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테크놀로지

점점 증가하는 48V 전원 설계의 필요성

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고밀도 PFM™ AC-DC 프론트엔드 모듈

최근의 애플리케이션 제품 설계는 아래와 같은 사항을 추가하며 진화하고 있다.

• 향상된 처리 능력
• 더 높은 통신 속도
• 더 길어진 실행 속도(run rates)
• 주변 장치 추가
• 더 높은 토크
• 더 밝은 LED

이러한 사항들을 ‘더 많이’ 제공하기 위해서는 더 많은 전력의 공급이 필요하다. 일반적으로 볼 때 한 기기에 더 많은 전력을 제공하는 것은 크기 및/또는 중량 제한으로 인해 매우 제한적이다. 따라서 기존의 12V 배전보다 높은 48V로 전환하는 산업이 증가하는 추세이다.

48V의 필요성
시스템에서 I2R 손실은 효율에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 케이블, 커넥터 및/또는 PCB 제한 등에 따라 부하에 대한 전력 흐름을 방해할 수 있다.

예를 들어, 서버의 프로세서 전력은 100W 미만에서 200W, 300W 심지어 그 이상으로 증가했다. 이러한 증가된 전력을 여러 서버 프로세서에 배전하면 (가능한 경우) 더 높은 전압을 배전하거나 더 큰 구리 부스바(copper bus bar)를 통한 완화 조치가 발생하지 않는 상황에서는 더 많은 손실이 발생하게 된다. 서버 뿐 아니라 더 많은 전력 사용을 기반하는 모든 설계는 전류의 제곱 값의 손실을 초래할 것이다.

그러나 고전압 이용하면 I2R 손실을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 48V 대 12V 전원 배전 방식은 16배의 전력 손실 감소를 가져오기도 한다. 이러한 손실의 감소 효과를 기대할 수 있는데 왜 (12V와 같은) 기존의 저 전압 배전 방식만을 사용할까?

저전압 컨버터와 비교해보면 고전압 배전 방식은 실제로 전체 효율을 저하시키고 높은 비용을 발생시키며 크기 및 중량도 증가시킨다.

그러나 컨버터에서 발견된 이러한 단점은 이미 구식이 되어버렸다. 오늘날 엔지니어들은 I2R 손실을 감소시키고 저 전압 컨버터와 동등하거나 그 이상의 효율, 비용, 크기/무게를 가능하게 하는 고전압 컨버터를 활용하고 있다.

모든 것의 시작, 전화(Telephony)

전화

근대식 전화 및 전화 교환기는 48V를 사용한 최초의 예이다. 주지하다시피 이미 통신업계는 48V를 사용하는 것으로 표준화 되었으며 실제로 사용하고 있다.

48V를 사용하는 이유는 무엇일까? 48V는 거리에 따른 전압 손실(동작 전압의 비율로 따질 경우)이 적고 게이지 와이어에 대한 요구 사항이 적을 뿐 아니라 배터리 백업이 간단하며(이는 48V의 부정적인 평가의 원인이 되기도 함) 전압 레벨이 더 안정적이라고 판단되어 더 효율적이었다.

새로운 48V는 무엇이며, 과연 안전한가?

파워

낙뢰나 서지에 대한 요구 사항이 없을 뿐 더러 더 넓은 30V~60V의 범위로 인해 많은 엔지니어들은 긍정적인 평가를 내리며 통신 분야 외에 48V를 사용하는 것을 “새로운 48V”로 생각한다.

60Vdc 보다 낮은 전압의 사용은 12V 사용에 대한 운용 요구 사항들을 참조하여 안전 초 저전압(SELV: safety extra low voltage)을 고려한 것이다. 따라서 48V 배전 방식은 SELV의 문제를 발생시키지 않으면서도 I2R 손실을 최소화 한다.

48V는 현재 어디에 사용되고 있나?

오늘날 48V는 데이터 센터, 자동차, LED 조명 산업, 산업 장비와 전동 공구와 같은 분야에도 사용되는 것으로 널리 입증되어 있다. 그런데 일상적인 생활에서 48V가 적용되는 부분을 일일이 살펴보거나 사용하는 것은 불가능하다. 48V는 새로운 12V이다.

“새로운 48V”에 적극적인 데이터 센터

데이터 센터 및 슈퍼 컴퓨터는 작은 국가 수준의 전력을 필요로 하는데 특히 고성능 컴퓨터 센터에서는 효율성이 매우 중요하다. 더욱이 요즘은 인공 지능에 대한 관심이 높아짐에 따라 컴퓨팅 솔루션은 증가하는 전력 요구 사항에 대응할 수 있는 프로세서를 더욱 필요로 하는 추세이다.

그러나 더 높은 프로세서 전력을 제공하면 전력 공급에 물리적인 문제가 발생하므로 전통적인 12V를 사용해 효율성을 유지하려고 한다. 따라서 엔지니어들은 보다 높은 수준의 전력 배전이 가능한 48V 배전을 채택함으로써 이러한 문제점들을 극복했다.

구글(Google)의 48V 채택

48V를 적용한 좋은 사례들 중 하나는 구글이다. 구글 엔지니어들은 APEC2017(Applied Power Electronics Conference, 2017) 및 OCP2017(Open Compute Project, 2017) 행사에서 데이터 센터에48V를 사용하는 것의 장점 및 비용 절감에 대해 공개적으로 논의한 바가 있다.

또 다른 48V 적용 사례는 Supercomputing 2017에서 최근 Green500 순위가 발표될 때 강조되었다.

Green500는 가장 효율적인 고성능 컴퓨터 시스템의 순위를 매긴다. 작년에 랭크된 상위 5위 중 4개는 컴퓨터 시스템 전체에 48V 배전을 채택한 일본 회사 PEZY가 설계한 시스템이었다.

더 높은 조도와 낮은 비용의 상용 LED 패널

하룻밤에 뉴욕의 타임스퀘어를 비추는 데에는 얼마나 비용이 발생할까? 거대한 옥외 LED 스크린의 크기와 소비 전력은 지난 10년간 급격히 증가해 왔다.

LED 패널의 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 더 높은 LED 픽셀 밀도 및 밝기가 가능해졌다. 이러한 새로운 패널을 설계하는 엔지니어는 48V 배전을 적용하면서 전력 케이블의 크기와 무게를 줄이는 동시에 효율도 향상시키고 있다.

이러한 대규모 설비는 효율이 향상되고 있는 것 외에도 점점 경량화되어 설치가 더욱 용이해지고 있다. 오늘날에는 더 작은 패널 매트릭스들이 모여 더 밝고 오래 지속되는 디스플레이를 구동하게 되었는데 이로 인해 운송 및 설치가 더 쉬워졌다.

또한 48V 전력 배전은 소매점의 벽면 디스플레이 및 운송 허브 정보 디스플레이에 사용되는 AC 배전 방식 대신 더 저렴하고 안전한 대안을 제공한다.

더 많은 토크를 추구하는 전동 공구

전동드릴

개인용 및 전문 배터리 구동 도구들 역시 이와 비슷한 추세를 따라 더 많은 전력을 위한 더 높은 전압으로 전환하고 있다. 전력이 높을수록 공구 작동 시간이 길어지고 토크가 향상된다. 무선 공구용 배터리는 ~9V 부터 ~12V, ~18V, 그리고 ~20/24V 버전을 지나 이제 48V 및 60V까지 발전했다.

어떤 건축 자재점에 가도 드 왈트(DeWalt)와 같은 유명 회사의 60V 배터리 공구들을 쉽게 찾을 수 있다. Snapper의 고성능 60V 전기 톱이나 잔디 깎는 기계와 같은 경량 공구들도 예외가 아니다.

자동차의 48V 채택

자동차 시동키

마일드 하이브리드 타입의 자동차는 기존의 연소 기반 차량에 약간의 추가만으로도 차량 효율을 10%이상 향상시키고 있다.

델파이(Delphi)에 근무하는 자동차 엔지니어 같은 자동차 엔지니어들은 마일드 하이브리드에 48V 배전 방식을 채택한다. 이를 통해 시동/정지 동작의 “정지” 단계에서 액세서리에 전원을 공급함으로써 내연 기관에서 부하를 줄인다.

초기 설계에서는 12V 전용 배터리를 배치했었지만 정지 단계에서 시스템 내부 기능에 충분히 전력을 공급할 수 없었다. 그래서 이제는 48V가 가장 효율적인 대안임이 입증되었다.

로봇 및 산업 장비에 전원 공급

지게차

산업용 장비는 다양한 제품을 다루는데 48V는 같은 이유(고전력)로 점점 더 많은 영향력을 발휘하고 있다.
• 키바 시스템(Kiva System)은 대형 창고 용 로봇 처리 시스템으로 48V를 사용하여 아마존의 물류 창고를 지원하고 있다.
• 어드반테스트(Advantest)는 48V를 사용하여 ATE 제품의 배선 크기(적은 와이어를 이용하여 더 많은 전력 공급)를 최소화하고 있다.
• CAT는 48V 창고용 적재 트럭을 제공한다. 공정 제어, 생산 설비 및 공장 자동화 기기들은 48V 적용을 성공적으로 채택한 추가적인 사례이다.

새로운 12V인 48V

더 높은 전력이 필요하다면 48V를 고려해보는 것이 좋다. 엔지니어들은 12V 배전을 사용할 때 전력을 단순히 증가시키면서 발생하는 손실이 시스템을 제한하고 있음을 알게 되었다. 향상된 48V 컨버터 및 레귤레이터는 현재 12V 대응 제품에 비해 더 나은 효율, 비용 및 크기/중량 성능을 제공한다.

많은 전력 설계들은 레귤레이팅을 통해 1차적으로 12V로 정류 하는 것이 아니라 48V에서 부하 전압으로 직접 전환하는 단일 레귤레이터로 대체해서 얻을 수 있는 추가적인 이점을 활용한다.

최근 몇 년 동안 48V 솔루션을 제공하는 여러 부품 공급업체들이 출현함에 따라 48V DC/DC 사용이 늘어났다. 바이코는 48V DC/DC 레귤레이터 및 절연 컨버터를 사용한 다음의 설계를 통해 더 나은 효율, 밀도 및 비용 절감들을 가능하게 해주고 있다.

• 제로전압(zerovoltage) 스위칭과 같은 고효율 스위칭 토폴로지(topology)
• SM-ChiP 패키지와 같은 고밀도 전원 패킹을 가능하게 하는 3D 패키지 기술

48V 시스템을 설계하는 엔지니어들은 바이코가 홈페이지에서 제공하는 온라인 선택/설계 도구에 접속해 설계 시간을 단축함으로써 최적화된 솔루션을 확보할 수 있다. [제공. 바이코]

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스마트공장

정보 흐름 최적화를 통한 생산성 향상, Syngineer(신지니어)가 구현하는 완벽한 협업

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이제 전기 엔지니어들도 기구엔지니어링 CAD 에서 발생한 변경사항을 투명하게 이해할 수 있다.

4차산업혁명 시대에는 여러 엔지니어링 부문이 함께 성장하며 이루어나가야 한다. 그렇다면 현재 이들 간에 존재하는 장벽을 어떻게 극복해야 할까? Syngineer는 전기와 기구엔지니링 설계자들이 ‘서로 대화’를 할 수 있도록 해준다. 이 클라우드 기반의 툴은 기계 및 시스템 개발을 위한 부서간의 엔지니어링 협업을 최적화함과 동시에 좀 더 나은 커뮤니케이션 환경을 제공한다.

위에 제시한 전기설계의 예에서 볼 수 있듯이, Syngineer를 사용하면 프로젝트 진행 상태를 문서화할 수 있다. 모든 정보는 전기 엔지니어링과 기구 엔지니어링 팀 간에 양방향으로 주고받을 수 있다.

위에 제시한 전기설계의 예에서 볼 수 있듯이, Syngineer를 사용하면 프로젝트 진행 상태를 문서화할 수 있다. 모든 정보는 전기 엔지니어링과 기구 엔지니어링 팀 간에 양방향으로 주고받을 수 있다.

많은 설계 엔지니어들이 일상적으로 부딪히는 중요한 도전과제중의 하나는 정보를 획득하고 제공하는 것이다. EPLAN과 그 자회사인 CIDEON(씨데온)이 개발한 혁신적 클라우드 솔루션인 Syngineer는 이와 같은 걸림돌을 극복할 수 있도록 지원한다. 엔지니어링 분야에서의 협업, 특히 기구엔지니어링과 전기엔지니어링, PLC/소프트웨어 사이의 작업 조정을 간소화하고 그 속도를 높인다. Syngineer 시스템을 통해 다양한 엔지니어링 영역에서 서로 정보를 원활하게 교환하며 협업을 증진할 수 있다. 이렇게 함으로써 종종 엔지니어링 마지막 단계에서 수작업이 발생하여 상당한 비용을 초래하게 되는 상황도 훨씬 더 줄일 수 있다.

더 많은 투명성을 제공하는 단순한 시스템

Syngineer는 사용자들을 위한 프로젝트 기반 접근법을 취하고 있으며, 그 적용은 매우 간단하다. Syngineer의 선임 엔지니어링 컨설턴트인 맥스 뤼첼(Max Lützel)은 “Syngineer를 사용하면 MCAD 소프트웨어와 EPLAN Electric P8 간 연결을 손쉽고 빠르게 설정해 사용할 수 있다.”고 밝혔다. 예를들면 “간단한 오리엔테이션만으로도 설계 프로세스상에서 모터 변경이 발생하면, 해당 동료는 그 변경사항을 실시간으로 바로 알 수 있다.”는 것이다.

전기 엔지니어들은 기존의 익숙한 작업 환경에 내비게이터를 추가함으로써 Syngineer를 사용하게 된다. 이 내비게이터를 통해 전기 엔지니어는 타 부서의 기구 엔지니어링의 동료 엔지니어와 연결된다. 전기와 기구, 이 두 영역의 설계 부서가 엔지니어링 정보를 양방향으로 교환할 수 있다. 이와 같은 통합 덕분에 양쪽 엔지니어들 모두 각자에게 친숙한 시스템 내에서 편리하게 작업하면서도 채팅 기능 등을 통해 서로 최신 개발 상황을 조율할 수 있다. 이메일을 통한 변경 사항 통지도 가능하다. 이러한 설정은 알림 관리 시스템을 사용해 손쉽게 맞춤화할 수 있다.

개발 진척 상황을 한눈에 Syngineer에서는 작업 및 요청의 현재 처리 상태를 라벨링할 수 있다. 개발 프로세스 상의 변경 사항과 각각의 진척 상태는 모든 관련 직원이 확인할 수 있다. 나아가 본 시스템은 누가 어떤 변경을 처리했는지에 대한 정보도 제공한다. 그 결과 프로젝트 매니저는 중앙화된 위치에서 프로젝트 상황을 한눈에 볼 수 있고, 사후 고객 요건에 대한 개요를 파악할 수 있다. Syngineer 소프트웨어는 현재 독일어와 영어로 지원되며, 향후 제공 언어가 추가될 예정이다. 세계화 시대에 걸맞게 인터넷 브라우저, 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 다양한 경로로 액세스가 가능하다.

이제 전기 엔지니어들도 기구엔지니어링 CAD 에서 발생한 변경사항을 투명하게 이해할 수 있다.

이제 전기 엔지니어들도 기구엔지니어링 CAD 에서 발생한 변경사항을 투명하게 이해할 수 있다.

확장 가능한 시스템

클라우드 기술 기반의 또 다른 중요한 실용적인 이점은 외부 파트너, 고객 및 공급업체도 개발 프로세스에 쉽게 통합될 수 있다는 것입니다. 아울러 클라우드 아키텍처는 유연한 사용자 확장성도 보장한다. 이로써 기업은 필요할 때면 언제든 사용자 수를 조정하며 생산, 커미셔닝, 유지보수 등의 부서에 추가적인 액세스를 제공할 수 있다.

Syngineer는 효율적인 정보 교환을 지원함으로써 시간 절약과 제품 품질 향상을 약속한다. Syngineer를 사용하여 센서/액츄에이터 목록을 자동 생성하면 잠재적인 절감 효과는 더욱 배가된다. 그 결과 기업은 문서화 품질을 높이는 것은 물론, 업무 시간을 30% 단축할 수 있다.

이플랜코리아 www.EPLAN.co.kr

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스마트공장

B&R ACOPOStrak, 휴먼-트랙 콜라보레이션 구축

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mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

생산 라인에 안전 펜스가 설치되어야 하는 시대는 끝났다. 앞으로 공장에서는 기계와 로봇, 그리고 사람이 함께 협력하여 일하게 될 것이다. 사람과 지능형 수송 시스템이 같은 레벨로 서로 협동하기 위해 ‘휴먼-트랙 콜라보레이션’이라는 개념을 최초로 도입한 제조업체가 바로 B&R이다.

사람은 수많은 생산 라인에서 핵심적인 역할을 한다. 심지어 인더스트리4.0 시대에도 조립과 테스트 작업은 매뉴얼로 하는 것이 가장 좋은 방법중의 하나이다. 사람의 지능으로 빠르게 배울 수 있고 거기에 고성능의 기계가 더해지면 복잡한 타스크도 쉽게 수행할 수 있다. “이것이 ‘휴먼-트랙 콜라보레이션’이 탄생한 배경입니다.” 라고 B&R 메카트로닉 기술 매니저인 Robert Kickinger씨는 말한다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

사람들이 기계와 협력하여 일할 때에는 안전이 최우선이다. 휴먼-로봇 콜라보레이션(HRC)에 대한 안전 표준과 권고사항이 확립되어 있지만, 휴먼-트랙 콜라보레이션(HTC)은 아직 확립된 사항이 없다. 이것이 놀랄 일은 아니다. 마찬가지로 Kickinger씨는 “우리는 이 분야에서 새로운 영역을 개척하고 있습니다.” 라고 말한다. B&R은 ACOPOStrak 시스템을 적용시킨 매뉴얼 작업 공간에서 안전을 보장하기 위한 방법으로 기술적 측면에서는 휴먼-로봇 콜라보레이션을 위해 정의된 한계치를 사용하고 관련 분야의 C 표준을 적용한다.

5가지 통합된 안전 기능
ACOPOStrak은 휴먼-트랙 콜라보레이션에 있어서 Safe Torque Off (STO), Safely Limited Speed (SLS), Safely Limited Force (SLF), Safe Direction (SDI), Safe Maximum Speed (SMS), 이렇게 5가지 핵심 안전 기능을 갖추고 있다. 최대 안전 응답 시간은 6밀리초로 매우 빠르다. 이 기능들로 ACOPOStrak 셔틀은 사람이 작업하는 공간을 지나갈 때에는 속도와 힘을 제한하고 계속해서 트랙의 나머지 부분을 통과할 때에는 완벽한 성능으로 주행한다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

B&R 솔루션의 차별화는 좀 더 디테일한 면에서 나타난다. 이에 대해 “안전 속도 및 힘에 대한 제한 값은 고정된 값이 아니라 안전 어플리케이션이 실제 실행될 때 유연하게 계산될 수 있습니다.” 라고 Kickinger씨는 설명한다. 따라서 서로 다른 무게의 셔틀이 위험을 일으키지 않고 각각의 최대 안전 속도로 이동할 수 있다. Kick-inger씨는 “트랙과 같이 작업하는 공간에서 이 정도 수준의 솔루션을 제공하는 것은 우리가 처음입니다.” 라고 말한다.

안전 설정
또한 ACOPOStrak의 안전 기능을 통해 안전 설정 모드를 구현할 수 있다. 설정 모드에서는 속도 및 힘 제한이 전체 트랙에 적용된다. 일단 사람이 안전 구역을 벗어나면 그 제한 사항은 해제된다. “이것은 다른 모든 트랙 시스템에서 사용하는 기능 중 가장 특출난 기능입니다.”라고 Kickinger씨는 강조한다. 다른 시스템에도 속도를 제한할 수 있는 트랙 요소가 있지만 이러한 제한 사항을 조정할 수 있는 시스템은 없다. ACOPOStrak이 아닌 다른 시스템에서는 안전 모드에서 고속 활성화 모드로 전환하는 것은 불가능하다.

ACOPOStrak은 Safe Torque Off (STO), Safely Limited Speed (SLS), Safely Limited Force (SLF), Safe Di-rection (SDI), Safe Maximum Speed (SMS) 등 5가지 핵심 기능을 갖추고 있다.

ACOPOStrak은 Safe Torque Off (STO), Safely Limited Speed (SLS), Safely Limited Force (SLF), Safe Di-rection (SDI), Safe Maximum Speed (SMS) 등 5가지 핵심 기능을 갖추고 있다.

효율성 및 수익성
응답 시간이 매우 짧기 때문에 빠른 조치가 가능하며 매뉴얼 작업공간에서 안전 설정 모드를 사용하더라도 트랙을 둘러싼 기계 설치 공간은 많이 필요하지 않다.

B&R이 소개한 ‘휴먼-트랙 콜라보레이션’은 지능형 ACOPOStrak 수송 시스템의 사용 범위를 확장하는 동시에 시장 출시 기간이 짧아지면서 투자수익률도 올리는 강점이 있다. 복잡한 작업 같은 경우에는 사람에게 맡기는 것이 완전 자동화된 시스템보다 기계를 더 빠르게, 더 저렴하게 사용할 수 있다.

또한 B&R의 안전 솔루션은 작업자가 매뉴얼 작업 공간에서 작업을 진행하는 동안에도 생산을 계속할 수 있기 때문에, 기존의 솔루션보다 설비종합효율(Overall Equipment Effectiveness)를 극대화할 수 있다. B&R은 이 신기술로 제조 라인의 새로운 미래를 개척하고 있다.

ACOPOStrak
B&R은 2017년 SPS IPC Drives 전시회에서 처음으로 지능형 ACOPOStrak 수송 시스템을 선보였다. 초당 4미터 이상의 속도로 제품들은 독립적으로 제어되는 셔틀을 통해 A 가공 작업대에서 B 가공 작업대까지 이동한다. 그 사이에는 제품들을 나누기도 하고 합치기도 하는 다이버터가 있다. 이것은 특히 고객 맞춤화 제품을 생산하는 기계 제조업체들에게 완벽하게 자동화된 제조 시스템을 구축할 수 있는 무한한 가능성을 열어준다. [제공. 비앤드알산업자동화 www.br-automation.co.kr]

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English News

TSN; A Milestone for Industry

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The proven communications standard Ethernet has been optimized through the addition of quality-of-service mechanisms. Various new IEEE standards will enable Ethernet to reliably transmit several protocols (including real-time-capable ones) in parallel within predefined maximum time limits. Industrial users and car manufacturer are already getting ready to employ it.

The steel arms move perfectly in step with one another and wave their grippers at the viewer. Not even the minutest delay is noticeable when the two industrial robots perform their graceful machine ballet. This perfect coordination is due to a technology that is currently ushering in a new era of industrial communication: Time-Sensitive Networking (TSN).

For the past 40 years or so, Ethernet has been the undisputed leader when it comes to the transmission of digital data through cables. Siemens has been there from the very beginning and even launched the first Industrial Ethernet network on the market: SINEC H1. As a result, Ethernet was not only used in offices but also, in particular, in industrial manufacturing. However, the standard had a problem from the very start – it could not guarantee that the data packets transmitted by the sender would arrive at the recipient within a certain amount of time. This is an unacceptable situation for industrial controllers – after all, sensor measurements and control signals musn’t take too long to arrive at their destination if a machine is to operate reliably. They need real-time communication within milliseconds – a task for which Ethernet was not originally conceived.

An important development: In the future, everything will build on Ethernet with TSN and can be operated in parallel as required.

An important development: In the future, everything will build on Ethernet with TSN and can be operated in parallel as required. (@siemens)

That’s why users who want real-time communication via Ethernet need to employ technological extensions such as the widespread Profinet standard. In machines, for example, this standard connects sensors, actuators, and drives to the central controller by adding real-time data transfer capabilities to Ethernet, enabling applications up to and including the precise control of servo drives. “However, to do that you generally need special hardware components inside the connected devices,” explains Matthias Gärtner, Head of System Management at the Simatic Controller unit of Siemens. “Moreover, the various real-time Industrial Ethernet solutions cannot be run in parallel on the same Ethernet network.”

TSN will enable all data – including real-time information – to be transmitted through a single network in effect simultaneously.

This problem will soon be a thing of the past, because the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), which is responsible for standardizing various systems, has extended Ethernet by adding the urgently needed mechanisms for real-time communication. These include time-controlled transmission, synchronization, and bandwidth reservation. In this way, the IEEE is improving the quality of service by means of TSN. This will enable Ethernet to supply the same time information to all of the connected devices that support these extended standards. As a result, the entire network will be precisely synchronized. In addition, reservation protocols ensure that the data packets are transmitted from the sender to the destination via all the intervening switches according to a predefined timetable. The TSN standards also take into account the topology of the network in question – i.e. whether the network is arranged in the form of a star, a ring, or a line and the number of switches between the sender and the recipient. Moreover, the standards also include seamless redundancy processes.

Attractive for the entire industry: In addition to real time-capable communication within machines, communication between machines can now also happen in real time, improving throughput in the entire plant system.

Attractive for the entire industry: In addition to real time-capable communication within machines, communication between machines can now also happen in real time, improving throughput in the entire plant system. (@siemens)

A Single Network for All Data
“It’s a historic moment for Ethernet,” says Gärtner. “In the future, it will be possible to use standard hardware components for Profinet and other real-time industrial communication protocols that are based on TSN. This will enable all data – including real-time information – to be transmitted through a single network in effect simultaneously.” Users will automatically benefit from the steadily increasing bandwidth of standard Ethernet, which will be needed more and more as a result of the increasing IP connectivity of the automation systems. It will also make communication more robust because the switching resources in the TSN switches are firmly reserved for the requested real-time communication needs so that information can no longer be lost due to buffer overflows, for example.

In addition to a rising demand for real-time-capable communication in machines via Profinet, there is also a growing demand for deterministic (i.e. predetermined) data exchange between different machines. Examples include cooperative robots that simultaneously work on the same work piece and so need to precisely coordinate their movements with one another. The OPC UA standard with the PubSub (Publish/Subscribe) extension has now established itself in this area. It can also employ Ethernet with TSN as its transmission medium. “I expect Ethernet with TSN to be introduced into the entire industrial manufacturing process,” says Gärtner. “But that’s not all. Car manufacturer also want to use the new standard to transmit the large amounts of data from reversing cameras within vehicles, for example, or to make autonomous driving possible, which won’t be achievable without onboard networks that incorporate quality-of-service mechanisms.” The time for this has now come. The first TSN components are now being launched on the market and Siemens will use actual TSN products to demonstrate deterministic machine-to-machine communication over OPC UA PubSub at Hannover Messe 2018. These products will be purchasable at the end of the year, when Ethernet with TSN will have finally arrived in the modern world of digitalization and “Industrie 4.0”.

more info at http://www.siemens.com/tsn

 

 

[Box]

Interview about TSN: “Ideally Prepared for the Future”

 

Siemens is one of the driving forces behind the development of Ethernet with TSN. Sven Gottwald, Head of System and Vertical Management for Industrial Communication and Identification, explains how the application of the new standard benefits users.

Why is Ethernet with TSN such an important development?

Because it means that we no longer need different Industrial Ethernet solutions for deterministic communication in industry. In the future, they will all run on the widely used Ethernet with TSN and can do so in parallel without restrictions. This includes Profinet, OPC UA PubSub, and all other TCP/IP-based protocols. This convergence is a huge benefit for industrial users, because it enables all types of data to be transmitted through a single physical network in which time-sensitive information always has precedence so that it reliably arrives on time. That’s precisely what companies need in order to fully exploit the potential of digitalization and “Industrie 4.0”.

How does Ethernet with TSN regulate the “timetable” for the data?

The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), which is responsible for the standardization, provides two options for this: It’s either done by a central unit or the connected devices negotiate it among themselves. As a member of the “Labs Network Industrie 4.0” (LNI4.0) testbed, Siemens prefers the second option because the use of a central unit requires extensive reconfiguration every time a change occurs in the network. However, if the system configures itself, it’s easy to integrate new devices. That’s why we talk of “Plug & Work”-capable networks, which greatly benefit our customers.

What is Siemens doing with regard to Ethernet with TSN?

The entire automation industry is working hard on this topic of course. However, Siemens is certainly one of the leading companies in this area. We are actively involved in all of the major standardization bodies, such as the IEEE, the IEC, the OPC-F, and the PI. We also supply the editor for some of the TSN IEEE standards.

The first TSN products will start shipping before the year is out. That’s why our customers are ideally prepared for the digital future with Siemens.

 

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