Power over Ethernet(PoE)의 신화와 미래
Written by Paul Wacker, Advantech Corporation, Industrial Automation Group
산업현장에서의 와이어링은 매우 간단하게 사용되었으며, 센서는 전력이나 수동조작에 의해 이루어졌다. 만일 전력을 이용해 센서를 작동시키려면 2, 3 또는 4개의 와이어가 필요하며, 수동조작을 통해 작동시키려면 단 2개의 와이어가 필요하다. 센서들은 모두 아날로그 방식이고, 12, 24, 36이나 48 VDC 또는 110이나 220 VAC의 전력으로 작동이 된다. 산업현장의 컨트롤러에는 모든 센서를 위한 전원장치가 있었고, 센서는 컨트롤러와 배선으로 연결되어 있었다. 컨트롤러조차도 아날로그로 사용되었기 때문에 공장 내의 와이어링 수는 계속 증가하였다.
PLC와 PAC조차도 현장에서의 이러한 상황을 개선하지 못했다. 그러나 PLC와 PAC의 컨트롤 시스템 네트워크 연결이 실용화되고 대중화되면서, 엔지니어들은 이더넷 스위치와 같은 네트워크 장치인 PAC나 공장 현장에 설치되어 있는 디바이스로 동일한 와이어 세트를 통해서 전력을 공급할 것인가에 대해 고민하기 시작하였다.
이는 사실상 이더넷과 TCP/IP가 공장현장, 제어실, 사무실 또는 전체 기업의 네트워크에서 표준화가 이루어지면서 단순화가 이루어졌다. 그리하여 Power over Ethernet (PoE)이라는 개념이 탄생되었다.
PoE - Power over Ethernet
PoE는 싱글 Cat5 케이블을 이용해 데이터와 전원 둘 다를 전송할 수 있는 기술로 PoE는 기존의 꼬여진 Cat5 케이블을 통해서 nominal 48 VDC를 제공한다. 이 케이블은 PoE에 대한 현재의 표준이 IEEE 802.3af-2008로 발표되기 훨씬 이전에 Cisco Systems에 의해서 제작되었다.
표준에는 PoE를 사용하는 2가지 타입의 디바이스가 있는데, 첫 번째는 Power Sourcing Equipment(PSE)로 주로 Midspan 어댑터이고 이더넷 스위치이며, 부착된 PoE 디바이스로 전원과 네트워크 연결을 지원한다. 두 번째 타입의 디바이스는 무선 액세스 포인트에서부터 VOIP 전화, 보안 카메라 또는 기타 디지털 장치 등을 포함하는 Powered Device(PD)이다.
802.3af 표준에 의해서 지정된 두 가지의 운용 모드가 있는데, Type A는 전원과 데이터가 10/100Base-T 이더넷으로 동일한 데이터 페어를 통해서 전송되는 곳을, Type B 모드는 전원이 사용되지 않는 페어를 통해서 전송되는 곳을 말한다. Type A나 Type B의 선택은 Powered Device(PD)에 의한 것이 아니라, PSE에 달려 있다. PSE는 동시에 두 모드를 사용할 수 없으며, 한 가지만 사용할 수 있다.
▲ Figure-1 VOIP 전화와 WiFi Access Point
▲ Figure-2 PoE 모드
현재 표준에 부합하지 않는 디바이스들이 상당히 많이 존재하기 때문에, PSE는 PD로 전원을 공급하기 이전에 표준에 부합하는지 여부에 대한 테스트를 진행한다. 만일 PD가 표준에 부합하지 않는다면, PSE는 자동으로 전원을 공급하지 않는다. 이를 통해 디바이스들을 오류로부터 보호하며, 802.3af 표준규격에 맞는 모든 디바이스이 바르게 통합될 수 있도록 해준다.
▲ Figure-3 Powered Device (PD) 자동 감지
PoE 디바이스는 25k Ohm 저항을 가지고 있으며, 스위치나 다른 PSE가 시그네처 저항기를 감지하였을 때, 이에 연결되는 디바이스를 자동으로 감지하며, 전원은 모든 감지가 완료된 후에만 제공된다. 디바이스 접속이 끊어지면, PSE는 PoE 전원을 차단한다.
왜 PoE인가?
전원과 이더넷 데이터를 동일한 케이블을 통해 공급한다는 것은 산업 환경에서 요구되는 와이어링의 양을 최대한으로 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 전형적인 제조 공장 환경에
서 와이어링 비용과 와이어링 유지보수는 무시할 수 없는 비용이며, 플랜트와 환경 내의 위치에 따라, 와이어링 비용은 피트 당 10~100 달러까지 상당히 다양하다.
장비와 여러 대의 필드 디바이스를 네트워크화 하기 위해서는 DC 전원이 필요하며, DC 전원을 장거리로 이용하는 것은 실용적이지 못하므로, AC to DC 전원 공급 장치가 적절하게 디바이스에 근접한 범위에서 제공된다. 이는 일반적으로 엔지니어나 설계자가 시그널이나 데이터 와이어링뿐만 아니라 AC 전원을 공급하여야 함을 의미하기도 한다. 공장 현장에서는 보통 월마운트 타입의 파워 어댑터가 있는 이중 콘센트로 구성한다.
유지보수 측면에서, Cat5 케이블을 통해서 전원과 함께 이더넷 디바이스를 제공하는 것은 상당한 발전적인 구상으로 배선 재작업을 위한 비용절감뿐만 아니라, 전원과 데이터가 동일한 케이블로 전송됨으로 인해 유지보수 및 고장 수리가 간편해졌으며, 케이블이 파손되거나 다른 손상이 발생했을 때 수리를 위한 연결 작업이 상당히 쉬워졌다.
▲ 월마운트 파워 아답터
PoE 시스템 실행
PoE 네트워크 시스템은 non-PoE 네트워크처럼 동일한 방식으로 설계되며, 설계자는 라우터, 스위치 등의 물리적인 네트워크를 배열한다. 네트워크의 헤드앤드에서, UPS를 이용해서 전원이 마스터 네트워크 스위치로 투입되고, 추가의 전원이 추가의 UPS 시스템에 의해서 미드 포인트 PSE 디바이스로 투입될 수 있다. 네트워크의 외부 에지에 있는 디바이스는 엔드 포인트 디바이스로 불리며, 이더넷 연결을 위해서 허용되는 최대 거리인, 약 328피트(100m)마다 전원이 시스템 내로 투입 되어야 한다. 
▲ Figure-5 Conventional Network Design with PoE
PoE가 가능한 이더넷 스위치의 유용성과 더불어 미드포인트 PoE `Power Injectors`의 사용은 감소하고 있다. 최근에는 산업 환경용으로 콤팩트하고 내구성있는 모델의 수요가 늘고 있는데, PoE가 전기통신과 IT네트워크를 위해서 설계되었지만, 그 솔루션은 상당히 우수하며, 디바이스가 점점 스마트해짐에 따라 이더넷의 연결은 어디에서나 가능해 졌으며, 센서와 필드 디바이스에 연결된 대부분의 이더넷은 PoE가 가능하게 되었다.
▲ Figure-6 Ethernet Switch with Integrated PoE Support
PoE 시스템 설계를 위한 몇 가지 실례
산업 환경에서, PoE는 플랜트 내 및 공장 현장 어플리케이션을 위해서 스위치와 기타 디바이스가 보다 내구성 있는 솔루션을 제공할 수 있도록 특별히 설계되고 있다.
설계자들은 선정된 디바이스가 거친 산업 환경 내에서 사용가능하도록 적절한 봉합 설계와 온도 및 진동 사양을 갖추었는지 확인하여야 하며, 필요에 따라서는 DIN-rail 또는 패널 마운트 등 다양한 형태의 마운팅이 가능해야 한다.
또한, 선정된 유닛은 24 VDC와 같은 유용 가능한 전원을 사용해야 하므로 별도의 파워 아답터가 필요 없으며, 가능하다면, 리던던트기능 지원으로 외부 전원 공급 차단시에도 계속적인 전력 공급이 보장되어야 한다.
▲ Figure-7 Hardware Overview of PoE Switch
PoE 개발이 활발하게 진행됨에 따라, 많은 형태의 PoE 스위치가 생산되고 있으며, 사용자 및 설계자는 표준규격에 부합하는 PoE 디바이스를 구별해 낼 수 있어야 한다. 예를 들어, Cisco Systems는 예비 표준인 ‘Inline Power’ 및 표준 802.3af PoE를 포함하여 여러 가지의 다른 PoE 표준을 지원하고 있으며, 다양한 기술과 파워 서플라이 전압을 활용하는 광범위한 ‘홈브류(homebrew)’ 방식도 있다. PoE가 가능한 네트워크를 생산하는 설계자들은 802.3af 표준을 준수하는 장치를 선택하는 것이 가장 이상적이라고 하겠다.
non-PoE 디바이스 연결
많은 이더넷 네트워크는 VDT와 임베디드 컴퓨팅 장치와 같은 디바이스에 연결된다. 이러한 디바이스들은 전형적으로 PoE가 가능한 디바이스가 아니라 전원공급을 필요로 한다. 엔드 포인트 디바이스를 위한 별도의 전원을 공급하기 보다는, 설계자는 결합된 전원-데이터 시그널을 나누어 주고 전원과 데이터용으로 분리된 출력을 제공해주는 PoE 분배기를 사용할 수 있다. 
▲ Figure-8 PoE ‘Splitter’
PoE의 미래
Power over Ethernet은 산업네트워크에서 상당히 중요한 솔루션이며, 수많은 어플리케이션에 가장 이상적인 선택이 될 것이다. 중앙 집중 전원 관리와 연계되어 있는 전원과 네트워크 둘 다를 위한 싱글 Cat5 케이블의 장점과 안전한 저전압 DC 전원 제공력은 PoE의 최대 강점이다.
현재, 산업용 PoE 어플리케이션은 주로 무선 액세스 포인트, 비디오 감시 카메라, 머신 비전 시스템으로 제한되어 사용되고 있는 편이지만, 산업 제어 제조업체들은 Power over Ethernet을 계속 포용하고 있으며, 더 많은 디바이스들이 PoE에 부합할 수 있도록 설계되고 있는 상황이다. 예를 들어, 현재 여러 회사들이 이더넷이 가능한 센서를 제작하고 있는데, 이러한 센서들은 아날로그 송신기가 필요치 않으며 컨트롤 네트워크에 바로 연결할 수 있다. 향후 산업용 PoE 어플리케이션의 범위를 더욱 확대하게 될 802.3af 표준에 부합하는 여러 종류의 산업용 필드버스 네트워크를 고려하고 있다.