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스마트 센서의 출현과 광커플러 기술
2013. 01. 25.
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I. 개 요 필드디바이스로부터 제어기기, ERP에 이르기까지의 산업현장에서의 네트워크 구조는 매우 복잡하면서도 수직적이고 수평적인 연결을 기초적인 개념으로 갖게 된다. 그럼에도 속도와 규격, 보안 등이 매우 다양한 산업용 네트워크 들이 공존하고 있는 곳이기도 하다. 더구나 최근 활성화 되고 있는 디바이스 계층에서의 스마트 센서가 소형화되고 있고, 메모리와 네트워크 기능을 갖춘 소형 PC 형태로 진화함에 따라 디바이스 계층에서의 통신 방식이 좀 더 복잡한 정보 교환 방식으로의 변환을 가져왔다. 이에 산업용 통신에서는 정교한 피드백과 정확한 정보 전달의 필요성에서 광커플러에 대한 요구가 시작되었다.
II. 산업용 통신 일반적으로 산업용 통신은 데이터 모니터링과 프로세싱, 센싱 및 진단 그리고 상태표시가 포함된다.
이러한 통신에서 데이터 무결성을 유지하려면 광커플러를 사용하여 반송 전류나 공통 모드 노이즈를 제거해야 하는데, 시스템 운용자는 속도나 스위칭 규격 또는 보안과 같은 특정 요건에 따라 여러 통신 기술 및 버스 중 임의의 방식을 선택할 수 있다.
유럽에서의 필드버스(Fieldbus) 시스템 판매는 모든 네트워크 계층에서 2001년 1억 7천 20만 달러에서 2008년에는 4억 2천만 달러로 증가할 것으로 예상된다(Frost & Sullivan).
산업용 네트워크 계층 구조(그림 1)는 다음과 같다.
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엔터프라이즈 계층(Ethernet PC, 서버, Gateway)
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제어 계층(고성능 Ethernet(HSE), Ethernet, PROFINET) - 1 -
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디바이스 계층(Profibus DP, DeviceNet)
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센서 계층(CANbus, 원격 I/O)
그림 1. 산업용 네트워크의 계층 구조
1. 진화된 스마트 센서 최근 활성화 되고 있는 디바이스 계층에서의 스마트 센서가 소형화 및 메모리와 네트워크 기능을 갖춘 소형 PC 형태로 진화함에 따라 디바이스 계층에서의 통신 방식이 좀 더 복잡한 정보 교환 방식으로의 변환을 가져왔다.
이는 온보드 상에서 비선형성과 오프셋 또는 온도등과
같은 오류를 교정할 수 있게
되었고 유연성과 같은 여러 장점으로 인해 스마트 센서의 확산은 물론 전체 산업용 통신시장이 크게 확장되어 정교한 피드백과 정확한 정보 전달의 필요성이 대두 되었다.
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또한
더욱
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많은
지능이
PLC(Programmable
Logic
Controller)형태로
하위
프로토콜(OSI) 계층인 센서 및 디바이스 계층에 추가되어 정보 흐름을 제어하고 처리하게 되었기 때문이다.
개별적인 PLC들을 서로 연결하는데 사용되는 필드버스 또한 스마트 센서의 이점으로 인해 성장이 예상되는데 사용 빈도가 높은 필드버스는 지역에 따라 차이가 있기는 하지만 Profibus, DeviceNet, Interbus 및 CANbus 등이 있다. 유럽에서는 Profibus를 많이 사용하며, 미국에서는 DeviceNet이 선두주자이다. 광커플러는 흔히 신호 무결성을 유지하기 위해 저속의 RS232나 CANbus로부터 고속의 RS485에 이르기까지 다양한 인터페이스 카드에 사용되는데, 공간 최적화를 위해 멀티 채널 패키지 또는 양방향 통신 채널 패키지가 주로 사용된다.
그림 2. 새로운 광 커플러 타입
2. 3V 저전압 채용으로 비용절감 절연체에
대한
요구조건은
종종
“속도”
또는
“MBd”로
표현되지만
실제
시스템
설계자들에게 더욱 중요한 것은 전파 지연 및 펄스 폭 왜곡과 같은 스위칭 관련 규격이다.
DeviceNet은 비교적 느린 데이터 속도인 125KBaud, 250KBaud 및 500KBaud를 규격으로 정의하여, 40ns 미만의 전파 지연을 필요로 하고 있으며, CANbus는 저속에 대해서는 125KBit/s를, 고속에 대해서는 1Mbit/s만 규격에 정의가 되어 있고 전파 지연에 대해서는 명확한 요건이 없다.
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하지만, Profibus는 12MBd 범위에서 송수신하고 절연체, 송수신기 및 기타 연결을 포함한 총 PWD 지연 시간을 정의하고 있다.
이러한 전체 PWD 지연 시간 요구조건을 충족하기 위해서는
절연체의 지연 시간은 최대
8ns 혹은 6ns 이하이어야 한다.
그림 3. LED 기술 혁신
캐파시티브 혹은 마그네틱과 같은 절연체 기술은 최대 100MBd의 빠른 속도를 지원 할 수 있지만, 통신 속도에 대한 제한은 PWD(펄스폭 왜곡)지연으로부터 발생한다.
광커플러와 같이 이미 산업현장에 많이 적용되어 있는 절연체는 2ns의 낮은 PWD를 제공하여 50MBd속도를 추가 컴포넌트 없이도 효과적으로 전달할 수 있다는 이점이 있다. Profibus 분야에서 새로이 출시되는 송수신기는 저전압 3V 동작 전원이 포준화되어 가고 있는 추세이다. 이러한 저전압하에서는 노이즈가 문제 되지 않아 절연체를 3V 저전압하에서 사용할 수 있다면 설계자들은 하나의 공통된 전원을 사용할 수 있어 비용을 절감할 수 있을 것이다. 산업용 통신 분야에 최적화된 차세대의 새로운 광커플러는 공급 전원의 유연성과 보드의 - 4 -
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최적화 설계 가능성에 의해 판단될 것이다.
아바고테크놀로지스는 3V와 5V 양 전원에서 모두 동작하는 디지털 광커플러 시리즈뿐만 아니라
멀티
채널
광커플러와
양방향
광커플러를
제공하는
유일한
광커플러
제조업체이다.
아바고의 이러한 제품 선도력은 소위 백-이미팅(back-emitting)이라 불리우는 LED에서의 기술 혁신을 바탕으로 하고 있다. 이 기술은 개별적인 LED를 출력 IC 방향으로 절연재에 직접 위치시킬 수 있어 LED-절연-광다이오드 간의 물리적 크기를 줄여 패키지당 최대 4 채널까지 수용 가능하도록 하여, 보드 공간을 최대 75%까지 절약하는 것이 가능하다.
3. 산업용 이더넷을 위한 고속 광통신 다가올 미래에는 Ethernet 기반의 산업용 통신 방식이 더욱 중요한 위치를 차지하게 될 것이다. 100 Mbit/s의 데이터 속도를 지원하는 PROFINET은 현재 유럽에서 적극 검토되고 있으며 EtherCat은 이에 상응하는 다른 공개 표준이다. 이러한 Ethernet기반의 산업용 통신에서
대부분의 절연은 PC 기반의 Ethernet으로부터
이어져온 트렌스포머 방식을 사용하고 있다. 광커플러는 아직 제 자리를 찾지 못했으며 새로운 속도 요건의 과제를 안고 있어 광커플러와 같이 광섬유 기반 통신솔루션의 사용이 확산될 것으로 예상된다. 아바고테크놀로지스는 간편한 사용과 최고의 노이즈 저항력 및 갈바니 절연을 제공하는 200um PCF(plastic cladded fiber)와 1mm POF(polymer optical fiber)를 위한 650nm LED 기술에 바탕을 둔 산업용 Ethernet을 위한 새로운 고속(125MBd) 광섬유 송수신기를 출시하였다. 산업용 Ethernet과 이미 확립되어 있는 필드버스는 앞으로도 최소 10-15 년은 공존할 것이다. 광커플러는 계속해서 절연 기능을 제공하고 신호 무결성을 보장하며 앞으로 수년 동안 산업용 통신에 중요한 역할을 할 것이다.
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III. 결 론 필드디바이스로부터 제어기기, ERP에 이르기까지의 산업현장에서의 네트워크 구조는 매우 복잡하면서도 수직적이고 수평적인 연결을 기초적인 개념으로 갖게 된다. 그럼에도 속도와 규격, 보안 등이 매우 다양한 산업용 네트워크들이 공존하고 있는 곳이기도 하다. 벤더가 누구냐에 따라서 벤더의 뜻에 의해 강제로 선정된 산업용 네트워크를 울며 겨자먹기로 받아들이는 경우가 많다. 더구나 최근 활성화 되고 있는 디바이스 계층에서의 스마트 센서가 소형화되고 있고, 메모리와 네트워크 기능을 갖춘 소형 PC 형태로 진화함에 따라 디바이스 계층에서의 통신 방식이 좀 더 복잡한 정보 교환 방식으로의 변환을 가져왔다. 이에 산업용 통신에서는 정교한 피드백과 정확한 정보 전달의 필요성에서 정밀한 표준규격의 광커플러가 필요하다.
[참조 자료] *
Optocouplers in Industrial Communication, AVAGO
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월간 산업통신망 www.icnweb.co.kr
*
뉴스와이어 www.newswire.co.kr
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