YoutubeRS485 리피터·절연기 필요한 경우와 설치 위치
요약
RS485 리피터는 약해진 신호를 다시 만들어 통신 거리와 연결 대수를 늘리는 장치이고 RS485 절연기는 버스와 기기 사이의 전기적 연결을 끊어 접지 전위차와 서지를 막는 장치입니다.
한 구간에서 거리나 노드 수가 RS485 규격의 한계를 넘거나 서로 다른 건물·전원 계통에 있는 기기를 묶을 때 필요합니다.
이 글에서는 32 단위 부하(Unit Load)와 약 1,200m라는 구간 한계, 공통 모드 전압 허용 범위 -7~+12V를 기준으로 리피터와 절연기가 필요한지 판단하는 방법을 정리합니다. 설치 위치와 설치 후 자주 생기는 문제도 함께 다룹니다.
공장 한쪽 끝의 냉장 창고까지 RS485 선을 늘렸더니 가장 먼 센서 몇 대만 응답이 끊겼다 붙었다 하는 경우가 있습니다. 배선과 주소를 몇 번 확인해도 이상이 없는데 낮에 설비가 돌 때만 통신 오류가 늘고 밤에는 멀쩡하다면 거리나 접지 문제를 의심해 볼 만합니다.
RS485는 원래 길고 노이즈 많은 현장을 위해 만든 규격이지만 한 구간에 걸 수 있는 기기 수와 거리에는 분명한 한계가 있습니다. 현장이 커지면서 센서를 계속 덧붙이다 보면 어느 순간 그 한계를 넘게 되고 이때 리피터와 절연기가 필요해집니다. RS485 자체의 기본 구조는 RS-485 직렬 통신 규격 글에 정리되어 있습니다.
1. RS485 리피터와 절연기란?
RS485 리피터(Repeater)는 한쪽 구간에서 받은 차동 신호를 읽어 깨끗한 신호로 다시 만들어 다음 구간으로 보내는 장치입니다. 리피터를 지나면 새로운 구간이 시작되므로 거리와 단위 부하가 그 구간 기준으로 다시 계산됩니다.
RS485 절연기(Isolator)는 입력 쪽과 출력 쪽을 포토커플러나 디지털 아이솔레이터, 절연형 DC-DC 전원으로 나눠 두 쪽의 접지가 전기적으로 이어지지 않게 하는 장치입니다. 신호는 그대로 넘기면서 접지 전위차와 서지 전류가 건너가지 못하게 막습니다. 실제 제품은 리피터와 절연 기능을 한 몸에 넣은 절연형 리피터가 많습니다.
| 구분 | 리피터 | 절연기 | 절연형 리피터 |
|---|---|---|---|
| 주된 역할 | 신호 재생, 구간 분리 | 접지·전원 분리 | 신호 재생과 접지 분리를 함께 |
| 거리 연장 | 가능 | 제품에 따라 다름 | 가능 |
| 노드 수 확장 | 가능 (구간마다 다시 계산) | 제품에 따라 다름 | 가능 |
| 접지 전위차 대응 | 비절연형은 효과 없음 | 효과 있음 | 효과 있음 |
| 주로 쓰는 곳 | 한 건물 안의 긴 배선 | PC·PLC 입력단 보호 | 건물 간, 옥외, 동력반 근처 |
2. RS485 한 구간의 한계는 어디까지일까?
2-1. 노드 수: 32 단위 부하
TIA-485-A 규격은 드라이버 하나가 32 단위 부하(UL)까지 구동할 수 있게 정해 두었습니다. 여기서 한계는 기기 대수가 아니라 단위 부하의 합이라는 점을 기억해 두면 판단이 쉬워집니다. 1 UL 트랜시버를 쓰는 기기는 32대, 1/4 UL은 128대, 1/8 UL은 256대까지 계산상 연결할 수 있습니다.
Modbus RTU의 슬레이브 주소는 1~247번이지만 이 숫자는 주소 체계의 한계일 뿐입니다. Modbus 직렬 통신 사양서도 리피터 없이 항상 허용되는 대수를 32대로 적고 있고 그보다 많이 걸 수 있는지는 기기의 단위 부하와 바이어스(Polarization) 저항 구성에 달려 있다고 설명합니다. 바이어스 저항 자체도 버스에 부하를 더하기 때문에 실제 여유는 계산값보다 조금 줄어듭니다.
2-2. 거리: 약 1,200m, 속도와 함께 본다
TIA-485-A 본문은 최대 거리를 숫자로 정하지 않았습니다. 업계에서는 반도체 제조사 응용 자료에 나오는 100kbps 이하에서 약 1,200m(4,000ft)를 기준으로 삼습니다. 통신 속도를 올리면 케이블의 저항과 정전용량 때문에 신호 모서리가 무뎌져 쓸 수 있는 거리가 짧아집니다. 케이블 굵기와 연결 대수, 배선 모양도 거리에 영향을 줍니다.
분기선(스텁) 길이도 한계에 들어갑니다. Modbus 직렬 통신 사양서는 간선에서 갈라지는 분기선을 짧게 두되 20m를 넘지 않게 하라고 정하고 있습니다. 간선은 1,000m 안쪽이어도 분기선이 길면 반사가 생겨 통신이 불안정해질 수 있습니다.
| 항목 | 한 구간 기준 | 근거 |
|---|---|---|
| 드라이버 구동 부하 | 32 UL | TIA-485-A |
| 공통 모드 전압 허용 범위 | -7~+12V | TIA-485-A |
| 케이블 길이 | 약 1,200m (100kbps 이하) | 제조사 응용 자료 (규격은 미규정) |
| 리피터 없이 허용되는 대수 | 32대 | Modbus 직렬 통신 사양서 |
| 분기선 길이 | 20m 이하 | Modbus 직렬 통신 사양서 |
| 바이어스 저항 | 450~650Ω, 버스 전체에 한 곳 | Modbus 직렬 통신 사양서 |
3. 리피터가 필요한지 어떻게 계산할까?
노드 수는 단위 부하를 더해서 판단합니다. 마스터를 포함한 모든 기기의 UL을 더한 값이 32를 넘으면 리피터로 구간을 나눕니다.
계산 예 1 (노드 수)
1 UL 온습도 센서 20대, 1/4 UL 접점 모듈 30대, 1 UL 게이트웨이(마스터) 1대가 한 버스에 있다고 하겠습니다.
20 × 1 + 30 × 0.25 + 1 = 20 + 7.5 + 1 = 28.5 UL로 32 UL 안에 들어갑니다.
여기에 1 UL 센서를 5대 더하면 33.5 UL이 되어 한계를 넘으므로 리피터를 두고 구간을 둘로 나눕니다. 기기의 UL 값은 각 제품 사양서의 트랜시버 항목에서 확인합니다.
계산 예 2 (거리)
관리동 게이트웨이에서 물류동 끝 센서까지 배선 경로가 1,800m라면 한 구간 기준인 약 1,200m를 넘습니다. 중간 지점인 약 900m 부근에 리피터를 두면 두 구간이 각각 900m가 되어 여유가 생깁니다. 이때 두 구간 모두 양 끝에 종단 저항이 따로 들어가야 합니다.
리피터를 여러 대 이어 붙이면 지날 때마다 짧은 지연이 더해집니다. 리피터를 2~3대 이상 직렬로 거치는 구성이라면 마스터의 응답 대기 시간(타임아웃)에 여유를 두는 편이 안전합니다.
4. 접지 전위차는 왜 RS485 통신을 망가뜨릴까?
RS485는 A선과 B선의 전압 차이로 0과 1을 구분하지만 수신기가 그 차이를 읽으려면 두 선의 전압이 수신기 접지 기준으로 -7~+12V 안에 있어야 합니다. 이 범위를 공통 모드 전압 허용 범위라고 합니다. 범위를 넘으면 데이터가 깨지고 심하면 트랜시버가 손상됩니다.
건물이 다르거나 전원 계통이 다르면 접지끼리도 전압 차이가 납니다. 큰 모터가 기동하거나 인버터가 돌 때, 또는 낙뢰가 근처에 떨어질 때 이 차이는 순간적으로 커집니다. 낮에만 오류가 늘어나는 현장이 대부분 이 경우입니다.
계산 예 3 (공통 모드 전압)
물류동 센서의 드라이버가 자기 접지 기준으로 0~5V를 출력하고 물류동 접지가 관리동 접지보다 10V 높다고 하겠습니다.
관리동 게이트웨이에서 보면 신호선 전압은 10~15V가 되어 상한 +12V를 넘습니다. 이 상태에서는 배선이 멀쩡해도 통신이 불안정해집니다.
절연기를 넣으면 버스 쪽 접지가 한 곳으로 정리되어 공통 모드 전압이 허용 범위 안으로 돌아옵니다.
RS485를 2선(A, B)만으로 연결하는 현장이 많은데 기준 전위를 맞추는 공통선(GND, COM)이 없으면 이런 문제가 더 쉽게 생깁니다. 다만 서로 다른 건물의 접지를 공통선으로 직접 이으면 그 선으로 큰 전류가 흐르는 접지 루프가 생길 수 있으므로 건물 사이는 절연기로 끊는 방식이 일반적입니다. 노이즈 원인 전반은 산업용 센서 노이즈와 신호 안정성 글을 참고하면 됩니다.
5. 리피터·절연기가 필요한 상황은 언제일까?
| 현장 상황 | 권장 장치 | 이유 |
|---|---|---|
| 단위 부하 합이 32 UL 초과 | 리피터 | 구간을 나눠 부하를 다시 계산 |
| 배선 경로가 약 1,200m 초과, 또는 고속 통신에서 거리 부족 | 리피터 | 신호 재생 |
| 건물과 건물 사이, 옥외 배선 | 절연형 리피터 + 서지 보호기 | 접지 전위차, 유도 낙뢰 |
| 인버터·대형 모터 동력반 근처를 지나는 배선 | 절연기 또는 절연형 리피터 | 순간적인 접지 전위 변동 |
| PC·서버에 USB-RS485 변환기로 연결 | 절연형 변환기 | PC 포트 손상 방지 |
| 버스를 여러 방향으로 갈라야 할 때 | 다포트 리피터(허브) | 각 갈래를 독립 구간으로 만듦 |
반대로 한 건물 안에서 수백 m 이내에 기기 10여 대를 묶는 정도라면 리피터 없이도 대부분 문제가 없습니다. 이런 규모에서 통신이 불안정하다면 장치를 더하기 전에 종단 저항, 바이어스 저항, 배선 극성부터 확인하는 편이 빠릅니다. 점검 순서는 Modbus 통신 오류 해결 방법 글에 정리되어 있습니다.
6. 리피터·절연기는 어디에 설치할까?
- 건물 경계 : 건물 간 배선은 들어오는 쪽 건물의 첫 분전반이나 통신함 안에 절연형 리피터를 둡니다. 옥외 구간 양쪽 끝에는 서지 보호기를 함께 넣는 경우가 많습니다.
- 구간 중간 : 거리 연장이 목적이면 배선 경로의 중간쯤에 두어 양쪽 구간 길이를 비슷하게 맞춥니다. 점검을 위해 손이 닿는 통신함이나 분전반 안이 좋습니다.
- 동력 설비 앞 : 인버터반이나 동력반을 지나기 전과 후를 절연으로 끊어 그 구간의 노이즈와 전위 변동이 나머지 버스로 번지지 않게 합니다.
- 마스터 입력단 : 게이트웨이, PLC, PC처럼 비싼 장비 바로 앞에 절연기를 두면 현장 쪽 사고가 중앙 장비로 넘어오지 않습니다.
리피터와 절연기는 대부분 별도 전원이 필요합니다. 절연을 제대로 하려면 양쪽 회로의 전원도 서로 나뉘어 있어야 하므로 한쪽 기기의 전원을 다른 쪽에 끌어다 쓰지 않습니다. 절연 내압은 제품마다 다르며 일반적으로 수 kV급이니 옥외 구간에는 사양서에서 절연 내압과 서지 시험 등급을 확인하고 고릅니다.
7. 설치 후 자주 생기는 문제와 해결
| 증상 | 흔한 원인 | 해결 |
|---|---|---|
| 리피터 뒤쪽 기기 전부 무응답 | A/B 극성 반대, 리피터 전원 없음 | 양쪽 구간 극성과 전원 표시등 확인 |
| 긴 프레임에서만 CRC 오류 | 자동 방향 전환 리피터의 통신 속도 설정 불일치 | 리피터 속도 설정을 버스와 같게 맞춤 |
| 새 구간에서 간헐적 오류 | 새 구간 종단 저항 누락 | 구간마다 양 끝에 종단 저항 설치 |
| 무통신 상태에서 쓰레기 데이터 | 새 구간에 바이어스 없음 | 리피터 내장 바이어스 사용 또는 구간당 한 곳에 설치 |
| 절연기를 넣었는데도 오류 지속 | 양쪽 전원을 공유해 절연이 무력화 | 전원 분리, 차폐선은 한쪽 끝만 접지 |
| 응답이 늦어 타임아웃 | 리피터 여러 단 직렬 연결로 지연 누적 | 타임아웃 여유 확보, 다포트 리피터로 단 수 줄이기 |
리피터를 넣은 뒤에는 모니터링 시스템에서 기기별 통신 성공률이나 오류 횟수를 며칠 동안 기록해 보는 것이 좋습니다. 특정 시간대에만 오류가 몰린다면 그 시간에 도는 설비와 배선 경로를 함께 살펴봅니다.
8. 관련 산업용어
■ 단위 부하(UL, Unit Load)
RS485 수신기 하나가 버스에 주는 부하의 기준 단위입니다. 드라이버는 32 UL까지 구동하도록 정해져 있습니다.
■ 공통 모드 전압
A선과 B선이 수신기 접지 기준으로 함께 떠 있는 전압입니다. RS485 수신기는 -7~+12V 안에서 정상 동작합니다.
■ 종단 저항
버스 양 끝에서 신호 반사를 줄이는 저항입니다. 리피터로 나뉜 구간마다 양 끝에 따로 둡니다.
■ 바이어스 저항(Polarization)
아무도 송신하지 않을 때 버스를 정해진 상태로 붙잡아 두는 저항입니다. Modbus 직렬 통신 사양서는 450~650Ω을 버스 전체에 한 곳만 두도록 정합니다.
■ 갈바닉 절연(Galvanic Isolation)
두 회로 사이에 전선 연결 없이 빛이나 자기장으로 신호와 전력을 넘기는 방식입니다. 접지 루프와 서지를 끊는 데 씁니다.
9. 자주 묻는 질문
Q. RS485에 리피터 없이 몇 대까지 연결할 수 있나요?
1 UL 기기 기준으로 32대입니다. 1/4 UL이나 1/8 UL 트랜시버를 쓰는 기기라면 계산상 128대, 256대까지 가능하지만 바이어스 저항이 더하는 부하만큼 여유가 줄어듭니다.
Q. RS485 최대 거리 1200m는 규격에 정해진 값인가요?
아닙니다. TIA-485-A는 거리를 숫자로 정하지 않았고 약 1,200m는 100kbps 이하 조건의 업계 기준입니다. 통신 속도와 케이블에 따라 실제 거리는 달라집니다.
Q. Modbus 주소가 247개인데 왜 32대가 한계인가요?
247은 주소의 수이고 32는 전기적 부하의 한계이기 때문입니다. 32대를 넘게 걸려면 저부하 트랜시버 기기를 쓰거나 리피터로 구간을 나눕니다.
Q. 리피터만 있으면 건물 간 연결도 문제없나요?
비절연형 리피터라면 접지 전위차 문제는 남습니다. 건물 사이처럼 접지가 다른 곳은 절연형 리피터를 쓰고 옥외 구간에는 서지 보호기를 함께 둡니다.
Q. RS485 통신선에 GND선도 연결해야 하나요?
같은 건물, 같은 전원 계통이라면 공통선을 연결해 기준 전위를 맞추는 편이 안정적입니다. 접지가 다른 건물끼리는 공통선을 직접 잇기보다 절연기로 나누는 방식이 일반적입니다.
10. 마무리
RS485 한 구간에는 32 단위 부하와 약 1,200m라는 한계가 있고 이를 넘을 때 리피터로 구간을 나눕니다. 접지가 다른 건물을 잇거나 동력 설비 근처를 지날 때는 공통 모드 전압 -7~+12V를 지키기 위해 절연이 필요합니다. 리피터로 나뉜 구간마다 종단 저항과 바이어스를 다시 챙기고 절연기는 양쪽 전원을 나눠야 제 역할을 한다는 점을 꼭 기억해 두십시오. RS485 배선 전반은 RS485 완전정리 글과 함께 보면 이해가 쉽습니다.
참고 기준 : TIA-485-A (Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems), Modbus Organization 「MODBUS over Serial Line Specification and Implementation Guide V1.02」, Texas Instruments RS-485 응용 자료
태그 : RS485, RS485리피터, RS485절연기, 절연형리피터, 단위부하, 공통모드전압, 접지전위차, 접지루프, 종단저항, 바이어스저항, ModbusRTU, 통신거리, 서지보호, 산업통신
- 이전글축사 암모니아 농도 관리, 돈사·계사 환기와 온도 균형 26.10.29
- 다음글온도 기록 보존 기간 기준, HACCP·GMP·KGSP·축산물 운반 비교 26.10.29