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고속 비전 분야로 확장하는 Ethernet
목차
다른 네트워킹 및 인터페이스 표준과 마찬가지로 Ethernet도 현재는 더 이상 사용되지 않는 10BASE5(10 Mbits/s)부터 1000BASE-T(1 Gbits/s), 10GBASE-T(10 Gbits/s)에 이르기까지 다양한 데이터 전송 속도를 지원하도록 발전해 왔습니다. IEEE 802.3bq 표준의 일부로 새롭게 도입된 트위스티드 페어 기반 데이터 전송 속도에는 25GBASE-T(25 Gbits/s)와 40GBASE-T(40 Gbits/s)도 포함됩니다. 2016년 IEEE 표준 위원회는 트위스티드 페어 네트워크에서 10GBASE-T(10 Gbits/s)보다 전력 소비가 낮고 비용 효율적인 버전이 필요하다는 점을 인식하고, 2.5GBASE-T(2.5GigE)와 5GBASE-T(5GigE)를 포함하는 802.3bz 표준을 승인했습니다.
위: 10GBASE-T의 나이퀴스트 주파수는 400 MHz이며, 이는 전송되는 대부분의 데이터가 이 주파수 이하에 포함된다는 의미입니다. 속도를 5 Gbps(5GBASE-T)로 낮추면 나이퀴스트 주파수는 200 MHz로 낮아져 Category 6 케이블의 지정 대역폭 범위에 들어갑니다. 속도를 2.5 Gbps(2.5GBASE-T)로 낮추면 나이퀴스트 주파수는 다시 절반인 100 MHz로 줄어 Category 5e 케이블의 지정 대역폭 범위에 들어갑니다.
참고
Ethernet 케이블의 나이퀴스트 주파수란 무엇을 의미할까요? 나이퀴스트 주파수는 신호를 안정적으로 재구성하기 위해 필요한 최소 샘플링 속도를 의미합니다. Ethernet 데이터 대역폭이 높을수록 케이블에 필요한 나이퀴스트 주파수도 높아집니다.
균형 잡힌 선택
2.5GBASE-T는 CAT 5e 케이블을 통해 최대 100m 거리에서 최대 2.5 Gbits/s 속도를 지원하며, 5GBASE-T는 CAT 6 케이블을 통해 100m 거리에서 최대 5Gbit/s 속도로 동작할 수 있습니다. 10GBASE-T는 10Gbits/s로 동작하며 카메라와 컴퓨터 간 거리를 CAT 6 케이블 사용 시 55m, CAT 6A 케이블 사용 시 100m까지 지원할 수 있지만, 이론적으로는 가능성이 입증되었음에도 현재 10GBASE-T 기반 전력 공급은 지원되지 않습니다. 또한 설치된 Ethernet 케이블의 대부분이 이미 CAT 5e 및 CAT 6이기 때문에, 2.5GBASE-T와 5GBASE-T를 사용하면 시스템 설계자는 기존 Ethernet 솔루션을 비용이 많이 드는 방식으로 재배선하지 않아도 됩니다. 따라서 기존 케이블을 활용할 수 있고, 낮은 전력 소비와 PoE(Power over Ethernet)를 지원한다는 점 때문에 2.5GBASE-T, 특히 5GBASE-T는 통신 시스템뿐만 아니라 CMOS 기반 카메라와 같은 머신 비전 주변기기 제조업체에도 속도, 거리, 비용 간 균형이 뛰어난 매력적인 대안이 되고 있습니다.
최대 5m 거리에서 최대 6.8 Gbit/s로 동작하는 가장 빠른 Camera Link Extended Full 또는 Deca 버전과 비교하면, 고가의 PC 기반 프레임 그래버나 맞춤형 케이블이 필요 없는 5GBASE-T 인터페이스의 장점은 더욱 분명해집니다.
참고
알고 계셨나요?
1999년 이후 설치된 CAT 5e 및 CAT 6 케이블은
1999년 이후 설치된 CAT 5e 및 CAT 6 케이블은
70
십억 미터 이상 설치되었습니다.(1)
고속 5GBASE-T 카메라
이러한 장점을 인식한 여러 기업들이 현재 5GBASE-T 표준 기반의 라인 스캔 및 에어리어 어레이 카메라를 출시하고 있습니다. 이러한 에어리어 어레이 카메라의 한 예로는 Sony의 대형 포맷 31.4MP IMX342 CMOS 센서를 탑재한 LUCID Atlas ATL314S 5GBASE-T 카메라가 있습니다. 최대 25.50 W(PoE+, Type 2) 전력과 5Gbit/s 데이터 전송을 지원하는 M12 Ethernet 커넥터를 통해, 이 카메라는 CAT 6 케이블로 100m 거리에서 6464 x 4852 해상도와 17 fps의 프레임 전송 속도로 동작할 수 있습니다.
속도만이 전부는 아닙니다
머신 비전 카메라 제조업체들이 5GBASE-T 표준을 채택한 데에는 여러 이유가 있습니다. Camera Link Extended Full 버전이 5m 거리에서 최대 6.8 Gbits/s로 동작하는 것처럼, USB 3.1 및 USB 3.2 인터페이스는 각각 최대 10 Gbits/s 및 20 Gbits/s까지 데이터를 전송할 수 있지만 카메라와 컴퓨터 간 연결 거리는 USB 3.1의 경우 5m, USB 3.2의 경우 3m로 제한됩니다. 마찬가지로 가장 빠른 카메라-컴퓨터 인터페이스인 CoaXPress(CXP)는 CXP 링크당 최대 12.5 Gbits/s, 4개 링크 사용 시 50 Gbits/s까지 데이터를 전송할 수 있습니다. 하지만 이러한 데이터 전송 속도에서는 케이블 길이가 최대 35m로 제한되며, 3.125 Gbits/s의 더 느린 데이터 링크를 사용할 경우 케이블을 100m까지 연장할 수 있습니다.
Camera Link와 마찬가지로 CXP 기반 시스템을 구현하려면 비교적 고가의(+$2500) PCIe 프레임 그래버가 필요합니다. 웹 검사와 같은 일부 고속 라인 스캔 애플리케이션은 낮은 지연 시간, 낮은 지터, 포인트 투 포인트 인터페이스를 요구하므로 CXP 시스템을 사용해야 합니다.
그 외 요구 사항이 비교적 낮은 머신 비전 애플리케이션에서는 5GBASE-T가 더 비용 효율적인 솔루션입니다 (아래 표 1). 라인 스캔 및 에어리어 어레이 카메라 제품군에서 제조업체들은 GigE Vision을 지원합니다. GigE Vision은 주로 카메라 기업들로 구성된 컨소시엄이 2006년에 개발한 인터페이스 표준으로, 현재는 Automated Imaging Association(AIA)이 관리하고 있습니다.
위: PCIe 프레임 그래버를 필요로 하는 CXP 및 Camera Link 시스템은 카메라와 컴퓨터 간 연결에서 매우 낮은 지연 시간과 낮은 지터를 제공할 수 있습니다. 하지만 프레임 그래버는 카메라 연결 수를 제한하고(CXP는 카드당 최대 8대, Camera Link는 카드당 최대 2대), 비용을 높이며, 시스템 유연성을 낮춥니다. GigE Vision 인터페이스는 시스템 내 여러 장치를 연결할 때 높은 유연성을 제공하며, 최대 케이블 길이는 100m입니다.
참고
프레임 그래버란 무엇인가요? 프레임 그래버는 Camera Link, CoaXPress 및 아날로그 머신 비전 카메라용 특수 인터페이스 카드입니다. USB 또는 Ethernet 카메라와 달리 프레임 그래버는 카메라의 모든 이미지 처리를 수행합니다.
표 1: 인터페이스 비교
| 인터페이스 | 최대 데이터 전송 속도 | 최대 길이 | 케이블 전원 공급 | 프레임 그래버 필요 | 상대적 시스템 비용 | 특징 | 필요 케이블 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camera Link | 850 MBytes/s | 10m 최대, 7m (Deca) | 예(PoCL) | 예 | 높음 | 결정론적, 지연 시간 4µs |
차폐 트위스티드 페어, MD-26 커넥터 |
| CoaXPress | CXP 링크당 12.5 Gbit/s | 3.125 Gbit/s에서 100m, 12.5 Gbit/s에서 35m(최대) |
예(PoCXP) | 예 | 높음 | 결정론적 지연 시간(약 4µs) |
RG59 및 RG6 75Ω 동축 케이블 BNC 또는 DIN 1.2/2.3 커넥터(카메라) Micro-BNC(프레임 그래버) |
| USB 3.1 Gen 1 | 최대 5 Gbit/s(오버헤드 후 360 MBps) | 5m | 예 (5V, 2.5W) | 아니요 | 낮음 | Average latency 30 μs | USB Type-A 및 USB-C 커넥터, USB 케이블 |
| USB 3.2 | 최대 20 Gbit/s | 3m | 예 (5V, 4.5W) | 아니요 | 낮음 | Average latency 30 μs | USB Type-A 및 USB-C 커넥터, USB 케이블 |
| 10GBase-T | 10 Gbit/s | 55m (CAT 6) 100m (CAT 6A) |
Power over Ethernet+(PoE+)(IEEE 802.3at) | 아니요 | 중간 | 평균 지연 시간 3μs | CAT 7, 6a 또는 CAT 6 케이블, 광 케이블 |
| 5GBase-T | 5 Gbit/s | 100m (CAT 6) | Power over Ethernet(802.3bt) | 아니요 | 낮음 | 평균 지연 시간 3μs | CAT 6, 5e 케이블 |
| 2.5Gbase-T | 2.5 Gbits/s | 100m(CAT 5a) | Power over Ethernet(802.3bt) 4페어 PoE(51W) |
아니요 | 낮음 | 평균 지연 시간 3μs | CAT 5e 케이블 |
| 1GBase-T | 1Gbit/s | 100m(CAT 5 케이블 이상) | 13W(손실 후) CAT 3/CAT 5 |
아니요 | 낮음 | 1μs~12μs 지연 시간 | CAT5 케이블 |
GigE Vision 및 GenICam 지원
GigE Vision은 Ethernet 네트워크를 통해 고속 비디오와 관련 제어 데이터를 전송하기 위한 프레임워크를 제공하여 개발자가 소프트웨어를 더 쉽게 구축할 수 있도록 합니다. 표준의 일부로 GigE Vision의 GigE Device Discovery Mechanism은 IP 주소를 획득하는 메커니즘과 카메라 제어 및 이미지 스트림에 접근할 수 있는 XML 설명 파일을 제공합니다. 이는 Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau(VDMA; 독일 프랑크푸르트 암마인)가 개발한 GenICam 표준을 기반으로 합니다.
GenICam은 통합 API와 GUI를 통해 프레임 속도와 같은 카메라 기능을 노출하며, 각 기능은 이름, 인터페이스 유형, 측정 단위 및 동작 방식에 따라 추상적으로 정의됩니다. GenICam 표준의 GenApi 모듈은 장치의 기능을 설명하는 카메라 설명 파일을 작성하는 방법과 상호 운용성을 확보하는 방법을 정의하며, GenICam Standard Features Naming Convention(SFNC)을 사용해 공통 카메라 기능, 해당 이름 및 동작 방식을 제공합니다.
정확한 타이밍의 중요성
GigE Vision 및 GenICam 표준은 서로 다른 장치가 Ethernet을 통해 함께 동작할 수 있도록 해주지만, 장치 간 결정론적 동작 문제는 여전히 해결해야 합니다. Ethernet을 사용하는 비즈니스 시스템과 사무 환경에서는 장치 간 정밀하거나 중요한 타이밍이 필수적이지 않습니다. 모든 데이터 패킷이 정확히 송수신되는지, 또는 정해진 시간 내에 송수신되는지가 시스템 동작에 결정적인 요소가 아니기 때문입니다. 그러나 부품을 적시에 검사하는 머신 비전 시스템과 같은 산업용 Ethernet 시스템에서는 결정론적 동작이 필요합니다. 산업용 시스템은 특정 시점에 처리된 데이터를 전송, 수신 또는 실행하지 못할 경우 데이터 손실과 지연이 발생하여 예측 불가능한 산업 시스템으로 이어질 수 있으므로, 높은 결정론성이 요구됩니다. 따라서 결정론성은 매우 중요하며, 여러 전문 산업용 Ethernet 프로토콜을 통해 다루어져 왔습니다.
결정론적 Ethernet 프로토콜
대표적인 산업용 Ethernet 프로토콜로는 PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, SERCOS III, POWERLINK가 있습니다. 각 프로토콜은 기술적 접근 방식에 큰 차이가 있기 때문에, 모든 프로토콜을 지원하려면 대형 산업 자동화 장비 제조업체를 제외하고는 막대한 소프트웨어 개발 노력이 필요합니다. 각 프로토콜은 장치에 실시간 및 결정론적 동작을 제공하며, 각각 다양한 지원 기업과 제조업체를 보유하고 있습니다. 그러나 EtherCAT은 가장 널리 채택된 프로토콜로, 저렴한 네트워크 인터페이스 카드(NIC)와 Ethernet 케이블을 사용하면서도 산업용 머신 컨트롤러에 필요한 실시간 결정론적 응답을 제공하여 우수한 성능과 높은 시장 수용성을 모두 갖추고 있습니다. (2)
필드버스라고도 불리는 이러한 프로토콜 집합을 지원하기 위해, OPC Foundation이 개발한 개방형 표준인 OPC Unified Architecture(OPC UA – IEC 62451)를 사용하여 컴퓨터 기반 기계, 기계 간, 그리고 기계와 컴퓨터 시스템 간 산업 통신을 위한 정보 교환을 정의할 수 있습니다.
OPC UA를 사용하면 개발자는 데이터를 바이트 스트림으로 매핑하는 대신, 장치가 합의되고 공유된 의미를 바탕으로 데이터를 교환할 수 있게 해주는 OPC의 데이터 모델과 서비스를 활용할 수 있습니다. 동시에 EtherCAT Technology Group(ETG, 독일 뉘른베르크)과 OPC Foundation의 기술은 서로를 보완합니다. EtherCAT은 기계 및 플랜트 제어를 위한 실시간 Ethernet 필드버스로 사용되고, OPC UA는 확장 가능한 통신을 위한 플랫폼으로 사용됩니다.
참고
협회 회원사
VDMA는 3,200개 이상의 기업 회원사를 보유하고 있습니다
OPC는 700개 이상의 기업 회원사를 보유하고 있습니다
머신 비전 시스템 구축
위와 같은 협력은 유용하지만, 공장 현장에서 Ethernet 기반 시스템을 활용하려는 머신 비전 시스템 개발자의 요구를 구체적으로 다루지는 않습니다. 이를 위해 VDMA는 OPC Foundation과 협력하여 OPC Vision Initiative를 구성하고, 머신 비전을 위한 OPC UA 컴패니언 사양을 개발했습니다(“OPC UA Vision, VDMA Specification”, 2018년 11월 초안 버전 참조).
OPC UA가 데이터 모델링을 위해 임베디드 장치, 기계 및 데이터 전송의 데이터, 기능, 서비스를 설명하는 반면, OPC Vision은 GenICam 표준의 Features Naming Convention과 유사하게 카메라와 같은 제품에 대한 산업별 정의를 가능하게 합니다. 또한 OPC Vision Interface는 EtherCAT과 같은 필드버스 표준과 통합되어, OT 생산 제어 및 IT 시스템과 연동할 수 있는 실시간 결정론적 시스템을 위한 완전한 시스템 모델을 구성할 수 있습니다.
OPC Unified Architecture(OPC UA), OPC Vision Initiative, 그리고 시간 민감형 네트워킹(TSN)을 위한 IEEE 802.1 표준의 등장으로, 기업은 이미지 캡처와 같은 시간 중요 결정론적 애플리케이션과 시간 요구 사항이 상대적으로 낮은 IT 시스템 모두에 단일 Ethernet 네트워크를 사용할 수 있게 되었습니다. OPC UA TSN 표준은 카메라, PC, PLC 및 서버 기반 시스템을 포함한 네트워크상의 컴퓨터 기반 노드에 적용할 수 있으므로, 엣지 기반 및 클라우드 기반 네트워크 애플리케이션 개발에 특히 유용합니다.
5GBASE-T: 최적의 균형점
5GBASE-T 카메라는 표준 Cat 6 케이블과 함께 사용할 경우 다양한 유연한 네트워크 토폴로지에서 호스트 컴퓨터로부터 최대 100m 떨어진 위치에 쉽게 설치할 수 있습니다. 비교적 고가의 프레임 그래버가 필요 없기 때문에 전체 시스템 비용을 낮출 수 있으며, 동시에 다양한 비전 애플리케이션을 처리하기에 충분한 5Gbits/s 이미지 데이터 전송 속도를 카메라에서 제공합니다. OPC Unified Architecture(OPC UA) 및 OPC Vision Initiative와 같은 노력이 정착되면, 산업용 필드버스 기반 Ethernet 네트워크에서 5GBASE-T 카메라를 더 쉽게 배포할 수 있어 시스템 통합 작업이 간소화될 것입니다. 이러한 요소들은 고속 비전 시스템에 유연성, 대역폭, 낮은 비용, 강력한 신뢰성을 제공하는 균형 잡힌 인터페이스를 구성합니다.
(1) NBASE-T Alliance의 “NBASE-T Technology Overview” https://youtu.be/cLfuhrBaza8
(2) Kingstar(Waltham, MA, USA)가 작성한 백서 “Five Real-Time, Ethernet-Based Fieldbuses Compared”
