필드버스 인터페이스 절연 기술 및 이와 관련된 상쇄점을 이해하면 설계가 작업 환경만큼이나 심각하고 어려운 문제라는 점을 잘 인식하게 된다. 아바고테크놀로지스로부터 현재 가장 많이 사용되고 있는 필드버스의 특징에 대해 알아보고, 전연 방안 및 고려사항을 알아본다. [ 편집자 주]

글. Vincent Ching(기술 마케팅 엔지니어), Foo Chwan Jye(기술 마케팅 엔지니어), 아바고테크놀로지스 절연제품사업부

 

필드버스로 연결된 산업용 및 제조용 시스템들이 작동해야 하는 혹독하고 까다로운 환경이 설계자들에게 어려운 과제를 제시한다. 이 기술기사에서는 Profibus, DeviceNet 및 CAN을 포함한 주요 필드버스 프로토콜에 대해 간략히 살펴보고 버스 연결을 위한 광학, 용량성 및 자기 절연 기법 이면의 개념에 대해 살펴볼 것이다.

이에 대한 간략한 보충 설명 후 절연 기준을 포함한 아이솔레이션, 고압 파괴 신뢰성, EMI 및 DTI(distance through insulation) 기준을 구현할 때 고려해야 할 중요한 문제들에 대해 자세히 살펴보고자 한다.

그림1 필드버스 절연

필드버스의 현장 가이드
필드버스(Fieldbus)는 실시간 분산 제어에 사용되는 네트워크 표준 및 산업용 컴퓨터 네트워크 프로토콜의 다양한 집합이다. IEC 61158 표준 하에 통합되어 잘 관리되고 있는 필드버스는 제조 플랜트 및 기타 어려운 환경에서 자동화 장비를 연결, 제어, 관리하기 위한 기술들이 잘 비축되어 있는 일종의 기술 저장소를 설계자들에게 제공한다.

자동화된 복잡한 산업용 시스템은 여러 계층 구조의 컨트롤러 시스템에 구축된다. 이 계층 구조에서는 보통 HMI(Human Machine Interface)가 맨 위에 있게 되는데 여기에서 오퍼레이터가 시스템을 모니터링하거나 조작한다.

이것은 일반적으로 이더넷과 같이 시간이 관건이 아닌 통신 시스템에 의해 PLC(programmable logic controller)의 증간 계층에 연결된다. 제어 계층 구조의 맨 아래에는 센서, 액추에이터, 전기 모터, 콘솔 조명등, 스위치, 밸브 및 컨택터와 같이 어셈블리 라인 작업을 하는 컴포넌트에 PLC를 연결하는 필드버스(Fieldbus)가 있다.

 

일반 필드버스 타입
IEC 61158 필드버스 표준은 “타입”이라고도 하는 8가지 프로토콜 세트를 정의한다. 이러한 타입은 더 많은 애플리케이션별 필드버스 표준 및 이와 관련된 물리적 계층, 데이터 링크 계층, 어플리케이션 계층 규격의 기반으로 사용된다. 산업용 자동화 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 표준으로는 Profibus, DeviceNet 및 Can Bus들이 있는데 이들에 대해서는 아래에서 간략히 설명하고자 한다.

1. Profibus
Profibus-DP(Decentralized Peripherals)는 호환 장치를 제공하는 200개 이상의 공급업체에 의해 채택되어 플랜트 자동화 및 공정 자동화에 글로벌 하게 사용된다. 이는 (EN 50170에 바탕을 둔) 개방형 표준의 디지털 통신 인터페이스, 즉, 필드버스(Fieldbus)로서 특히 산업용 어플리케이션에 사용하기 위해 제작되었다.

구리 기반(EIA/RS-485) 또는 섬유 기반의 송수신기를 사용하여 구현되는 Profibus-DP의 광학적 변형은 최대 12 MBd의 데이터 속도를 지원하므로 현재 사용 가능한 가장 빠른 필드버스이다.

Profibus-DP는 플랜트 감시 시스템과 공정 자동화 시스템 그리고 피더, 믹서, 공기 이송 시스템(pneumatic conveying system) 등과 같은 주변 장치를 연결하는데 무려 1마일(2000 m)이 넘는 통신 거리를 지원한다.

2. DeviceNet
DeviceNet은 리미트 스위치, 광전지, 밸브 매니폴드, 모터 스타터, 드라이브, 오퍼레이터 디스플레이 등과 같은 산업용 장치를 PLC 프로세서 및 PC에 연결하는 저렴한 산업용 네트워크로서 CAN 버스를 통해 CIP(Common Industrial Protoc)를 구현한다(다음 단원에서 설명). 이 네트워크 기술은 적당히 높은 데이터 속도를 제공하며 칩 레벨의 진단도 제공하는 동시에 값비싼 배선을 없애준다. DeviceNet의 데이터 속도와 통신 거리는 표 1에서 볼 수 있다.

3. CAN(Controller Area Network 버스)
CAN(Controller Area Network 버스)은 혹독한 산업용 환경을 위해 설계된 견고한 시리얼 디지털 버스이다. 그 유연성과 견실한 특성으로 인해 자동차, 트럭 및 버스뿐만 아니라 공장 자동화, 빌딩 자동화, 항공 및 우주 분야를 포함하여 많은 애플리케이션과 시장에서 널리 채택된다.

CAN의 물리적 계층은 NRZ(non-return to zero) 코딩과 함께 EIA/RS-485 표준에 기반한 차동 시리얼 버스이다. CAN의 상위 계층 오류 감지/수정 및 장애 제한(fault confinement) 기법과 결합되면 명령과 데이터를 매우 신뢰성 있게 전송할 수 있다. 다른 전기적 필드버스 변형과 마찬가지로 그 범위는 지원해야 하는 데이터 속도에 따라 다르며 1 Mbps에서 최대 40m부터 10 kbps에서 최대 6km에 이른다.

그림2 필드버스 절연

3가지 큰 과제
전기적 기반의 필드버스 인터페이스 설계자가 직면하고 있는 3가지 주요 과제는 노이즈 내성(EMI/RFI), 고전압 절연 및 버스 레이턴시(지연)이다. 다음 단원에서 알 수 있듯이, 3가지 문제 모두 버스 컨트롤러를 위해 필드버스 설계에 사용되는 절연 컴포넌트와 어느 정도 관련이 있으며 그 이면의 전자적 특성들은 EMI/RFI로 유도된 유도전류와 급격한 고전압으로부터 전기적으로 보호된다.

구리 EMI/RFI 고려사항
저렴한 비용과 보다 간단한 설치로 인해 많은 필드버스 네트워크는 CAN과 기타 다른 필드버스 표준에 사용 가능한 섬유 기반 대체 인터페이스보다는 구리 기반 전기 인터페이스를 사용한다. 보통은 광트랜시버보다 느리고 짧은 네트워크 스팬만을 지원할 수 있지만 전기 트랜시버는 배선 비용이 더 저렴하고 많은 산업 설비에서 이미 사용되고 있는 이전의 “레거시” 시스템의 큰 설치 기반과 직접 호환된다.

그러나 불행하게도 부유 전자기 에너지는 구리 필드버스 케이블링에서 전자기 간섭(EMI)과 무선 주파수 간섭(RFI)을 일으킨다. RFI는 보통 협대역 현상이며 휴대 전화, 전선, 변압기, 의료 장¬비, 전기 기계 스위치, 일부 모터 및 산업 환경에서 발견되는 그 밖의 많은 우연한 이미터 등과 같은 광범위한 소스로부터 발생할 수 있다.

EMI는 보호되지 않은 네트워크에 두 가지 방식으로 큰 혼란을 일으킨다. Radiated EMI는 공기를 통해 이동하는데 그 이름이 의미하듯이 conducted EMI는 전도 통로를 따라 이동한다. 두 EMI 모두 장비의 정상적인 작동에 간섭을 일으킬 수 있고 인식할 수 없을 정도로 버스 신호를 오염시키고 어떤 경우에는 전자 컴포넌트를 물리적으로 손상시킬 수도 있다.

 

절연 방책 채택
EMI/RFI 완화는 일반적으로 간섭의 소스를 제거 또는 축소, EMI에 덜 민감한 장치를 선택하는 것을 포함한 좋은 설계 행위, 커플링 효과를 최소화하는 레이아웃의 최적화 그리고 적절한 실딩(shielding) 사례의 사용 등이 결합되어야 가능하다.

필드버스 표준은 EMI, RFI 또는 유기 전압(stray voltage)이 버스 케이블링에서부터 자신의 장비에까지 작용하지 못하도록(또는 자신의 장비에서 빠져 나와 버스에 이르지 못하도록) 모든 네트워크 트랜시버에 절연체를 사용하도록 요구한다. 상용화 가능한 모든 아이솔레이터 솔루션은 CMOS 또는 양극성 집적 회로(bipolar integrated circuit)를 바탕으로 하고 있으며 용량성, 유도성 또는 광학적 절연 기법을 사용한다.

광학적 아이솔레이터, 즉, 광커플러는 필드버스 애플리케이션에서 가장 일반적으로 사용되는 절연 기술이다. 이 광커플러는 산업용 어플리케이션에서 수 십 년 동안 전기적 안전을 제공해왔으며 거의 모든 어플리케이션에 맞는 속도 등급, 전압 정격 및 다양한 폼 팩터로 제공된다.

그림4 필드버스 절연

충격적 진실
EMI/RFI 효과로부터의 보호에 덧붙여, 설계자들은 고전압(48 VDC, 110 VAC 이상)과 관련하여 특히 장비와 컴포넌트의 안전을 고려해야 한다. 여기서는 필드버스의 구리 기반 UTP 케이블링이 불행하게도 산업 시스템에서 종종 발견되는 고전압의 전도체 역할을 할 수 있으므로 장비(및 장비에 연결된 모든 것)을 보호해야 한다.

산업 자동화 시스템에서 필드버스 트랜시버는 보통 모터 스타터, 서보 드라이브, PLC 및 전력 컨버터로 둘러싸여 있다. 그리고 여러 공장에서 계측기기 및 자동화 컨트롤 박스는 멀티 kV 범위에서 작동하는 제어 요소와 파워 서플라이를 포함하는 고전력의 산업용 시스템과 함께 공존한다.

이 모든 요소들로 인해 구리 필드버스에 연결된 아이솔레이터는 AC 또는 DC 전압이 정상 작동 중에 또는 장비 오작동이나 다른 재해 중에 예기치 않게 자신의 장비나 다른 사람의 장비로부터 치명적으로 나타날 수 있으므로 이들로부터 보호해야 한다.

절연 고려사항
아이솔레이터 컴포넌트는 어떤 기술을 사용하든 제품 안전 설계를 위한 두 가지 근본 원칙을 이행할 수 있는 절연 특성을 갖추어야 한다.

1. 즉, 감전사 위험을 나타내는 회로를 다른 회로와 분리시키고,

2. 사용자가 접촉될 수 있거나 다른 장비에 연결되는 장비의 특정 부품을 분리시키는 것이다.

회로는 정상 사용 중이거나 고장 조건 하에 있을 때 모두 안전해야 한다. IEC 60747-5-5 안전 표준은 두 가지 절연 레벨(Basic과 Reinforced)을 안전에 대해 명확히 구분하여 정의한다. 정의에 의한 기본(Basic) 절연은 단일 장애 조건에서 실패하거나 단락된다고 간주된다.

반면, ‘강화(Reinforced) 절연’ 등급은 전기 쇼크로부터 기본 보호를 제공하고 장비 장애 시 안전한 사용자 액세스를 가능하게 해주는 ‘Failsafe Operation’ 설계를 지원하는 “Failsafe Operation–qualified” 컴포넌트에만 승인, 적용될 수 있다.

IEC 60747-5-5는 특히 광 아이솔레이터를 위해 작성되었지만 자기 또는 용량성 절연물과 같은 다른 절연 기술을 사용하는 장치들이 이 광커플러 안전 기준에 대해 ‘’기본(Basic) 절연’ 인증을 획득했다.

지적한 바와 같이, 이 기본(basic) 절연은 ‘Failsafe Operation’ 성능을 제공하지 않을 수 있으므로 비광학식 절연 장치들은 ‘Failsafe’로 간주될 수 없으며 따라서 사용자에게 액세스 가능해서는 안 된다.

전파 고려사항
설계자들은 또한 필드버스 네트워크의 전체 시스템 전파 지연에 아이솔레이터가 어떤 역할을 하는지도 고려해야 한다. 시스템 지연은 CAN 트랜시버, CAN 컨트롤러 및 광커플러의 결합된 지연으로 구성된다.

시스템이 해당 비트율에서 최대 케이블 거리로 작동할 수 있기 위해서는 컴포넌트 전파 지연의 합이 지정된 값을 초과하지 않는 것이 중요하다. CAN 기준은 아이솔레이터에 대해 최대 40 ns의 지연 시간을 필요로 한다. 이것은 25 MBd(1/40 ns)의 속도로 간접 해석된다.

그림5 필드버스 절연

광학 및 자기 절연 기술 비교
수 년간 제조업체들은 광커플러 제품 포트폴리오에 새로운 기능 – 증가된 절연, 더 높은 절연 전압, 더 작은 패키지 등 – 을 추가해 왔다. 그럼에도 불구하고 광커플러 구조의 상대적으로 높은 복잡성과 초기 세대에서의 성능 문제로 인해 자기 및 정전 용량식 기술을 바탕으로 다른 유형의 아이솔레이터에게 시장 기회가 제공되어 왔다.

그 결과, 더 좋은 통합과 크기 및 빠른 속도의 자기적으로 결합된 아이솔레이터 제품들이 시장에 출시되었다. 제조업체들은 이러한 지능의 일부를 입증할 수는 있지만 그 신뢰성 및 견고함에 대한 근본적 문제는 여전히 해결되지 않은 채 남아 있다. 그리고 간략히 살펴보겠지만, 각 절연 기술은 고전압과 강한 전자기장 앞에서는 서로 다르게 반응한다.

신뢰성과 견고함
자기 아이솔레이터에 대한 이러한 주장 중 일부는 특정 절연 장치가 절연물의 한쪽을 반대쪽의 고전압으로부터 얼마나 오래 동안 성공적으로 절연할 수 있는지 결정하기 위한 일련의 실험에서 최근 평가되었다. 이 실험은 두 가지 매개변수 즉, 고전압 성능과 절연 무결성 측면에서 시스템의 신뢰성을 평가하도록 구성되었다.

고전압 수명 실험은 신뢰받는 제조업체의 자기 아이솔레이터 장치 및 아바고의 광커플러에 고전압이 적용된 파괴 테스트였다. 시스템의 데이터 시트에 따라 2.5kV가 자기 아이솔레이터에 계속 적용되었고 경쟁 제품인 아바고의 광커플러에도 더 높은 전압(3.75 kV)이 적용되었다.

자기 아이솔레이터가 연속 실험 8.5 ~ 10.5 시간 사이에서 파괴된 반면 아바고의 광¬커플러는 더 높은 3.75 kV의 전압에서 최소 168시간 동안 연속적으로 살아남았다.

DTI(Distance Through Insulation)
내부 공간거리, 즉, 절연 거리(DTI)는 전기 보호를 위한 또 다른 중요한 치수이다. DTI가 광커플러에 적용되면 광커플러 공동(cavity) 내에서 광 이미터와 광 탐지기 사이의 간접 거리로 정의된다. 그림 4 는 와이드 바디 및 표준 광커플러 패키지에서 DTI가 어떻게 측정되는지에 대한 예제를 제공해준다. 일부 장비 표준의 경우 강화(reinforced) 레벨에 대해 최소 0.4mm DTI를 필요로 한다. 이러한 장비 표준의 예는 IEC 60651(의료 부문)과 IEC 61010(측정 및 제어 부문)이다. 이 두 장비 표준에는 예외가 없다.

비 광학 기반의 아이솔레이터 공급업체들은 0.4 mm의 최소 DTI 규격을 충족하는 제품을 제공하지 않는다. 그들의 현재 제품 포트폴리오에는 약 0.018 mm의 일반적인 DTI 규격이 있는데, 이러한 이유만으로도 설계자들은 의료 또는 실험 측정용으로 자기 또는 정전용량식 아이솔레이터를 선택하는 것에 대해 재고하게 된다.

광커플러의 LED/광다이오드 결합은 커플링 광로(optical coupling path) 때문에 EMI에 대해 내성이 있는 것으로 간주되지만 자기 아이솔레이터는 그 미세구조와 자기 커플링 때문에 EMI와 관련하여 제약을 갖는다. 자기 커플러 장애는 다양한 주파수와 서로 다른 전계 강도에서뿐만 아니라 DC(0 Hz)에서도 발생할 수 있다.

본 연구의 결과, 광절연은 뛰어난 EMI 성능을 제공하고 시중의 다른 아이솔레이터 기술보다 훨씬 높은 전자기 장에 견딜 수 있다는 것이 입증되었다. 이것은 광커플러가 까다로운 필드버스 애플리케이션에 최상의 선택이라는 주장을 뒷받침하기도 한다.

결론
안전하고 견고한 필드버스 기반 산업용 시스템의 설계는 어려운 과제일 수 있지만 다음 4가지 핵심 쟁점에 주의를 기울이면 그 과정이 훨씬 쉬워질 수 있다.

1. 절연 장치에 대한 안전 기준(failsafe operation을 제공하는‘강화(Reinforced) 절연’의 광커플러 찾기)

2. 시스템이 고전압 서지에 노출되었을 때 컴포넌트 고장의 가능성을 최소화하는 아이솔레이터의 고전압 절연 신뢰성

3. 설계, 쉴딩 및 절연을 통한 EMI/RFI 효과의 완화

4. 트랜시버의 아이솔레이터가 필수 DTI(distance through insulation) 요건을 충족하거나 초과하도록 보장: 의료 및 실험 측정 장비에 대한 0.4 mm 이상 요건은 자기 및 용량성 아이솔레이터를 사용에서 제외

참고 자료 및 추가 정보
[1] 절연 회로에 대한 아바고테크놀로지스 규제 가이드 – 웹 링크: http://www.avagotech.com 발행 번호: AV02-2041EN

[2] 아바고테크놀로지스 고속 CMOS 디지털 광커플러 데이터시트 – 웹 링크: http://www.avagotech.com 발행 번호: AV02-0324EN – 페이지 6, IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 Insulation Characteristic(Option 060)

[3] 아바고테크놀로지스 광커플러로 안전하고 튼튼한 산업용 시스템 구축 – 웹 링크: http://www.avagotech.com 발행 번호: AV02-0835EN

아이씨엔 매거진 2012년 12월호

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