기획특집 cable 의기술 고수형차장 / ( 유 ) 랍코리아영업부기술지원팀 suhyeong.ko@lappgroup.com 현재많은업체에서 에대한 Device들을소개하거나공급하고있지만, 정작이들을연결하는데필요로하는케이블에대한중요성은많이놓치고있는게사실이다. 대부분의엔지니어들은케이블에대해직접이해하지못하고문제가발생시 Device 의 filter을조정하거나통신속도를떨어뜨려극복하는경우가많다. 하지만적절한케이블을사용하고, 이에따른규범에의해설치한경우, 이와같이디버깅에소요하는시간들을많이줄일수있다. 는 IEC61158의 ype1에해당하며, BUS 케이블체계의기준틀로자리매김하고있다. 이는국내에서더욱절실한문제인데, 대부분의 Oil & Gas 공장혹은발전소등에적용되고있는케이블들은 BUS 가아닌일반센서용신호입력만을가지고운영하므로효율성이매우떨어지고있다. 와같은시스템을사용하는궁극적인목적은통신의단순화및각 Device의 intelligence 를통해좀더효율적인플랜트운영을꾀함에있다. 그럼, 효율성을위해어떤부분을고려해야만하는지알아보자. 케이블을이해하기에앞서, 는케이블을두가지로우선정의한다. runk와 Spur cable 이다. runk cable 이란, 네트워크상의두개의 device 사이에연결된긴거리를가진케이블을말한다. 이 runk cable 의종단에는 erminator를장착하여각 Spur 케이블을연결후 Device들을장착할수있다. 독립적인 runk cable 설치시최대 1900m(6232ft) 까지사용할수있으며, 이보다더확장할경우에는 Repeater를장착하여연장이가능하다. 예를들어, 4개의 Repeater를사용하는경우총길이는 9500m까지가능하다. Spur cable 이란, erminator로부터 Device까지연결되는케이블로 106 계장기술
cable 의기술 Conventional DCS Operator Console Here we Compare the Distributed Control System (DCS) with the Control System (FCS) System Operator Console Control Room Proprietary Control System Communication Network Control Room Open Control System Communication Network Rack Room Controllers I/O Subsystem Cascade PID AI AO AI No Rack Room Required H1 Field 4-20mA Field Devices F FE P FCV Single variables transmitted one direction Field Devices F FE P with multivariable data sent both directions FCV Controller ( 그림 1) 일반적인통신과 BUS 와의차이 연결되는거리가짧으면짧을수록효율적이다. Spur의케이블은최대 200m(656 ft) 까지설치가가능하나, 가급적이면최소거리를유지하는것이좋다. 이를기준으로케이블을설계할경우, 아래와같은공식에의해적용할수있다. LX/MAXX + LY/MAXY < 1 1200/1900 + 170/200 = 1.48 > 1 이는 1보다크게되므로사용할수없다. 각 runk와 Spur cable 을세분화하여표 1과같이 4가지 ype으로구분한다. Cable description ype A ype B ype C ype D Shielded twisted pair Single or multi-twisted pair with an overall shield Multi-twisted pair without shield Multi-core, without twisted pairs, without shield LX = length of cable X LY = length of cable Y MAXX = maximum length for X alone MAXY = maximum length for Y alone Size Max. length incl. spurs 0.8mm 2 (AWG 18) 0.32mm 2 (AWG 22) 0.13mm 2 (AWG 26) 1.25mm 2 (AWG 16) 1900m 1200m 1900m 200m ( 표 1) 예를들어, LX(Cable type A) 가 1200m, LY(Cable type D) 가 170m이면, MAXX(ype A) 는 1900m, MAYY (ype D) 는 200m이므로, ( 그림 2) UNIRONIC BUS FF 2014. 1 107
파운데이션필드버스와무선기술 ransfer Impedance Z t mω/m of different cable types ransfer Impedance Z, mohm/m 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10-1 10-2 10-3 0.01 0.1 1 10 100 MHz Aluminum foil taped (i.e. J-Y(S)-J Copper or steel wire armed (i.e. NYCY / NYCWY ; BS SWA) Copper braid with high coverage factor < 80% Copper braid with high coverage factor > 80% Double copper braid Double copper braid embedded by an iron magnetic layer Cable in solid-rigid Copper or steel duct / conduit Fully lead-clad cable, 1, 2 wall thickness Shielding Effectiveness (db) 110 100 5 90 4 80 70 60 50 3 40 1 30 20 10 2 0 10 20 30 50 100 200 500 Frequency (MHz) 1 2 3 4 5 Braid Spiral Foil Foil/braid Foil/braid/Foil- Duoond Plus ( 그림 3) 전송임피던스에따른케이블의구조 ype 별로전송차폐율과거리등이다르며, 통상적으 로는송신거리가긴 ype A 를주로사용하는편이다. (Cross-talk) 로인해통신품질이떨어지는것을방지하기위해구성한다. 잠시 ype1부터 4의케이블의구조를살펴보면, 각 Pair이거나 Screen, Shield 구조로구성되어있는것을볼수있다. 이것은각케이블의설치환경등을고려하여적절한 Screen 혹은 Shield 구조를구성하여노이즈를회피하는데그목적이있다. 케이블의노이즈레벨에따른구성은아래와같이쉽게확인할수있다. Data cable for Low frequencey Data cable with wisted pairs Data pair 1 Interference Data pair 2 Data pair 1 Interference Data pair 2 각노이즈의주파수및레벨에대한것은각임피던스에따라흘러가는인자가다르게되므로, 각케이블은그에따른적절한 Screen이나 Shield 를구성해야한다. ( 그림 3) 과같이일반적인전원부등의노이즈만이감안되는조건이라하면케이블은적어도구리편조체로이루어진 Shield 가있어야하며, 이는양끝단이반드시접지부와연결되어져야한다. 아울러케이블구조가 Pair로구성되는경우는, ( 그림 4) 와같이각케이블간에정전용량및미치는인자 Example UNIRONIC LiYY UNIRONIC LiYY (P) UP cable ( 그림 4) 일반구조와 pair의구조 108 계장기술
cable 의기술 또한 Shield 의역할은, 포설되어있는통신케이블주 + Orange 변에전원공급목적의케이블이연결되어있는경우 AC 전원이가지고있는고유주파수혹은 PWM 제어방 Ground - Blue 식의모터공급용케이블에서발생하는 Impulse 등이 통신코어상에직접적으로전달되는것을막기위해 반드시적용되어야하며, 이는양끝단의접지선으로흘 러가게함으로써규정된통신품질을보장하기위함이다. 아울러이 Shield 가적절한역할을할수있도록각케이블업체는케이블의규정된두께와적합한규격에 Filedbus 의해편조체의선택및구조를구성해야만한다. = Filed Device Data cable with copper braiding and wisted pairs Data pairs Ground Strip Wire Pair Strips eminator Shield Power cable Power cores Wires runk Junction Box Ground Connection ( 그림 6) 접지의방법 UNIRONIC LiYCY-CY ( 그림 5) 파워케이블이통신케이블에미치는인자 충격 ) 에의한각 Device의손상을최소한으로줄여줄수있는중요한역할을한다. 설치하는방법은 ( 그림 7) 과같다. 때문에각 Shield 들을 ( 그림 6) 과같이반드시접지를해주어야만한다. 이제부터케이블을설치하는방법을알아보자. 케이블을설치하는경우에는반드시 Device의시단과종단부에적절한 erminator를장착하여야만한다. 이는예측되지않은 Device의손상혹은 EMI( 번개등 fieldbus signal은 ( 그림 7) 같이 Power supply 로부터전원과함께신호가실린다. 전원은주로 12V 전원을사용하여종단의전압이 9V 이상이되도록하는것이좋다. 케이블의길이가길어질수록거리에따른저항성및 Device 사용량에따라전압강하가발생한다. 이에각 Spur 케이블종단의전압을확인하여보면사용하는전류량에따라전압강하를확인할수있다. 2014. 1 109
파운데이션필드버스와무선기술 network Simple fieldbus system Wire Pair Signals Digtal Field Device erminator erminator 각시스템의시단과종단에는 erminator 를장착하여 Wire 의 Short, Open 시발생하는 Reflection 을방지시킨다. 또한 Spur 와 runk cable 사이의거리와필요로하는이송거리에따라설치위치가변경될수있다. With additional devices Wire Pair Signals erminator erminator = Field Device ( 그림 7) erminator 의설치 Power Supply Section Lenght [(meters feet)] Resistance (Ohms) Current (Amps) Voltage Drop (Volts) Wire Pair Signals erminator erminator = Field Device 200 (656) 20 0.05 1.0 50 (164) 5 0.01 0.05 300 (984) 30 0.04 1.2 10 (32.8) 1 0.02 0.02 30 (98.4) 3 0.01 0.03 12 Volt 10.95 Volt 9.78 Volt 9.77 Volt 9.77 Volt ( 표 2) ( 표 2) 와같이사용하려는케이블의길이와그에따른저항의변화량을고려하고각 Device가요구하는전류량등을환산하여반드시최종단의전압이 9V 이 Bridge 상이되도록설계하여야만한다. ( 그림 8) 전압강하 110 계장기술
cable 의기술 network Wire chained devices = Field Device 부득이케이블이허용하는거리보다멀리설치할경우반드시 Repeater 를달아감쇄율을보상하여야한다. 1st runk Repeater Adding a repeater = Field Device 2nd runk ( 그림 9) Repeater 의역할 만일전압강하및케이블전달거리가더필요한경우 ( 그림 9) 와같이 Repeater를설치하여신호의보상, 혹은전력의보상을꽤하여좀더먼거리로의전송이가능하게만들수있다. 이상과같이기본적인케이블의선택방법과설치기 준을다루었다. 적어도기기본사항만을숙지하고설치할경우, 사용자가요구하는 에대한요구를더욱빠르게충족시킬수있다. 2014. 1 111