슬립링 기술이 적용된 산업용 이더넷

병충진기, PET 블로잉 금형기, 라벨 증착기, 기계 툴, 인쇄공정 그리고 심지어 풍력 터빈을 설계하는데 있어 이와 관련된 최고의 솔루션은 보통 회전목마와 같은 방식이다. 이런 기계들의 고정부는 프레임으로서 역할을 하고, 반면 기계의 주요 구성부는 회전부에 설치되는데, 전원 및 전기신호들이 어떤 방식으로든 공급받아야 한다. 이것은 슬립링을 사용하여 구현가능하다.

POWERLINK를 통한 슬립링 어플리케이션

브러시 방식의 슬립링은 가장 보편적이고 잘 알려진 기술이다. 모터와 발전기에서 보면 브러시는 슬라이딩 접촉을 통해 기계의 회전부의 커뮤테이터나 슬립링으로 전기신호를 전달한다. 일반적으로 산업기계류들은 컨트롤러, I/O모듈 및 센서 등에 24VDC 전원이 필요하고, 일부의 경우에는 추가적으로 400VAC 전원이 필요하다. 보통 서보드라이브는 DC버스의 400V보다는 560에서 750V 전원을 슬립링을 통해 공급받는다.

슬립링 기술이 접목된 산업용 이더넷
역사적으로 볼 때, 통신은 CAN, Profibus, DeviceNet 또는 현재의 다른 방식의 전통적인 버스 시스템을 사용하여 이미 검증되어왔다. 이런 시스템들은 보통 125kbit/s(CAN, DeviceNet)에서 최대 500kbit/s(DeviceNet), 1Mbit/s(CAN), 12Mbit/s(Profibus)까지 동작한다. 이것과 관련된 어려운 과제 중의 하나는 신뢰적인 접촉면을 보장하는 것이고, 회전체가 10에서 100rpm의 낮은 속도에서 회전할 때는 상대적으로 관리가 용이하다. 또 다른 과제는 EMC요건을 충족하는 것이다. 오늘날의 기계들은 산업용 이더넷을 사용하여 100Mbit/s의 통신을 제공한다. 이 통신라인이 560 또는 750V의 DC전원라인 옆에 설치되면, 전자기적 간섭이 데이터 프레임 내에 에러를 발생시킬 수 있다. 이더넷 프로토콜은 CRC를 사용하여 이것을 감지하고, 에러가 있는 프레임은 재전송된다. 모션제어 어플리케이션은 기계에 부정적인 영향이 없는 단일 재전송을 허용한다. 전자기적 간섭이 두 번째 무효  프레임을 발생시키면 기계는 자동으로 전원이 차단되고 생산은 멈추게 된다.

싱글 프레임 방법으로 한 슬립링 데모

안정성에 영향을 미치는 전송방식
슬립링을 통한 산업용 이더넷 통신 전송은 특히 간섭에 매우 취약하다. 이는 케이블 내의 각각의 선이 개별 브러시 트랙을 통해 전송되기 때문이다. 트위스트 페어 케이블은 교류 자기장과 정전기적 간섭에 대해 보호한다. 매번 케이블의 꼬임을 풀거나 연결부를 추가할 때마다 시스템은 더 취약해진다. 간섭에 대한 시스템의 안정성은 물리적 구성요소 뿐만 아니라, 사용되는 통신 프로토콜에 의해서도 결정된다. 이것의 주된 차이점은 싱글 프레임과 합계 프레임 방식간의 차이이다. 표준 이더넷 프로토콜의 정의에 의하면 싱글 프레임 방식은 합계 프레임 방식보다 전자기적 간섭에 대해 50배 이상의 안정성을 제공할 수 있다고 한다.
또한, 합계 프레임 방식을 사용 시, 네트워크에 노드를 추가할 때 마다 간섭에 대한 취약성이 기하급수적으로 증가한다. 기본 규칙은 합계 프레임 방식이 싱글 프레임 방식에 비해 노드수의 1.25배의 배수로 간섭에 취약하다는 것이다. 5개의 노드를 가진 기계에서는 이 계산에 의해 6.25배수가 되고, 40개의 노드를 가진 기계에서는 50배로 더 취약하다는 것이다.
싱글 프레임방식의 장점 중 하나는 프레임이 짧아서 싱글 노드에 대한 데이터만 포함하고 있다는 것이다. 하나의 프레임이 손상될 경우, 기계는 바로 영향을 받지 않는다. 하지만 합계 프레임방식으로는 하나의 간섭이 전체 네트워크 사이클 및 네트워크상의 모든 노드에 대한 데이터의 손실을 유발할 수 있다.

EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization  Group) 산업박람회에서 전시된 인증된 솔루션. 슬립링을 통해4 VDC, 750 VDC, POWERLINK 및 openSAFETY 전송

큰 비용의 정지시간
EMC간섭에 의한 에러는 원래 비 규칙적이다. 그 결과, 전자기적 간섭 가능성은 처음에는 보통 간과되기 쉽고, 주로 하드웨어 결함이나 소프트웨어의 에러에 초점을 두고 검사를 진행한다.
EMC 에러를 다루어본 엔지니어들은 그 원인의 확인이 얼마나 어려운가를 잘 안다. 현장에서의 취약한 조립에 의한 접속면, 부 적합한 쉴드 및 접지, 심지어 사소한 배선 수정 등이 오히려 비난을 받을 수 있다. 테스트 장비를 통해 단서는 얻을 수 있지만 정확한 위치는 확인하기 어렵다. 문제는 그 에러가 깨끗한 개발실에서는 재구현되기 어렵다는 것이고, 그 검사는 최종 고객사의 현장에서 수행되어야 한다는 것이다. 결국 생산정지시간은 매우 높은 비용을 발생시키고, 오랜 시간의 에러 검출은 회사의 명성에도 영향을 줄 수 있다. 슬립링을 사용하든 하지않든, 버스 시스템의 선택이 기계와 시스템의 안정성에 중요한 역할을 한다.

MaritialFavret
COBHAM Sliprings사의 Technical and Quality Manager
“우리의 엔지니어들은 POWERLINK프로토콜의 견고성과 전자기적 적합성에 대해 강한 인상을 받았습니다.”

Walter Burgstaller
B&R International Sales Manager
“많은 큰 기계 제조업체들이 슬립링을 사용하는 어플리케이션에 POWERLINK와 openSAFETY를 많이 신뢰하고 있습니다.”

Holger Steffens
Data Transmission Schleifringund Apparatebau GmbH사의Data Transmission Team Leader
“엄격한 EMC테스트를 통해, 이더넷 기반 통신에 있어 단일 프레임 방식이 합계 프레임 방식보다 전자기적 간섭에 대한 상당히 높은 안정성을 제공한다는 것이 증명되었습니다.”