는 산업 자동화 기술은, 비용을 절감하고 상호 연결을 단순화하는, 이더넷의 물리적 계층을 기반으로 한다. 그러나 공장 작업장의 독특한 성격이 이더넷 환경에 새로운 도전을 불러온다. 올바른 지식과 도구를 사용하면, 설치자 및 엔지니어 그리고 전기 기술자가 이 기술의 혜택을 실현할 수 있다.



1970년 대에 PARC(Xerox Palo Alto Research Center)에서 최초 개발된 이더넷은 세계에서 가장 일반적인 네트워크 시스템으로 성장하였다. 그 동안 수십년에 걸쳐, 표준에 많은 변화와 확장이 있었고 이를 통해 이더넷은 원래의 개발자가 절대 상상하지도 못했던 많은 다양한 애플리케이션을 처리할 수 있게 되었다.


이 애플리케이션들 중 하나가 산업용 이더넷이다. 공급업체들과 표준화 조직들이 이더넷의 근본적인 물리적 계층을 채택하여 다양한 기술을 만들었다. 이에는 PROFINET, Ethernet/IP (Industrial Protocol), Ether-CAT, 그리고 Modbus-TCP 같은 것이 있으며, 이들은 산업 자동화를 위해 최적화 되었다.


배선 표준 및 커넥터

모든 산업용 이더넷 애플리케이션은 ‘일반적인’ 이더넷에서 사용되는 것과 유사한 트위스트 페어 구리 또는 광케이블 배선에서 작동하도록 디자인되었으며, 공장 환경에 맞게 약간 변경되었다. 국제 표준화 기구(ISO) 및 통신 산업 협회(TIA)는 산업 현장 내에서의 잠재적인 환경 조건을 정의하는 일단의 사양을 개발하였다. 이를 MICE 수준은 다양한 환경 조건의 단계를 기술한다. MICE 1은 일반적인 사무실 환경, MICE 2는 약간 가혹한 환경, 그리고 MICE 3은 심한 산업 환경을 정의한다.


이 요건들을 충족시키기 위해, 공급업체들은 특수 배선 및 커넥터들을 개발해왔다. 이는 압축되거나, 가열되거나, 부식성 화학물질에 노출되더라도 작동할 수 있는 배선을 포함한다. 대부분의 경우, 이는 케이블의 외피 요건에 영향을 주지만, 전기적 특성은 MICE 1이든 MICE 3이든 변함없이 유지된다. 그러나 한가지 주목할 만한 차이는 전자기 요건에 있다. 여기에서 횡변환 손실(Transverse Conversion Loss, TCL)에 대한 구체적인 요건이 E1, E2 및 E3에 대해 명시되어 있다. 이 사양은 케이블이 외부 전기 신호(예: 용접공, 다양한 속도의 드라이브, 그리고 고압 전력 등이 생성하는 신호)로부터의 간섭에 저항하는 능력을 측정한다.


커넥터는 유입점일 수 있으므로 특별한 감시를 받는다. 한가지 방법은 표준 8핀 모듈식 커넥터(RJ-45)를 밀봉된 나사 탈착식 소켓에 넣는 것이다. 이 커넥터는 대부분의 ‘일반적인’ 이더넷 장치 및 배선과 호환성이 있다는 장점이 있다. ‘M12’ 커넥터는 더 엄격한 충격 및 진동 애플리케이션을 위해 개발되었다. 이는 작고 원형의 잠금 나사 유형 커넥터를 특징으로 하고 있으며, 2개의 페어(M12-D) 또는 4개의 페어(M12-X)를 포함한다. 일반적인 산업용 배선 구성은 케이블의 한쪽 끝에 모듈식 8-핀 커넥터가, 다른 쪽 끝에 M12 커넥터가 연결되어 있다.


그림2. E1, E2 및 E3 한계를 포함하여 상이한 종단간 케이블 구성에 대한 테스트 한계를 보여주는 DSX CableAnalyzer[2][3]™[4][5] 스크린.


배선문제

산업용 이더넷 문제의 절반 이상은 배선에 있다. 이들 중 일부는 가동 개시 절차 중에 즉시 나타나고, 일부는 환경 변화 등으로 인해 통신 장애가 일어날 때까지 연결이 정상적으로 작동하기도 한다. 이더넷은 한계 상황에서조차 통신이 계속되도록 하는 견고한 기술이다. 그러나 이들 환경 상의 변화가 이후에 통신 문제 또는 완전한 장애를 야기할 수 있다. 다음은 배선에 있어서 가장 일반적인 문제다.


연결성: 배선의 가장 기본적인 요건은 한 끝에 있는 핀들이 다른 끝에 있는 해당되는 핀에 정확하게 연결되는 것이다. 배선이 잘못 연결되거나 개방된 경우 완전한 통신 장애를 가져올 것이다. 덜 알려진 배선 문제로 ‘스플릿 페어’라고 하는 것이 있는데, 이는 핀들이 다른 끝의 해당되는 것과 연결되어 있으나, 케이블 페어링이 잘못된 경우이다. 이는 간헐적인 또는 완전한 장애를 가져올 수 있다.


길이: 일반적으로, 이더넷 케이블은 길이가 100미터로 한정된다. 너무 긴 케이블은 두가지 방법으로 문제를 일으킬 수 있다. 첫 번째는 신호가 케이블을 따라 이동할 때 약화되는 것이다. 케이블이 너무 긴 경우에 반대편에서 적절하게 수신하기에 신호가 너무 약할 수 있다. 두 번째로, 이더넷은 일정 시간 내에 응답을 받도록 디자인되어 있는데 케이블이 너무 길어 발생한 지연이 이 타이밍에 간섭을 일으키는 것이다. 이들 오류 모두 완전한 장애 또는 간헐적인 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 케이블 손실은 온도에 따라 증가하므로, 너무 긴 케이블은 낮은 온도에서는 적절하게 전송하나 더 높은 온도에서는 장애를 일으킬 수 있다.


크로스톡: 이는 케이블 내의 페어들 간에 발생하는 전자기 간섭을 측정하는 것이다. 예를 들어, ‘송신’ 페어에서 전송되는 신호가 수신 페어에서 간섭 신호를 생성할 수 있다. 송신기는 이 간섭을 수신 신호로 해석하여 전송을 중지할 수 있다. 역시 이것도 완전한 장애 또는 간헐적인 장애를 일으킬 수 있다. 신호 주파수가 증가할수록 크로스톡도 증가하므로, 크로스톡은 네트워크 케이블의 최대 성능을 결정하는 주요 요소이다.


차폐 무결성: 다수의 산업용 이더넷 케이블은 차폐 기능을 가지고 있다. 이는 일반적으로 케이블 외피 안에서 각 페어를 감싼 금속 포일에 의해 주어진다. 이 차폐의 목적은 케이블 가까이 있는 고압 또는 고전류 장치로부터 올 수 있는 외부 전자기파 간섭(EMI) 효과를 줄이기 위한 것이다. EMI는 케이블의 전송 오류를 야기하여 속도를 느리게 하거나 심지어는 완전한 장애를 가져올 수 있다.


이는 해결하기에 매우 어려운 문제다. 이는 가까이에서 모터를 시작하거나 용접 도구를 사용할 때처럼, 간섭이 신호 균형을 뛰어 넘을 만큼 충분히 클 때만 발생하기 때문이다. 차폐가 효과적으로 작용하려면, 케이블의 전 경로에 걸쳐 차폐를 하는 것이 아주 중요하다. 차폐 연속성에서 하나만 결함이 발생해도 그 성능을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 차폐 테스트는 케이블의 전 길이에 걸쳐 차폐가 되는지 확인할 수 있어야 한다. 차폐는 일반적으로 접지되어 있기 때문에 이는 특별히 어려운 측정이다. 차폐가 양 끝단에서 접지되어 있는 경우, 간단한 DC 측정으로는 차폐가 연속적인지 판단할 수 없다.


횡변환 손실(TCL): 이것은 케이블의 ‘균형’, 즉 페어를 이루는 두 와이어에서 동일한 신호를 전달할 수 있는 능력을 측정하는 것이다. 트위스트 페어 케이블은 페어 내의 두 와이어에 동등한 그러나 극성이 반대인 신호 사이의 차이를 이용함으로써 높은 수준의 잡음 내성을 갖는다. 배선이 신호들을 동등하지 않게 만드는 경우, 외부 잡음은 신호와 간섭을 야기하여 수신 장비가 인식하지 못하는 수준까지 신호를 왜곡할 수 있다. 앞에서 언급한바 대로, EMI 문제는 고립시켜 해결하기에 매우 어려울 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 표준화 단체들은 MICE E1, E2 및 E3 환경용 배선에 대한 TCL 요건을 개발하였다.


그림3. E2 한계를 가진 TIA 1005 카테고리 6A 링크 테스트 결과가 ‘합격’임을 보여주는 DSX CableAnalyzer 디스플레이.


그림4. E3 수준 테스트 결과가 ‘불합격’임을 보여주는 DSX CableAnalyzer. TCL 실패를 유의해야 한다.


중요한 것은, 위에서 언급한 요건을 충족시키는 것으로 생산자가 인증한 케이블과 커넥터를 사용하는 것이 오류가 없는 운영을 위해 아주 중요하나 그렇다고 이것이 반드시 보장되지는 않음을 유념하는 것이다. 종종, 최고의 공급업체들조차 사양에 못 미치는 제품을 생산할 수 있다. 더 일반적인 것은 부적절한 설치 기술이 최고 품질의 구성 요소들을 사용하여 부실한 성능의 링크를 만들 수 있다는 것이다.


케이블 테스트, 가동 시간 늘리는 것

적절한 케이블 테스트 도구들을 사용하고 이들의 용도를 기본적으로 이해하는 조직들은 이들을 사용하여 가동 시간을 늘릴 수 있다. 3가지 방법이 있다.


더 빠른 가동 개시: 케이블을 연결하기 전에 앞에서 언급한 매개변수들을 측정하는 것이 이들이 모든 필요한 사양을 충족시키고 따라서 적절하게 작동할 것이라는 점을 확인하는 유일한 방법이다.


계획하지 않은 가동 중단 시간 예방: 케이블이 가동 개시할 때 데이터를 전달한다고 해서 모든 상황에서 계속해서 작동할 것이라는 보장은 없다. 설치 후 환경 변화로 장애를 일으킬 수 있다. 케이블을 앞에서 언급한 매개변수에 대해 테스트하였고 이에 합격한 경우, 케이블이 이들 요인으로 인해 나중에 장애를 일으킬 수 있는 기회를 없앨 수 있다.


문제를 더 신속하게 해결: 테스트한 케이블조차 뜻하지 않은 절단, 잡아당겨 떨어짐, 또는 녹음 등의 혹사로 인해 실패할 수 있다. 네트워크 장애의 경우, 배선 문제를 빨리 진단할 수 있는 능력은 상당한 양의 시간을 절약할 수 있다. 의심이 가는 케이블을 교체하느라 많은 시간을 소비하느니, 수초의 테스트로 케이블에 문제가 없음을 확인할 수 있다면 문제해결 노력을 다른 곳에 기울일 수 있다. 케이블이 나쁜 경우, 테스터의 진단 기능이 문제를 꼬집어 낼 수 있다. 예로서, 원단의 커넥터가 장애를 일으켰음을 알면, 전체를 새로운 케이블로 다시 까느라 수 시간을 보내기 보다는 수 분을 들여 하나의 나쁜 커넥터를 교체할 수 있다.


요약하면, 설치 시 케이블을 테스트함으로써 가동 개시 절차를 빠르게 하고 미래의 문제를 예방할 수 있다. 장애 시 케이블 테스터를 바로 사용할 수 있게 하면 문제해결에 드는 시간 및 가동 중단 시간을 줄일 수 있다.


그림5. DSX CableAnalyzer는 다양한 배선 결함을 찾을 수 있으며 모든 기술자가 이해할 수 있는 방법으로 이를 표시한다.


산업용 이더넷용 케이블 테스트 도구

케이블 테스트 도구들은 2개의 범주, 즉 배포 전 테스터 및 문제해결 도구로 구분할 수 있다.


배포 전 (인증) 테스터: 이 도구들은 크로스톡, 차폐 무결성, 그리고 TCL 등 앞에서 언급한 모든 배선 매개변수를 테스트한다. DSX CableAnalyzer 시리즈는 배선 경로 전체의 차폐 무결성을 포함하는 이 모든 매개변수들을 측정할 수 있는 유일한 케이블 테스터이다. 이 테스터는 합격 또는 불합격 결과를 판단하고, 문서화 목적으로 보고서를 생성할 수 있다. 가동 개시 전에 인증 도구를 이용하여 테스트하는 것은 케이블이 앞에서 언급한 모든 필요한 사양을 충족시키는지 알 수 있는 유일한 방법이며 배선 문제를 예방하는 최선의 방법이다.


이 도구들은 또한 문제해결에 사용될 수도 있으며, 단절된 케이블 뿐만 아니라 더 어려운 문제들(예: 케이블 내의 물 또는 사양에 못 미치는 커넥터)의 위치를 찾아낼 수도 있다.


문제 해결 도구: 이 도구들은 (스플릿 페어 테스트를 포함하여) 배선이 적절하게 연결되었는지를 확인하며 케이블의 길이를 측정하고 케이블 단절 위치를 파악할 수 있다. 이는 배선에 문제가 있는 것이 아닐 때 이를 문제 대상에서 제거함으로써 팀이 진짜 문제가 있는 곳에 집중할 수 있도록 하여 많은 시간을 절약할 수 있게 한다.


인증 테스터에 투자할 수 없는 팀들은 새로운 프로젝트를 위해 이들을 대여하거나 배선 계약업체를 고용하여 가동 개시 전에 케이블을 테스트함으로써 혜택을 볼 수 있다. 저가격의 문제해결 도구들을 시설 내 사용하기 쉬운 곳에 보관하여 장애 발생 시 대여하거나 계약업체를 고용하는데 필요한 시간을 없앨 수 있다. 이 비용은 단일 네트워크 장애를 해결하는데 절약된 시간으로 쉽게 회수할 수 있다.



플루크네트웍스

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