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10BASE-T1L을 통한 건물 자동화 혁신

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글/Rolf Horn, DigiKey 유럽 편집자 제공

최근 몇 년 동안 건물 자동화 분야는 엄청난 발전을 이루어 상업용 및 주거용 건물을 보다 효율적으로 관리할 수 있게 되었다.

오늘날, 전력 소비를 최소화하고 실시간 대용량 데이터 처리량 및 제어 기능을 향상시키면서 거주자들을 위한 보다 건강한 환경의 건물을 구축하기 위한 효율적이고 지속 가능한 시스템에 대한 요구가 널리 퍼져 있다.

건물 자동화의 문제점

설계자 및 시스템 통합자는 건물 자동화로 인해 발생하는 다음과 같은 여러 문제에 직면하고 있다.

• 기술의 급속한 노후화: 기술의 급속한 발전으로 인해 기존 시스템이 쓸모 없게 되어 기능, 지원 및 새로운 기술과의 통합이 줄어들 수 있다.

• 효율성 및 지속 가능성 요구 사항: 에너지 효율성, 결함 감지/진단 개선, 실내 환경 품질(IEQ) 모니터링, 수자원 관리는 모두 건물 소유자와 운영자에게 필수 요소이다.

• 데이터 분석 및 최적화: 데이터 분석 및 최적화의 최신 경향으로 인해 데이터 수집, 분석 및 해석 기능을 건물 자동화 시스템에 통합해야 한다. 이는 건물 성능, 비효율성 감지, 시정 조치 구현의 데이터 기반 최적화를 위한 길을 열어준다.

• 상호 작동: 서로 다른 제조업체가 제공하는 시스템 간에 호환성과 통합을 보장하는 것은 어렵다. 또한 비호환성, 독점 프로토콜 및 표준화 부족으로 인해 시스템의 효율성이 저하될 수 있다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 이러한 문제를 해결하려면 스마트 건물에 다음과 같은 기능이 필요하다.

• 클라우드 연결을 통해 기업 수준에서 중앙 집중식 구성 및 관리 실현

• 컨트롤러 수준에서 변환 게이트웨이의 종속성 제거

• 인텔리전스를 에지로 이동하여 센서와 액추에이터가 대량의 데이터를 교환할 수 있도록 함

[그림 1] 상호 작동이 가능한 에지-클라우드 연결을 갖춘 건물 (출처: ADI)

데이터 통신의 중요성은 산업 및 건물 자동화 영역에서 더욱 커집니다. 현재 데이터 용량의 증가로 기존 솔루션이 해당 생리학적 임계값에 접근하고 있음을 인식하게 되었다. 결과적으로 이더넷이 우세한 통신 표준으로 떠오르고 있다. 재래식 4선 이더넷 솔루션은 한 쌍의 연선으로 구성된 2선 솔루션(10BASE-T1L이라고 함)으로 변환되었다.

10BASE-T1L 표준이 변화를 구동하는 방식

2019년에 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 사양이 도입되면서 한 쌍의 연선을 통해 최대 1,000m까지 10Mbps 전이중 통신이 가능해 여러 산업 및 건물 관리 통신 문제가 해결되었다.

10BASE-T1L 표준은 건물 자동화 분야의 케이블 연결, 대역폭, 거리 및 전력과 관련된 제한을 포함하여 기존 통신 시스템의 여러 제한을 극복한다. 다음은 10BASE-T1L 표준이 이러한 제한 사항을 해결하는 방법에 대한 분석이다.

• 케이블 연결: 10BASE-T1L 표준은 한 쌍의 연선 케이블을 통해 이더넷 신호와 전력을 전송할 수 있는 물리적 계층 솔루션을 제공함으로써 센서 및 액추에이터와 같은 현장 수준 장치에 대한 원활한 이더넷 연결을 가능하게 한다. 이를 통해 복잡하고 비용이 많이 드는 케이블 연결 인프라가 필요하지 않으므로 이더넷 네트워크 구축 자동화의 배포 및 설치가 용이해진다. 그 외에도 이더넷 패킷은 에지에서 클라우드로 직접 이동할 수 있으므로 게이트웨이 변환이 필요하지 않다.

• 대역폭: 10BASE-T1L 표준은 최대 10Mbps의 데이터 전송 속도를 지원하며 이는 다양한 건물 자동화 응용 분야에 적합하다. 이 대역폭은 기존 필드 버스(몇 kbps로 제한됨)보다 높으며 센서에서 또는 액추에이터로 직접 값을 전송할 수 있을 뿐만 아니라 구성 및 파라미터화 데이터와 같은 추가 장치 파라미터를 전송할 수 있다.

• 거리: 장거리 이더넷 연결을 지원하는 10BASE-T1L 표준 기능은 이 장치의 주요 이점이다. 이는 기존 이더넷 표준보다 상당히 긴 최대 1km 길이의 연결을 허용한다. 이로 인해 산업 공장 및 자동차 조립 공장과 같이 장치가 넓은 영역에 분산되어 있는 응용 분야에 적합하다.

또한 10BASE-T1L 표준은 전력 요구 사항이 낮기 때문에 전력 자원이 제한된 환경에서 사용하도록 고안되었다. 이는 배터리 수명과 전력 소비가 중요한 현장 수준 장치에서 가장 중요하다.

경우에 따라 표준에 정의된 대로 10BASE-T1L을 통해 데이터 및 전력(비본질안전 영역에서 최대 60W)을 모두 제공해야 한다. 10BASE-T1L은 두 가지 진폭 모드인 2.4V (최대 1,000m 케이블 길이) 및 1.0V(최대 200m의 더 짧은 길이)를 지원한다. 1.0V 피크-피크 진폭 모드를 통해 이 기술은 방폭 환경(위험 지역)에서도 사용할 수 있으며, 적용되는 엄격한 최대 전류 소비 요구 사항을 충족한다(최대 전력은 500mW로 제한됨).

참조 사용 사례

그림 2는 10BASE-T1L 표준의 일반적인 사용 사례를 보여준다. 이 스마트 빌딩 응용 사례는 10BASE-T1L의 속성을 이용하여 엔드 노드(센서 및 액추에이터)부터 클라우드의 엔터프라이즈/IT 수준에 이르기까지 서로 다른 수준에서 데이터를 수집하고 집계한다.

룸 컨트롤러는 현장 장치에 직접(점대점) 연결하거나 데이지 체인으로 연결된 일련의 장치에 연결할 수 있다. 또한, 각각의 룸 컨트롤러는 레거시 장치의 연결을 수용하도록 구성할 수 있다.

각 건물에는 10BASE-T1L 링크를 통해 수많은 룸 컨트롤러에 연결될 뿐 아니라 100Mb/Gb 산업용 이더넷을 통해 다른 건물의 플랜트 컨트롤러에 연결되는 자체 플랜트 컨트롤러가 있다.

그림 2의 오른쪽에 있는 엘리베이터 운전실 컨트롤러에서처럼 센서 및 액추에이터(최대 25m)에 대한 단거리 연결의 경우 10BASE-T1S 표준이 더 적합하다.

10BASE-T1L 트랜시버

Analog Devices는 산업 및 건물 자동화의 이더넷 기반 응용 제품에 적합한 초저전력, 단일 포트, 10BASE-T1L 트랜시버인 ADIN1110을 개발했다. 이 장치는 장거리 범위, 10Mbps 단일 쌍 이더넷(SPE)을 위한 IEEE 802.3cg-2019 이더넷 표준을 충족하며 이러한 응용 분야에서 사용할 수 있도록 설계되었다.

그림 3에 표시된 대로, 이 부품은 미디어 액세스 제어(MAC) 인터페이스를 사용한다. 이를 통해 4개의 전선을 사용하는 SPI(직렬 주변 장치 인터페이스)를 사용하여 여러 호스트 컨트롤러에 직접 연결할 수 있다. 이 SPI를 사용하면 통합 MAC가 필요하지 않으므로 전력 소비가 감소된 프로세서를 사용할 수 있으며 결과적으로 시스템의 전체 전력 소비가 가장 낮다. Open Alliance SPI 프로토콜 및 일반 SPI 프로토콜은 SPI와 함께 사용하기 위한 옵션으로 제공된다(적절하게 구성될 경우).

ADIN1110은 전압 공급 모니터링 및 파워온 리셋(POR) 회로망을 사용하여 시스템 수준 견고성을 개선한다. 또한 저전력 소비(통상 42mW)를 제공하며, 1VPP 및 2.4VPP 전송 수준뿐만 아니라 자동 협상 및 프레임 필터링을 위한 16개 MAC 주소도 지원한다.

10BASE-T1L의 향상된 범위로 인해 끊임없는 연결을 유지하면서 대규모 건물에 자동화 장치를 설치할 수 있다. 이러한 유연성과 확장성 덕분에 시설 관리자는 조명, 기후/HVAC 제어, 보안 및 에너지 관리와 같은 응용 분야에 대한 설정을 쉽게 모니터링하고 수정할 수 있다.

또한 10BASE-T1L의 향상된 데이터 전송 속도를 통해 건물 시스템을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있어 운영 효율성이 향상된다. 이 기술을 통해 자동화 장치 통신의 응답 시간, 대기 시간, 신뢰성이 모두 향상된다.

10BASE-T1L 이더넷 스위치

이더넷 표준과 마찬가지로 10BASE-T1L은 다양한 네트워크 세그먼트와 장치를 연결하기 위한 스위치를 제공한다. 연결된 장치에 전력을 공급하기 위해 다양한 네트워크 토폴로지를 구성하고 활용할 수 있다. 건물 자동화에서 스위치는 대개 컨트롤러, 센서 및 액추에이터에 연결된다. 가용성을 높이기 위해 스위치는 링 토폴로지 형태로 미디어 중복성을 활성화한다.

이를 위해 Analog Devices는 건물 자동화 네트워크용으로 설계된 완전한 10BASE-T1L 이더넷 2포트 스위치인 ADIN2111을 개발했다(그림 4). 컨트롤러, 센서 및 액추에이터에 장거리 이더넷 연결을 추가하는 이 장치는 전력이 제한된 소형 에지 장치 내에서 사용하기에 적합하다. ADIN2111은 개별 구현보다 전력 소비를 최대 50% 절감하고 최대 75% 더 많은 PCB 공간을 제공한다.

ADIN2111은 인라인 및 링 데이지 체인 네트워크용으로 설계되었으며, 건물 내 기존 단일 연선 케이블링 인프라를 활용하여 개조 비용을 절감한다. 그림 5는 링(상단) 및 인라인(하단) 토폴로지를 구현하기 위해 여러 장치를 연결하는 방법을 보여준다. 마지막 에지 센서는 PHY 및 MAC를 사용하는 트랜시버에 연결되고 나머지 두 센서는 스위치에 연결된다.

16개 주소 MAC 조회 테이블을 갖춘 10BASE-T1L 스위치는 컷스루와 저장 및 전달 작업을 지원하므로 사용자는 데이터 패킷을 처리하고 전달할 때 대기 시간이나 오류 처리에 우선순위를 둘 수 있다. 고급 패킷 필터링은 프로세서의 우선순위 트래픽 처리의 부담을 덜어준다.

스위치에는 설치, 시운전 및 시스템 중단을 줄이는 정교한 진단 기능이 통합되어 있다. 여기에는 MSE(평균 제곱 오류), 링크 진단 및 IEEE 테스트 모드, TDR(시간 영역 반사 측정)을 사용한 케이블 결함 감지 기능이 포함된 링크 품질 표시기가 포함된다. 이 진단 솔루션은 매우 정확한 온칩 TDR 엔진과 호스트 마이크로 컨트롤러에서 실행되는 알고리즘 세트로 구성되어 있어 광범위한 케이블과 고급 케이블 진단 기능에 대한 최대의 유연성을 제공한다.

IEEE 802.3cg 표준을 준수하는 이 솔루션은 1.7km의 케이블링, 링 이중화 및 Modbus/TCP, BACnet/IP 및 실시간 KNX를 포함한 소프트 프로토콜을 통한 이더넷 연결을 지원한다. 또한 ADIN2111은 비관리 구성에서 리피터로 사용되어 도달 거리를 2,000미터 이상으로 확장할 수 있다.

결론

10BASE-T1L의 도입으로 건물 자동화에 대한 새로운 기회가 창출되었으며, 상업용 및 주거용 공간의 관리 및 제어 방식에 혁명이 일어났다. 기존 인프라를 활용하고 유연성을 제공하며 데이터 전송을 향상시키는 기능을 갖춘 이 장치는 자동화 솔루션 구현에 이상적인 솔루션이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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