싱글 페어 이더넷(SPE)은 기계 설계의 구성 요소가 통신, 전력 공급 및 통합되는 방식을 단순화하는 간소화된 산업용 네트워킹 솔루션으로 인정받고 있다.
SPESA(Single-Pair Ethernet System Alliance) 이사회 이사이자 Weidmuller Global의 비즈니스 개발 관리자인 Simon Seereiner는 단일 쌍 이더넷을 "단 두 개의 전선으로 된 표준 이더넷"이라고 설명하면서 이 기술이 자율 주행 네트워크용 자동차 시스템에 처음 성공적으로 통합되었다고 언급했다. "예를 들어 Tesla와 같은 현대 자동차를 운전한다면 이미 단일 쌍 이더넷 네트워크 안에 앉아 있는 것입니다. 업계에 많은 혜택을 가져다주었다"고 브리핑에서 말했다.
SPE의 핵심은 기존 이더넷 케이블에 사용되는 여러 쌍에서 단일 트위스트 페어로 데이터 및 전력 전송에 필요한 도체 수를 줄이는 것이다. Seereiner에 따르면 PoDL(Power over a Data Line) 기술을 사용하면 동일한 두 개의 전선을 통해 전원 공급 및 통신이 가능해 연결이 크게 단순화된다. 그는 "게이트웨이가 없는 투명하고 결정론적인 고속 통신"이라며 "현장 장치에서 클라우드까지 가능하다"고 말했다.
SPE는 IEEE와 ISO가 국제적으로 비준한 개방형 표준이며, 공장 및 프로세스 자동화에 걸친 상호 운용성을 보장하기 위해 공동으로 개발한 프레임워크를 개발한 PROFINET 및 ODVA를 포함한 주요 산업 조직의 지원을 받고 있다고 Seereiner는 말했다.
기계의 구성 요소를 지정하고 통합하는 임무를 맡은 다학제 엔지니어의 경우 SPE의 특성은 구성 요소 설계, 기계 아키텍처 및 시스템 통합 유연성에 직접적인 영향을 미친다. 예를 들어, 더 작은 커넥터와 케이블은 컴팩트한 기계 설계를 용이하게 한다. Weidmuller USA의 자동화 수석 이사인 Ken Crawford는 SPE의 물리 레이어 단순화로 인한 기계적 이점을 강조했다. 그는 "커넥터 밀도가 높아지고, 케이블 요구 사항이 줄어들고, 케이블이 더 가벼워지고, 곡률 반경이 더 작아집니다"라고 말했다.
이러한 기능은 센서, 액추에이터 및 모터와 같은 구성 요소가 더 좁거나 적은 케이블 인입구를 가질 수 있음을 의미하며, 제어 캐비닛 및 움직이는 기계 부품 내에서 더 촘촘한 패키징과 개선된 내부 라우팅을 제공한다. 케이블 부피가 줄어들어 도어 또는 로봇 팔의 굽힘 반경 준수가 향상되어 기계적 응력과 잠재적인 케이블 고장 지점이 줄어든다.
통합 이더넷 네트워크의 목적은 통합을 단순화하고 개발 속도를 높이는 것이다. Crawford에 따르면 단일 쌍 이더넷은 표준 이더넷 프로토콜을 활용하여 기존 인프라 및 소프트웨어 생태계와 통합합니다. "SPE는 통합 네트워크입니다"라고 그는 말했다. "모두가 이더넷을 알고 있습니다. 여전히 모든 드라이버와 상호 운용성을 유지할 수 있습니다."
이 공통 프로토콜 기반은 다양한 공급업체의 장치 통합의 복잡성을 낮추고 구성 요소 펌웨어 개발을 단순화하며 시스템 검증 시간을 단축한다. 설계자의 경우 이는 표준화를 통해 엔지니어링 노력을 줄이고 시장 출시 시간을 단축하는 것으로 해석된다.
현장 수준 및 엔드 라인 OT에서 전사적 자원 관리(ERP) 및 클라우드에 이르기까지 이 그래픽은 모든 수준에서 표준화된 SPE를 보여준다.
긴 케이블 길이, 다중 드롭 기능
피닉스컨택트의 APL 및 SPE 홍보대사인 Arnold Offner는 APL 및 SPE 홍보대사, 자동화 인프라, 미주 사업부, SPE는 기존 아날로그 4-20mA 루프와 유사하거나 능가하지만 데이터 속도는 더 높다고 설명했다. 이를 통해 값비싼 중계기나 네트워킹 장비의 중간 장치 없이 더 큰 기계 및 시설에 걸쳐 유연한 구성 요소를 배치할 수 있어 분산 인텔리전스를 갖춘 모듈식 기계 설계를 장려할 수 있다.
SPE는 제어 캐비닛 내에서 더 짧은 거리(5-15미터)에서 멀티 드롭 구성을 지원하므로 여러 장치가 단일 네트워크 포트와 케이블을 공유할 수 있다. "기계에서 단일 포트 멀티 드롭을 사용하여 하나의 케이블에서 여러 센서와 통신할 수 있으므로 채택이 가속화되고 기계가 단순화됩니다." 크로포드가 말했다. 이를 통해 포트 수와 케이블 연결 복잡성이 최소화되며, 이는 엔지니어링 리소스가 제한된 소규모 기계 제조업체에 특히 도움이 될 것으로 보인다.
구성 요소 수준에서 통합된 사이버 보안
Seereiner는 SPE가 이더넷에서 물려받은 사이버 보안 이점에 주목했다. 그는 "CANbus, Modbus 또는 IO-Link 사이버 보안을 만드는 것은 엄청난 양의 작업이 될 것"이라고 말했습니다. "이더넷은 보안을 위해 설계되었습니다."
Crawford는 SPE가 표준 이더넷 하드웨어와 동일한 펌웨어 및 네트워크 관리 도구를 사용한다고 덧붙였다. 그는 "현재와 동일한 수준의 보안을 달성하기 위해 기본적으로 개발 없이 일대일 이전을 할 수 있습니다"라고 말했다.
SPE 인터페이스를 통합한 구성 요소는 기존 IT/OT 보안 인프라를 사용하여 원격으로 모니터링, 패치 및 업데이트할 수 있으며, Machine Design은 연결된 기계에 대한 우려 사항이라고 보고했다.
SPE와 또 다른 산업용 2선 이더넷 표준인 이더넷 고급 물리 계층(APL)의 차이점에 대해 Offner는 "APL은 본질적으로 안전하며 케이블 길이가 최대 200미터인 위험한 환경을 지원하도록 설계되었습니다. SPE는 더 긴 케이블 길이를 지원하며 대부분 비위험 구역에 사용됩니다."
Seereiner는 많은 공정 산업 센서 제조업체가 기본 IEEE 12Base-T1L 물리 계층 표준을 공유하는 SPE 및 APL과 호환되는 제품을 개발한다고 덧붙였다. 본질적인 차이점은 위험 지역에 대한 APL의 추가 안전 기능에 있다고 그는 말니다.
산업 채택, 전망
설문 조사에 참여한 산업 자동화 전문가의 44%가 조직이 2년에서 4년 이내에 단일 쌍 이더넷을 채택할 것으로 예상한다고 답한 보고서 통계에 대한 질문에 Seereiner는 "2030년까지 공장 자동화에서 최대 5천만 개의 SPE 노드와 빌딩 자동화에서 1,200만 개의 SPE 노드가 될 것으로 예상합니다"라고 대답했다.
Seereiner에 따르면 엔지니어, 특히 젊은 코호트의 인식이 높아지면서 평가 샘플 및 파일럿 프로젝트에 대한 수요가 늘어나고 있다. "많은 엔지니어링 부서에서 첫 번째 샘플을 요청하는 것을 보았습니다. 그런 다음 테스트 후 다시 와서 생산 계획을 결정합니다"라고 그는 말했다.
Offner는 규제 및 사이버 보안 문제가 진행 속도를 늦출 수 있다고 지적했지만 SPE 채택은 여전히 순조롭게 진행되고 있다고 주장했다.
Seereiner는 SPE의 궤적을 지난 20년 동안 PROFINET의 출시와 비교했지만 이더넷이 이제 엔지니어들 사이에서 잘 확립된 기본 기술이기 때문에 초기 채택이 더 빨라질 것으로 예상한다.
SPE 채택의 실질적인 의미는 다음과 같다.
구성 요소 크기 및 통합. 더 작은 커넥터와 케이블은 설계 제약을 줄여 더 컴팩트한 센서와 장치를 가능하게 한다.
케이블 관리. 더 가볍고 유연한 케이블을 사용하면 보다 효율적인 라우팅이 가능하고 기계적 마모가 줄어든다.
네트워크 아키텍처. 엔지니어는 케이블 길이가 길지만 네트워크 요소는 적은 분산 제어 및 감지 네트워크를 설계할 수 있다.
보안 및 유지 관리. 내장된 이더넷 보안은 중앙 집중식 관리를 통해 사이버 위협 처리를 단순화했다.
상호 운용성. 표준화된 이더넷은 다중 공급업체 상호 운용성과 더 쉬운 통합을 촉진한다.
설계 단계 초기에 SPE 지원 구성 요소를 채택하면 잠재적으로 더 작고, 더 유연하고, 유지 관리가 쉽고, 향후 네트워킹에 맞게 확장 가능한 기계를 쉽게 구축할 수 있다.
