계장기술(PROCON)

특별기고 〈제2부>제한 장치를 위해 진일보된 단일쌍 이더넷 기술(Single-pair Ethernet Technology)

페이지 정보

작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 85회 작성일 21-01-13 15:00

본문

- ODVA가 사상 최초로 공개하는 APL의 핵심 통신망 기술


제한된 인 캐비닛 장치를 위한 단일쌍 이더넷(Single-pair Ethernet for Constrained In-Cabinet Devices)

이번 섹션에서는 제한된 내부 캐비닛(In-Cabinet)에 대해 설명하고, 장치적 관점과 단일쌍이 어떻게 이 공간에 이더넷 기술을 적용할 수 있는지에 대해 기술을 한다.


제한된 인 캐비닛 장치 문제 공간(Constrained In-Cabinet Devices Problem Space)

필요한 제어 전원(24VDC) 배선의 양 제어 파일럿 장치(예 : 푸시 버튼, 표시기  버튼, 접촉기 등)는 참고로 보기 바란다. 이것은 그림 5의 제한된 인 캐비닛(In- Cabinet) 장치 문제 공간 그래픽에서 “빨간색 와이어”로 표시된다. 일반적으로 “하드 와이어드”라고 하는 선을 연결하고, 연결 파일럿 장치에 제어 전원을 공급하여 조작을 한다. 간단한 캐비닛 내 적용을 위한 전선의 수시 운전에 많은 시간이 필요하며, 복제할 경우 오류가 발생하기 쉽다. 일단 시운전된 “하드 와이어” 시스템은 분석을 위한 지능형 데이터를 거의 또는 전혀 제공하지 않으면서, 작동 또는 시운전 프로세스 중 구성요소 업데이트 문제 해결을 포함하여 유지관리에 높은 오버 헤드를 제공한다.

 2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517061_1875.png           

제한된 인 캐비닛 장치 고객 요구사항(Constrained In-Cabinet Devices Customer Requirements)

제한된 캐비닛 내 장치 문제 공간과 광범위한 고객 청취 세션을 기반으로 추출된 주요 고객의 요구사항은 다음과 같다.
•경제적이어야 한다.
 –저비용 미디어를 사용해야 한다.
 –일반 제품의 가격과 크기를 줄일 수 있어야 한다.
 –상용 전원공급장치를 사용할 수 있어야 한다.
 –유선 솔루션보다 “총 소유 비용”이 낮아야 한다.
•사용이 간편해야 한다.
 –사용하기 쉬운 단일 미디어 커넥터를 사용해야 한다.
 –간단한(또는 아예 없는) 네트워크 시운전 방법론을 포함해야 한다.
 –미디어 트렁크 및 낙하 거리 계산의 필요성을 제거해야 한다.
•충분한 기능
 –패널 빌더를 위한 인 캐비닛(In-Cabinet) 배선을  단순화해야 한다.
 –전원장치, 전자장치, 스위치(제어)에 네트워크 전원을 모두 제공해야 한다. 또 접촉기 및 릴레이의 작동을 용이하게 하는 전원이어야 한다.
 –동일한 전선에서 비 안전 및 안전 장치를 지원해야 한다.


제한된 인 캐비닛 장치를 위한 단일쌍 이더넷(Single-Pair Ethernet for Constrained In-Cabinet Devices)

단일쌍 이더넷은 여러 기술 속도 및 토폴로지로 구성되며, 제한된 EtherNet/IP 애플리케이션 영역을 참조 바란다. 충분한 기능, 사용의 용이성 및 저렴한 비용에 대한 고객의 요구를 충족시키기 위해 10BASE-T1S라는 10BASE 기술로 충분하다.

다음은 제한적인 인 캐비닛(Constrained In-Cabinet) 애플리케이션에서 활용할 수 있는 10BASE-T1S의 주요 기술적 특성을 보여준다.
 –저전력~250mW(캐비닛 내 애플리케이션 사용 시) 장치의 열 방출이 제한된다.
 –비용 절감, 대부분의 대상 파일럿 장치는 비용이 저렴하므로 이러한 장치에 대한 통신 ; 인터페이스는 이 솔루션의 상업적 수용을 유지하기 위해 저렴한 비용이 필요하다.
 –제한된 이더넷(UDP만 해당)은 파일럿 장치의 물리적 설치 공간이 적으며, 일반적으로 이 솔루션에 배포할 수 있는 전자 장치의 패키지 크기에 물리적 제약이 있으므로 메모리 요구사항을 줄이기 위해 이더넷 스택이 제한된다.
 –10Mbps ½ 듀플렉스, 최종 노드는 일반적으로 파일럿 장치이므로 IEEE 802.3cg 10BASE-T1S 사양에 따라 통신 속도와 같은 시스템 성능 측정을 최소로 선택할 수 있다.
 –미디어는 멀티 컨덕터 케이블 25m 케이블 길이, 멀티드롭(Multi-Drop) 토폴로지로 제한된 인-캐비닛(In-Cabinet) 문제를 지원하여 총시운전 시간을 단축하고, 이 솔루션을 쉽게 사용할 수 있도록 해준다.

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517245_8418.png
제한된 인 캐비닛 장치를 위한 기술 아키텍처(Technical Architecture for Constrained In-Cabinet Devices)

위의  그림 6은 단일쌍 이더넷(Single Pair Ethernet) 10   BASE-T1S를 실행하는 기술 아키텍처를 제안한 구성 도면이다.


주목할 점(Notable points)

1. 여러 장치를 연결하는 다중 컨덕터 플랫 케이블(Multi-conductor flat cable)은 모두 전원을 공급한다(스위치 전원 및 네트워크 전원). 10BASE-T1S  통신을 가능하게 하는 멀티드롭 토폴로지(Multi-drop topology)에서 그림 6은 “파란색 선”으로 표시를 한다.
2. 위 그림에서 “녹색 선”으로 표시된 컨트롤러에 대한 4선의 이더넷을 연결한다.
3. 전체 시스템은 24VDC 전원공급장치로 전원이     공급된다. 두 가지 전원 채널이 정의되어 있다.
    NP(Network Power) 및 SP(Switched Power) NP 전력은 통신에 전력을 공급하는데 사용된다. 전체 네트워크 회로, SP 전원은 모든 출력 부하이다.
4. 게이트웨이는 NP(Network Power) 및 SP(Switched Power) 채널 모두에게 전원을 공급한다.
5. 게이트웨이가 할 수 없는 경우 시스템에 새 SP 전원을 주입하려면 SP 탭(Tap)이 필요하다. 모든 부하에 SP 전원을 제공한다.

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517313_7166.png
제안된 기간(Proposed Timeframe)

그림 7의 ODVA SIG 제안 타임라인은 제한된 인 캐비닛 장치에 대한 단일쌍 이더넷의 전체 사양을 게시하기 위한 활동 일정을 강조하는 것이다. 통신 프로토콜 및 관련 사양의 정의는 ENIP 시스템 아키텍처 특별위원회인 SIG(Special Interested Group)에 의해 정의되고 있으며, T1S(2020년 4 월 게시)에 대한 UDP 전용 전송 프로파일, 제한된 인 캐비닛(In-Cabinet) 장치에 대한 CIP 보안 및 T1S용 캐비닛 애플리케이션 프로필에 제한된다.

미디어 정의는 3ESEs 제공, 케이블 및 커넥터 사양, SP탭 커넥터 및 접지 사양과 미디어 계획, 설치 설명서를 발음하는데 중점을 둔 ENIP 물리계층(Physical Layer)특별위원회-SIG(Special Interested Group)에서 수행된다.


제한된 캐비닛 내에 애플리케이션을 위한 EtherNet/IP 미디어(EtherNet/IP Media for Constrained In-cabinet Application)

우리는 혼합 게이지 7 컨덕터 케이블을 제안한다.
1) 접촉기 코일을 작동시키기 위한 스위치(제어) 전원용 컨덕터 2개
•전자 장치에 전원을 공급하기 위한 네트워크 전원용 컨덕터 2개
•T1S 기반 PLCA 멀티드롭(Multi drop) 이더넷 통신을 위한 SPE 신호 단일쌍 컨덕터 2개
•단순 순차 네트워크 서비스 제공을 위한 셀렉트 라인(Select Line)용 컨덕터 1개로 선형 탐색 노드 토폴로지

2) 와이어 게이지
•NP-, NP +, SP +, SP-용 20AWG 와이어(19가닥)
•SPE +, SPE-, 셀렉트 라인(Select Line)용 24AWG 전선(7가닥)

3) 키잉[Keying] 기능
•SPE 데이터 쌍과 Select 라인 컨덕터가 키잉(Keying) 기능으로 사용되어 잘못된 커넥터 방향의 가능성

4) 데이터 쌍 임피던스
100ohm, 절연 전압(Insulation voltage) : 600V

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517436_3392.png
미디어 인터페이스(Media Interface)  

제한된 장치의 헤더와 인터페이스를 행하는 8핀 리셉터클이 있는 노드 커넥터가 있다. 핀 할당은 위에 나와 있다. 제한된 장치의 헤더와 인터페이스 하는 8핀 리셉터클(Receptacle)이 있는 노드 커넥터가 있다.

핀 헤더에는 표준 2.54㎜ 피치, 0.635㎜×0.635㎜ 사각 핀이 있다. 8 핀의 단일 행 헤더, 8 핀의 채워짐과, 각 핀은 2A 이상의 전류를 전달할 수 있다.
•커넥터는 다음을 사용하여 매체에 연결되고,       전기적으로 연결되어야 한다. 표준이나 도구가    아직은 없다.
•커넥터는 선별(Select) 라인을 끊은 다음, 선별(Select) A 및 선별(Select) B 핀에 연결해야 한다.
•커넥터는 SPE+ 및 SPE- 라인을 모두 차단하고,  향상된 신호의 무결성을 위해 인라인 인덕터    (Inline inductors)를 추가할 수 있다.

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517480_4511.png
SPE 10BASE-T1S PHY의 요구사항

초기 10BASE-T1S PHY를 위해 여러 반도체 공급업체와 협력을 했다. 여기에는 세 가지 옵션이 있다
•옵션 1은 MII 인터페이스가 있는 PHY이며, MAC 및 RS가 내장된 MCU가 필요하다. MII 인터페이스가 있는 MCU는 제한된 캐비닛 내 장치가 감당할 수 있는 것보다 훨씬 더 비싸기 때문에 선호되는 옵션은 아니다. 16개 이상의 신호가 PHY와 MCU간에 라우팅(Routed) 되어야 하므로 더 많은 보드(Board) 공간이 필요하다.
•옵션 2는 MAC 및 RS가 통합된 SPI 인터페이스가 있는 PHY이다. 이것은 SPI 인터페이스가 있는 MCU만 필요하다. 이것은 SPI 인터페이스가 있는 MCU가 훨씬 더 저렴하고 제한된 캐비닛 내 장치를 위한 대상 MCU이기 때문에 선호되는 옵션이다. 개방 얼라이언스(Open Alliance)와 같은 일부 표준 조직은 10BASE-T1S PHY에 대한 SPI 인터페이스 표준화 작업을 하고 있으며, 우리는 이를 반도체 분야에서 배웠다. SPI PHY는 2020년에 출시된다.
•옵션 3은 단일 칩에 통합된 PHY 및 MCU이다. 이렇게 하면 전체 패키지 크기가 크게 줄고, 잠재적으로 최저 비용 옵션을 제공할 수 있다. 문제는 프로세서(Processor)의 성능, 메모리 풋 프린트(Footprint) 및 보안 기능이 적절히 조합이 된 부품을 대규모 시장에서 찾는 일이 급선무이다.

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517553_7079.png
2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517561_6705.png
SPE 10BASE-T1S 멀티 드롭 미디어 및 하드웨어(SPE 10BASE-T1S Multi drop Media and Hardware)

•케이블 샘플 : 104(ohm)에서 임피던스, 25미터(40MHz)에서 6.7(dB)의 삽입 손실
•커넥터 샘플 : 삽입 손실 0.1dB@40MHZ 반사    손실 33dB@40MHz, SPE+ 및 SPE- 라인 모두 차단되고, 36nH 인라인(In-line) 인덕터(Inductors)가 내장되어 있다.
•T1S 하드웨어 : IEEE 802.3CG 초안(Draft) 2.1, MII 인터페이스 통합 PLCA 기능을 준수하는    T1S PHY가 있는 평가보드

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610517586_2039.png