Support Center
Gigabit Ethernet:
효율적이고 신뢰성 높은 인터페이스
대표적인 산업용 인터페이스
매년 더 많은 사용자들이 비전 애플리케이션의 주요 카메라 인터페이스로 Gigabit Ethernet, 즉 GigE를 선택하고 있습니다. 향상된 시스템 유연성, 쉽게 구할 수 있는 구성 요소, 저렴한 100m 케이블, 그리고 산업 표준 준수가 결합되면서 GigE는 머신 비전 카메라 시장에서 주요 인터페이스 중 하나로 자리 잡았습니다. 2006년 이후 GigE 카메라는 꾸준히 시장 점유율을 높여 왔으며, 현재 구축된 머신 비전 시스템 중 50% 이상을 차지하는 것으로 추정됩니다.
목차
위: 다양한 GigE 구성 요소를 쉽게 구할 수 있습니다
멀티 포인트 제어와 유연성
Ethernet이 산업 분야에서 빠르게 확산된 데에는 멀티 포인트 분배의 유연성과 저렴한 100m 케이블 길이가 큰 역할을 했습니다. 짧은 거리(< 10m)에서 주변 장치를 PC에 연결하도록 설계된 포인트 투 포인트 인터페이스와 달리, Ethernet은 여러 컴퓨터를 방, 층, 건물 전체에 걸쳐 확장 가능하고 표준화된 방식으로 네트워크에 연결하기 위해 개발되었습니다. 1983년에 처음 표준화된 이후 Ethernet 표준은 최대 40 Gbps, 심지어 100 Gbps까지의 속도를 포함하게 되었습니다. 이러한 고속은 주로 대규모 IT 및 데이터 센터 네트워크에 사용되지만, 더 높은 대역폭의 Ethernet 카메라가 비전 산업에도 도입되기 시작했으며, 현재 주류인 1 Gbps 머신 비전 카메라도 계속 증가하고 있습니다. 또한 표준화된 Ethernet 하드웨어가 매우 다양하고 폭넓게 제공되어 시스템 설계와 비용 측면에서 더 많은 선택지를 제공합니다. 100m 케이블 길이를 통해 사용자는 카메라 설치 거리를 유연하게 조정할 수 있으며, 추가 Ethernet 스위치를 사용하면 더 먼 거리까지도 확장할 수 있습니다. 또한 Power over Ethernet(PoE)을 지원하는 카메라, 스위치, 인터페이스 카드는 동일한 케이블을 통해 전원과 데이터를 모두 전달함으로써 배선과 유지보수를 단순화합니다. 이러한 요소들이 결합되어 멀티 카메라 애플리케이션 설계에서 사용자에게 더 큰 유연성을 제공합니다.
참고
모든 PoE 카메라에 충분한 전력이 공급되는지 확인하려면 PoE 스위치 또는 인터페이스 카드의 IEEE 전력 표준을 항상 확인하십시오. IEEE는 이를 다음과 같이 정의합니다.
IEEE 802.3af Type 1-15.4W
IEEE 802.3at Type 2-30W
IEEE 802.3bt Type 3-60W
IEEE 802.3bt Type 4-100W
위: Ethernet은 다양한 멀티 포인트 애플리케이션을 지원합니다
EMI 차폐: Cat 6a 케이블
산업 환경에서 더 높은 대역폭에 대한 요구가 계속 증가함에 따라, Ethernet 케이블의 표준화된 개선도 노이즈 내성을 유지하고 방출을 제어하면서 더 높은 속도를 보장하는 방향으로 발전하고 있습니다. Cat 6a 케이블은 100m 케이블 길이의 장점을 유지하면서 최대 500 MHz의 주파수를 지원하여 10 Gbps 데이터 전송 속도를 가능하게 합니다. Cat 6a 케이블은 더 큰 직경의 도체, 더 촘촘한 꼬임, 페어 분리 구조, 두꺼운 외부 재킷을 사용하여 누화를 최소화합니다. 조명, 기계, 인접 케이블에서 발생하는 노이즈와 휴대폰 및 무선 네트워크의 RFI 등 EMI 소스가 많은 산업용 애플리케이션에서는 EMI 및 RFI 노이즈 영향을 줄이기 위해 차폐 케이블 옵션을 사용할 수 있습니다. 또한 10 Gbps 속도에서는 페어 간 결합과 누화가 제한 요소가 되기 때문에, Cat 6a 케이블은 해당 데이터 속도에서 신호 품질을 향상시키기 위해 케이블 내부의 각 페어를 개별적으로 차폐한 형태로도 제공됩니다. 모든 Cat 6a 케이블은 일반 RJ45 커넥터 또는 차폐 RJ45 커넥터를 사용하여 현장에서 종단 처리할 수 있습니다.
Cat 6a U/UTP
Category 6a U/UTP 케이블은 4개의 비차폐 트위스티드 페어(UTP) 요소로 구성되며 외부 차폐(U)가 없습니다.
Cat 6a S/UTP, SF/UTP
Category 6a 차폐 UTP 케이블은 비차폐 트위스티드 페어 그룹 전체를 감싸는 포일 스크린 및/또는 금속 브레이드를 사용하여 단일 또는 이중 차폐층을 제공합니다.
Cat 6a STP or FTP
Category 6a 차폐 트위스티드 페어(STP) 또는 포일 트위스티드 페어(FTP) 케이블은 각 트위스티드 페어 주변에 포일 스크린(FTP) 또는 금속 브레이드(STP)를 사용한 개별 차폐를 제공합니다.
Cat 6a SFTP
Category 6a 차폐 포일 트위스티드 페어(SFTP) 케이블은 두 개의 차폐층을 갖습니다. 하나는 전체 트위스티드 페어 그룹을 감싸는 차폐층이며, 다른 하나는 각 페어별 개별 스크린층입니다.
참고
최대 케이블 길이(익스텐더 미사용 시)
GigE: 100 m
CoaXPress: 130 m
Camera Link: 10 m
Camera Link HS: 15 m
USB 3.1: 3 m
공통 접지 없음
산업용 모터와 릴레이는 스위칭 노이즈를 발생시킬 수 있으며, 데이터 배선과 인접한 전원 케이블은 연결된 장비와 장치에 노이즈와 위험 전압을 결합시킬 수 있습니다. 또한 산업용 애플리케이션에서 장치와 장비 간 접지 전위 차이는 접지 루프 전류를 발생시켜 추가적인 노이즈와 EMI 문제를 유발할 수 있습니다. 산업 환경에서 중요 장비의 올바른 기능과 동작을 보장하고 안전 위험을 최소화하기 위해, 연결된 장치 간 전류 흐름을 방지하면서 데이터 전송은 허용하는 절연 기술이 사용됩니다. Ethernet 표준은 처음부터 이러한 위험을 줄이도록 설계되었습니다. Ethernet은 연결 양쪽에 트랜스포머를 사용하여 연결된 장치를 효과적으로 절연합니다. 이로 인해 GigE Vision 카메라는 공통 접지를 공유하지 않으며, 카메라와 연결된 장비에 대한 위험을 줄입니다.
위: 트랜스포머(빨간색)는 Ethernet 표준에 내장되어 있습니다. 트랜스포머는 커넥터 외부에 있거나 커넥터 내부에 포함될 수 있습니다.
높은 표준 준수
머신 비전 산업에서 Gigabit Ethernet 표준은 GigE 카메라 성장에 중요한 역할을 합니다. GigE Vision™ 및 GenICam 표준을 준수함으로써 GigE 에코시스템은 하드웨어 및 소프트웨어 제조업체 간 매우 높은 상호 운용성을 갖추게 되었습니다. 제조업체 간 호환성과 사용성이 향상되어 사용자 경험이 개선되고 소비자의 선택 폭이 넓어졌습니다.
GigE Vision은 2006년 Automated Imaging Association(AIA)에 의해 도입되었습니다. 이 표준은 카메라, 하드웨어 구성 요소, 소프트웨어 패키지 간 Ethernet 기반 통합 및 통신 프로토콜을 통합하는 역할을 합니다. 예를 들어 GigE Vision을 준수하는 타사 소프트웨어는 GigE Vision을 준수하는 모든 카메라와 함께 사용할 수 있습니다. GigE Vision은 4개의 구성 요소로 이루어져 있습니다:
- GigE 장치 검색: IP 주소를 획득하는 방법을 제공합니다(고정 IP, DHCP, 링크 로컬 주소 지정).
-
GigE Vision 제어 프로토콜: UDP 프로토콜에서 동작합니다. 이 표준은 장치를 제어하고 구성하는 방법을 정의합니다. 스트림 채널과 카메라와 컴퓨터 간 이미지 및 구성 데이터 전송 방식을 규정합니다.
-
GigE Vision 스트림 프로토콜: 역시 UDP 프로토콜에서 동작하며, 데이터 유형과 이미지 전송 방식을 정의합니다.
-
GenICam 표준을 기반으로 하는 XML 설명 파일(오른쪽 참조).
GenICam은 2006년에 도입되어 2008년 European Machine Vision Association(EMVA)에 의해 승인되었습니다. GenICam의 목표는 카메라 구성, 이미지 획득, 추가 데이터 전송, 이벤트 수행 방법을 정의하여 사용자 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스를 표준화하는 것입니다. 또한 카메라 기능을 위한 표준 기능 명명 규칙(SFNC)을 포함합니다. 이를 통해 카메라 제조업체 간 더 일관된 사용자 경험을 제공합니다. GenICam 표준은 3개의 주요 표준으로 구성됩니다:
- GenApi 표준은 카메라를 위한 범용 프로그래밍 인터페이스를 제공합니다.
- GenCP 표준은 GenICam 카메라의 제어 프로토콜을 정의합니다.
- GenTL 표준은 장치를 열거하고, 가능한 경우 다른 장치와 통신하며, 데이터를 호스트 컴퓨터로 스트리밍하는 범용 방식을 제공합니다.
이 두 머신 비전 표준 덕분에 사용자는 더 적은 시간과 부담으로 애플리케이션을 구축하고 확장할 수 있습니다. GigE Vision은 장치 연결과 타사 소프트웨어를 통한 제어를 더 쉽게 해줍니다. GenICam은 범용적이고 예측 가능한 사용자 경험을 제공함으로써 서로 다른 제조업체의 소프트웨어를 사용할 때 발생하는 학습 부담을 크게 줄입니다.
패킷 재전송을 통한 신뢰성 향상
GigE Vision 애플리케이션에서는 낮은 지연 시간과 빠른 전송 속도가 매우 중요하기 때문에, GigE Vision은 TCP 대신 UDP 프로토콜을 사용하여 패킷을 전송합니다. UDP는 속도를 극대화하기 위해 대부분의 오류 검사와 장치 및 호스트 간 협상 시간을 제거합니다. UDP는 TCP보다 빠르지만, TCP가 제공하는 수준의 패킷 전달 신뢰성은 포함하지 않습니다. 이를 보완하기 위해 GigE Vision 표준은 이미지 번호, 패킷 번호, 타임스탬프 정보를 포함하는 헤더를 UDP 패킷에 추가합니다. 이 헤더 정보는 패킷이 순서대로 도착하지 않은 경우 올바른 순서로 배치하는 데 사용됩니다. 사용자는 지연된 패킷을 얼마나 오래 기다릴지 시간 제한을 설정할 수 있으며, 해당 시간이 지나면 누락된 패킷에 대한 재전송 신호가 전송됩니다.
참고
GigE 대역폭을 극대화하려면 패킷 크기를 늘리는 것이 중요합니다. 패킷 크기가 9000바이트인 Jumbo Frames를 활성화하고 설정하면 기본 패킷 크기인 1500바이트에 비해 오버헤드를 줄일 수 있습니다.
위: 누락된 패킷을 요청하고 올바른 순서로 배치합니다
위 예시에서는 하나의 이미지가 카메라에서 호스트로 5개의 패킷으로 전송됩니다. 패킷은 순서대로 도착하지 않으며, 패킷 3은 도착하지 않습니다. 이후 패킷 재전송이 요청되고 패킷 3이 다시 전송되어 전달됩니다. 그런 다음 5개의 패킷이 올바른 순서로 정렬됩니다. 이 재전송 프로세스는 전송 신뢰성을 크게 향상시키지만 GigE Vision 준수에 필수 사항은 아니므로, 데이터 전송이 중요한 경우 이 기능을 갖춘 카메라를 선택하는 것이 중요합니다.
스펙트럼 회피를 통한 신뢰성
ISM(산업, 과학, 의료) 비허가 주파수 대역에서 무선 장치가 크게 증가하면서 장치 간 심각한 간섭이 발생할 수 있으며, 이는 머신 비전 카메라의 연결 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, 무선 전화기, 전자레인지 및 특정 전원 장치는 2.4 GHz 주파수 범위에서 RF 신호를 방출할 수 있습니다. 장치가 밀집된 비전 애플리케이션은 다양한 수준의 간섭 영향을 받을 수 있습니다. 2.4 GHz 범위에서 동작하는 서비스에 반응하거나 간섭을 일으킬 수 있는 USB 3.1과 같은 다른 인터페이스와 달리, Ethernet은 훨씬 낮은 주파수에서 동작합니다. Gigabit Ethernet 신호는 125 MHz 속도로 동작하므로, GigE Vision 카메라와 Ethernet 구성 요소는 무선 장치의 간섭에 반응하거나 간섭을 일으킬 가능성이 낮습니다. 차폐, 채널 선택, 거리 확보와 같은 간섭 완화 기술도 가능하지만, 애플리케이션 신뢰성을 높이는 가장 쉬운 방법은 처음부터 간섭을 피하는 것입니다.
위: Ethernet은 125 MHz(파란색)에서 동작합니다. 수십억 대의 Wi-Fi, Bluetooth 및 Zigbee 장치는 2.4 GHz 스펙트럼(검은색)을 사용합니다. 다른 장치들도 2.4 GHz 스펙트럼을 사용하거나 간섭을 일으킵니다(회색).
정확한 타이밍과 실행 준비
IEEE 1588 표준이라고도 하는 Precision Time Protocol(PTP)은 네트워크에 연결된 장치를 동기화하는 패킷 기반 기술입니다. GigE Vision 2.0 표준은 PTP IEEE 1588 기술을 포함하고 있어, 모든 GigE Vision 2.0 및 PTP 지원 카메라와 장치를 네트워크를 통해 마이크로초 단위 이내로 더 쉽게 동기화할 수 있습니다. 사용자는 카메라, 센서, 트리거, 모터, 컨트롤러 간 더 높은 동작 정밀도를 구현할 수 있으며, 이를 통해 지터를 줄이고 애플리케이션 속도를 높일 수 있습니다.
PTP 지원 장치의 클럭 동기화
동기화는 먼저 네트워크에서 어떤 장치가 다른 장치의 마스터 클럭 역할을 할지 결정하는 것에서 시작됩니다(다른 장치들은 슬레이브 클럭 역할을 합니다). 모든 PTP 장치 간 세션에서 패킷이 서로 주고받아지고, 알고리즘이 어떤 장치가 마스터 클럭이 될지 결정합니다. 위 예시에서는 PTP 스위치가 마스터로 선택되며, 다른 모든 장치는 해당 클럭에 동기화됩니다.
PTP를 통해 모든 네트워크 카메라 간 예약 액션 명령과 동기식 프리런을 사용할 수 있습니다. 예약 액션 명령을 사용하면 사용자가 정밀한 소프트웨어 트리거를 예약할 수 있어 하드웨어 트리거가 필요 없어지고, 애플리케이션 설계와 유지보수가 더욱 단순해집니다. 동기식 프리런은 여러 카메라의 셔터 타이밍을 서브 마이크로초 수준으로 동기화할 수 있게 해줍니다. 예약 액션 명령이 시작되면 모든 카메라가 동시에 트리거됩니다. PTP를 사용하면 공장 현장 전체의 카메라가 동기화된 타임스탬프를 기반으로 서브 마이크로초 수준에서 제품을 검사하고 동작할 수 있으며, 추가 외부 트리거 장치와 케이블 없이도 트리거할 수 있습니다.
Ethernet의 미래
| Standard | Function group | Title |
|---|---|---|
| IEEE 802.1AS-Rev | Timing and Synchronization | Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications |
| IEEE 802.1Qbv | Forwarding and Queuing | Enhancements for Scheduled Traffic |
| IEEE 802.1Qbu | Forwarding and Queuing | Frame preemption |
| IEEE 802.1Qca | Stream Reservation (SRP) | Path Control and Reservation |
| IEEE 802.1CB | Stream Reservation (SRP) | Seamless Redundancy |
| IEEE 802.1Qcc | Stream Reservation (SRP) | Enhancements and Performance Improvements |
| IEEE 802.1Qci | Forwarding and Queuing | Per-Stream Filtering and Policing |
| IEEE 802.1Qch | Forwarding and Queuing | Cyclic Queuing and Forwarding |
| IEEE 802.1CM | Vertical | Time-Sensitive Networking for Fronthaul |
| IEEE 802.1Qcr | Forwarding and Queuing | Asynchronous Traffic Shaping |
| IEEE 802.1CS | Stream Reservation | Local Registration Protocol |
2.5GBASE-T 및 5GBASE-T
2.5GBASE-T(2.5GigE) 및 5GBASE-T(5GigE) 표준은 2016년에 최종 승인되었습니다. 이미 약 700억 마일의 CAT5e/CAT6 케이블이 구축된 것으로 추정되며, 기존 GigE 인프라는 이제 이러한 향상된 속도를 쉽게 활용할 수 있습니다. 2.5 Gbps와 5 Gbps의 추가 속도는 사용자에게 유연한 업그레이드 경로를 제공할 뿐만 아니라, 이미 10 GigE 카메라를 사용하는 경우 더 빠른 스로틀링 속도도 지원합니다. 10 GigE 카메라가 10 Gbps 연결을 자동 협상할 수 없는 경우 5.0 및 2.5 Gbps 연결로 전환할 수 있습니다.
클라우드 컴퓨팅
클라우드 컴퓨팅은 저렴하고 확장 가능한 서비스 덕분에 빠르게 성장하고 있습니다. Ethernet은 일반 인터넷 접속보다 낮은 지연 시간과 더 안전한 방식으로 클라우드 서비스 및 데이터 센터에 연결할 수 있도록 합니다. Ethernet은 빠르고 안전한 Local Area Network(LAN)를 구축하는 데 적합할 뿐만 아니라 Metropolitan Area Network(MAN) 전반에도 적합합니다. Ethernet을 사용하면 도시 전체 ITS 애플리케이션과 같은 대규모 비전 검사 지점 여러 곳에서 이미지 분석 또는 저장을 위해 클라우드 서비스에 빠르고 안정적으로 접근할 수 있습니다.
산업용 사물인터넷(IIoT)
컴퓨팅의 소형화가 계속되면서, 과거 데스크톱 타워에 들어가던 컴퓨터는 이제 머신 비전 카메라 안에 들어갈 수 있게 되었습니다. 이미 다양한 스마트 카메라가 제공되고 있으며, 점점 더 많은 이미지 분석 및 처리 작업이 카메라, 호스트, 클라우드 간에 분산되고 있습니다. 중요한 산업용 애플리케이션에서는 카메라를 다른 IIoT 장치뿐만 아니라 호스트 및 클라우드와 연결하려면 빠르고 안전하며 결정론적인 연결이 필요합니다. Ethernet은 미래 IIoT 비전 애플리케이션을 위한 최적의 솔루션입니다.
결론
Ethernet을 선택해야 하는 이유는 분명하고 설득력 있습니다. 현재 다른 인터페이스가 더 높은 대역폭을 제공할 수는 있지만, 애플리케이션 설계자는 시스템 유연성, 전체 비용, 애플리케이션 신뢰성, 미래 기술까지 함께 고려해야 합니다. 오늘날의 애플리케이션 설계자는 한 발 앞서 생각해야 합니다. 이는 현재의 기존 GigE 인프라를 2.5 Gbps, 5.0 Gbps, 10 Gbps로 전환하는 것뿐만 아니라, 이러한 전환이 더 많은 카메라와 장치가 연결된 확장 네트워크, 저장 및 분석을 위한 클라우드 접근성 증가, 시스템 호스트 감소와 함께 더 많은 온카메라 처리에 어떤 영향을 미칠지도 계획해야 한다는 의미입니다. 현재 비전 애플리케이션에 Ethernet을 선택함으로써, 설계자는 전체 시스템 신뢰성과 향상된 결정론적 동작을 유지하면서 향후 유용한 기술로 원활하게 전환할 수 있습니다. 이러한 기술 중 일부는 전체 시스템 재설계를 필요로 하지 않는다는 점도 중요합니다. Ethernet 기반 애플리케이션을 사용하면 엔지니어는 Ethernet 환경의 급격한 변화에 대한 걱정 없이 미래 설계를 안정적으로 계획할 수 있습니다.
