다양한 기기 간의 데이터 통신은 일상 속 여러 측면에서 매우 중요합니다. 디지털화 및 인더스트리 4.0으로 기기 수와 데이터 용량이 급증하면서 통신 판도에도 변화가 일어날 수밖에 없게 되었습니다. 이 문서에서는 연결성, 하드웨어, 전력 등 산업용 2선식 이더넷의 10BASE-T1L 표준을 심층적으로 살펴봅니다.
서론
데이터 통신은 산업 부문뿐 아니라 공정 자동화에서도 그 어느 때보다 중요한 역할을 하고 있습니다. 급격히 늘어난 데이터 용량으로 인해 이전의 4mA~20mA 또는 필드버스 애플리케이션이 한계에 도달하고 있으며, 이에 따라 이더넷이 통신 표준을 구체화하고 있습니다. 4선식 솔루션인 표준 이더넷은 10BASE-T1L이라는 2선식 솔루션으로 진화했는데, 이는 연선 케이블 단일 쌍 또는 단일 쌍 이더넷(SPE)으로 이루어져 있습니다. 10BASE-T1L은 물리적 계층 위에서 기존 100Mbps 또는 1000Mbps 산업용 이더넷 기술과 호환되며, 따라서 보완적 기술의 역할을 합니다.
10BASE-T1L은 공정 자동화에서 특히 표준화 과정을 거치고 있으며, 이 영역에서 대대적인 변화를 불러일으킬 가능성이 있습니다. 이 부분에서 지금까지 센서 및 작동기는 일반적으로 4mA~20mA 아날로그 인터페이스 또는 필드버스로 연결된 바 있습니다. 기계 엔지니어링 또는 공장 자동화와 달리 공정 자동화에서 이러한 센서 및 작동기는 흔히 제어 시스템 또는 원격 입출력 시스템과 멀리 떨어져 있습니다. 그 거리는 일반적으로 200m~1000m입니다.
10BASE-T1L이 의미하는 바는 무엇입니까?
10BASE-T1L이라는 이름 자체로 그 의미를 대략적으로 파악할 수 있습니다. 여기에 사용된 것은 전기전자학회(IEEE) 약어입니다.
미디어 방식을 표시한 "10"은 전송 속도가 10Mbps임을 나타냅니다. "BASE"는 기저 대역 신호를 나타내는데, 해당 미디어로 이더넷 신호만 전송될 수 있음을 의미합니다. "T"는 "연선(twisted pair)", 숫자 "1"은 1km 범위를 말합니다. 그리고 끝에 "장거리(long-range)를 가리키는 "L"이 붙습니다. 이는 가능한 구간 길이가 1km 이상이기 때문입니다.
어떤 기기 및 기계에서 10BASE-T1L을 사용할 수 있으며 기존 인프라에서 이를 사용할 수 있는 범위는 얼마나 됩니까?
10BASE-T1L은 전체까지는 아니더라도 다양한 공정 자동화 애플리케이션에서 4mA~20mA 표준화 신호를 대체하도록 설계되었습니다. 하지만 그렇다고 해서 4mA~20mA 전류 루프로 연결된 기존 현장 기기를 10BASE-T1L 사용 현장 기기로 교체해야 한다는 의미는 아닙니다. 이러한 기존 기기는 소프트웨어 구성 가능 입출력(SWIO) 모듈로 연결할 수 있습니다. 그리고 원격 입출력은 10Mbps 이더넷 업링크로 PLC 연결 수집점의 역할을 합니다.
소프트웨어 구성 가능 입출력 모듈에는 재구성 가능 모듈 채널이 있어 광범위한 재배선 작업 없이도 빠르고, 쉽고, 원격으로 작업할 수 있습니다. 이러한 채널은 전류와 전압 또는 디지털과 아날로그의 입력이나 출력으로 구성할 수 있습니다.
일부 경우에는 기기와 데이터 모두의 전력이 10BASE-T1L로 공급되어야 한다는 요구사항이 있을 수 있으며, 이 내용은 표준의 일부로 정의됩니다. 10BASE-T1L은 1000m 이하 케이블 길이의 경우 2.4V, 200m 이하 단거리의 경우 1V와 같이 2가지 진폭 모드를 지원합니다. 또한 이 기술은 1.0V 피크 대 피크 진폭 모드를 통하면 방폭 환경(위험 구역)에서도 사용할 수 있으며, 여기에 적용되는 엄격한 최대 에너지 소비 요구사항을 충족합니다.
10BASE-T1L의 장점은 무엇입니까?
기존 4mA~20mA의 HART® 및 필드버스 기기는 데이터 광역폭이 몇 kbps에 불과합니다. 10BASE-T1L의 경우 속도가 10Mbps에 달합니다. 따라서 공정 값뿐만 아니라 구성 및 파라미터화 정보와 같은 추가 기기 파라미터도 전송할 수 있습니다. 향후에는 늘어나는 복잡한 센서의 소프트웨어 업데이트, 그리고 센서 라인 단선 등에 대한 장애 및 네트워크 진단이 데이터 라인을 통해 상대적으로 빠르게 수행될 것입니다. 10BASE-T1L에서는 게이트웨이 및 변환기가 더 이상 필요하지 않으므로 구성도 더 쉽습니다. 게이트웨이가 사라지면서 이러한 구 설치 장비에 따르는 비용 및 복잡성이 크게 줄어들며, 게이트웨이로 인해 발생하는 데이터 아일랜드도 해소됩니다.
또한 데이터 라인으로 더 큰 전력을 전송할 수 있습니다. 예를 들어 본질적 안전 구역(위험 구역)에서는 500mW, 비본질적 안전 구역에서는 최대 60W까지 전송할 수 있습니다.
PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, ModbusTCP 등의 이더넷 표준과 MQTT 등의 IoT 프로토콜로 필드 기기를 쉽고 강력하게 클라우드에 연결할 수 있습니다.
스위치 모듈에서도 10BASE-T1L을 사용할 수 있습니까?
표준 이더넷의 경우 10BASE-T1L을 사용할 때 다양한 네트워크 구간 및 기기를 결합할 수 있는 브리지가 있습니다. 서로 다른 네트워크 토폴로지를 구현하고 사용하여 연결된 기기에 전력을 공급할 수 있습니다. 공정 자동화에서 스위치는 컨트롤러, HMI 및 클라우드에 연결되는 경우가 많습니다. 스위치를 사용하면 링 토폴로지의 형태로 미디어 중복을 실현하여 가용성을 높일 수 있습니다.
공정 자동화에서 기기, 센서 및 작동기에 대한 연결은 스퍼라고도 하고, 스위치와 나아가 제어 시스템에 대한 연결은 트렁크라고도 합니다.
"2선식"으로 기기에 전력 공급도 구현할 수 있습니까?
10BASE-T1L 표준에서는 센서 및 작동기 데이터의 통신뿐만 아니라 신호 라인으로 센서 및 작동기에 전력을 공급하는 것도 가능합니다. 구체적으로 10BASE-T1L은 비본질적 안전 구역에서 최대 60W까지 전력을 전달할 수 있습니다. 방폭(본질적 안전) 구역에서는 전력이 500mW로 제한됩니다. 이 경우 신호 진폭도 표준 애플리케이션의 신호 진폭인 2.4V에서 1V로 줄어듭니다. 이는 해당 분야의 엄격한 최대 에너지 요구사항을 준수하기 위해서입니다. 다만 결과적으로 본질적 안전 구역에서는 짧은 송신 거리만 가능합니다.
결론
10BASE-T1L은 상대적으로 견고한 공정 자동화 통신 표준으로서, 기존 인프라를 재사용할 수 있다는 것 등 기존 4mA~20mA 애플리케이션에 비해 장점이 많습니다.