PLC(Programmable Logic Controller) 와 시퀀스

1. 개념

(1) PLC는 시퀀스 제어 (회로) 동작을 위한 장비

유명한 브랜드의 산업용 PLC

PLC는 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller)의 약자로 산업 기계설비에서 자동화 제어 및 모니터링에 사용되는 컴퓨팅 장치이다.

전자제어를 위한 장치(소형 저전력 디바이스)라기 보다는 산업 전기(220V, 380V)를 사용하는 기계설비를 제어하기 위한 장치에 가깝다. 현장에 가보면 판넬이나 큰 모터를 구동하는 기계설비 등에 사용된다. 이를 "시퀀스" 라고 부르며 PLC의 본연의 기능은 사용자가 프로그래밍을 통하여 "시퀀스 제어 (회로)"를 구현하기 위한 장치 일 뿐이다.

▼개념이해를 위해 PLC보다 먼저 알아야 할 것은 시퀀스이다.▼

(2) 시퀀스 개념

전자회로는 PCB 보드로 구현되지만 전기회로는 제어반, 분전반 등으로 구성된다.

시퀀스는 미리 정해진 순서나 일정한 논리에 의해 제어하는 방식으로 전기회로로 구성된다. (일반적인 전자회로 구성이 아니다. ) 전기 분야에 있어서 시퀀스는 가장 기초이자 굉장히 중요하다. 교류 전기 (220V)를 사용하는 만큼 단 하나의 배선이라도 잘 못 된다면 엄청난 물적피해 또는 인명피해를 수반하게 되므로  어느정도 고경력의 전기 엔지니어가 다루는 것이 바람직하다. 시퀀스 회로는 현재 산업, 공장, 공공장소등에 안 쓰이는 곳이 없다.

(3) 시퀀스 회로에 사용되는 부품/자재

시퀀스 회로도 예시

전자회로는 R/L/C (수동소자) 및 IC, MCU, OPAMP, 트랜지스터(능동소자)등으로 회로를 설계하여 PCB 보드를 구성하지만, 시퀀스 회로에는 (조금 더 크고 우람한....?) 정해진 부품/자재들이 사용된다. (그도 그럴 것이 교류는 둘째치고 전압과 전류가 꽤 상당한 회로이기 때문에 좀더 견고해야 한다.)

● 접점 개념

시퀀스 회로 접점 기호도

• A접점 (NO, Nomal Open) : 평상시 열려있다.
• B접점 (NC, Nomal Close) : 평상시 닫혀있다.

접점 개념의 경우 릴레이 포스팅에서 이미 공부한 바 있다. 그림을 보며 복습해보도록 하자.

● 스위치/버튼

기본 수동 스위치의 역할을 하는 부품/자재들

수동 조작을 위한 스위치의 종류와 디자인은 매우 다양하지만, 수동적인 조작으로 접점을 열고 닫고 하는 본연의 기능은 모두 똑같다.

● 누전차단기

일종의 스위치이지만, 누전을 감지하여 차단하는 역할도 병행한다.

누전 차단기의 경우 KCL의 원리 (나가는 전류와 들어오는 전류는 같다)를 사용하여 누전을 감지한다. 물론 접지 처리가 괜찮다면 누전의 문제는 없다. 보통 기계설비 (시퀀스)에서는 원천적인 전력이 들어오는 데 사용된다.

● 마그네트 스위치 (개폐기) / 릴레이 (계전기)

마그네트 스위치는 고전류 제어 용도의 스위치이고 릴레이는 저전류 (약 10A 미만) 스위칭 제어에 사용할 수 있다.

마그네트 스위치와 릴레이는 스위칭 허용 전류와 코일 전압(전원)이 다를 뿐 용도는 동일하다.

코일에 전원(전압)을 인가하여 스위치 ON/OFF를 조작할 수 있다.

 

추가적으로 릴레이 코일 회로를 구성할 때는 역기전력의 영향을 방지하기 위해 역방향 다이오드를 추가한다.

이 회로 기법을 Flyback 또는 FlyWheel 이라고 하며, 이때 최대한 반응속도가 빠른 다이오드를 선정한다.

● 타이머/카운터

코일에 전원이 인가된 전/후 시간 설정에 따라 접점을 열고 닫고 할 수 있다.

타이머는 접점 동작으로 다음과 같이 나눌수 있다.

• 순시동작 순시복귀 : 전원이 인가되면 즉시 동작, 전원이 내려가면 즉시 복귀 (일반 릴레이다....)
• 순시동작 한시복귀 : 전원이 인가되면 즉시 동작, 전원이 내려가면 셋팅된 시간 후에 복귀
• 한시동작 순시복귀 : 전원이 인가되면 셋팅된 시간만큼 지연 된 후 동작, 전원이 내려가면 즉시 복귀
• 한시동작 한시복귀 : 전원이 인가되면 지연 동작하고 전원이 내려가도 지연 동작 (쓸일이 있나 싶다...)

빨강색으로 표시한 동작타입이 많이 사용된다.

● HMI

HMI는 human-machine interface의 약자로 터치패널로 구성된 조작반을 제공하는 장치이다.

 

인간 - 기계의 상호작용 이라는 뜻 처럼 기계설비의 작동상태, 데이터 등을 시각화해주고 조작(제어)할 수 있는 입출력 인터페이스를 제공한다. PC에서도 본체와 모니터가 따로 있듯이 기계설비를 위한 모니터(터치패널)이라고 이해하면 쉽다.

● 온도컨트롤러 (온도조절기)

산업에서는 온도를 기반으로 제어하는 시스템이 굉장히 많은 편이라, 온도 제어시스템을 편리하게 구현할 수 있도록 온도 전용 컨트롤러를 제작하여 판매하고 있다. 온도가 포함되어있는 기계설비에서 볼 수 있으며 가열, 냉각 출력 등을 지원한다. 당연하게도 온도컨트롤러에는 산업에서 활용되는 온도센서 (열전대, RTD 등)를 입력할 수 있는 단자가 있다.

PLC 보다는 가격이 저렴하여 많이 활용되고 있다. (산업용 PLC로 구현하려면 온도센서 모듈이 별도로 필요하다...)

2. PLC의 기본 기능

PLC는 모든 기계설비에 들어가 있는 것은 아니다. 비교적 매커니즘이 간단한 기계설비들은 PLC 개발 비용이 비싸기 때문에 시퀀스 부품을 사용하여 구성한다. (아직도 이런 기계설비들이 굉장히 많다.)

놀랍게도, PLC는 위의 시퀀스 부품/자재들을 대체하여 프로그래밍으로 기능을 구현할 수 있다.

 

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=e7osFeJrco0

사용자가 프로그래밍하여 시퀀스 회로를 구현할 수 있다는 이야기이다.

PLC 기본 기능만 놓고 본다면 입/출력 전압, 전류 사양만 다를 뿐 임베디드의 마이크로컨트롤러 기초 기능과 유사하다.

● 디지털 입력

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=e7osFeJrco0

디지털 (ON/OFF) 신호를 감지할 수 있다. (스위치가 열려있는지 닫혀있는 지 구분할 수 있다.)

다만, 전압의 경우 정격을 따라야한다. 24V를 대체적으로 사용하지만 220V 교류 전압을 직접 INPUT하는 기능도 있다.

● 디지털 출력

디지털 (ON/OFF) 신호를 출력할 수 있다. 분류에 따라 트랜지스터 출력 (NPN형, PNP형) 또는 접점 스위치 출력으로 나눌 수 있다.

● 아날로그 입/출력

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=e7osFeJrco0

산업 표준 PLC의 경우 아날로그 신호는 0~5V, 0~10V, 4~20mA 를 사용한다. (각종 센서를 INPUT하거나 아날로그 신호를 출력해야 하는 경우에 사용된다.)

● 산업용 통신 인터페이스 (이더넷, RS232/485 등)

다양한 산업용 프로토콜을 사용하여 기기들과 통신하기위한 인터페이스 기능들이 내장 되어 있다.

RS485 직렬 통신은 오래된 과거 부터 PLC와의 통신으로 사용되어져 왔다. 현재는 PLC 뿐만 아니라 각종 산업용 기기들에도 내장되어 나온다. 최근 에는 이더넷 인터페이스를 활용하여 별도의 산업용 통신을 사용하여 기계설비 자동화를 구성한다.

3. PLC (Programmable Logic Controller) 의 조건

• 프로그램 작성 및 변경이 용이하고 Sequence 변경을 현장에서 할 수 있을 것
• 유지 보수가 용이할 것
• 현장에 있어서 신뢰성이 릴레이 제어반 보다 높을 것
• Size는 릴레이 제어반 보다 작을 것
• 중앙 제어장치로 데이터 전송이 가능할 것
• 릴레이 및 무접점 방식이 가능할 것
• 입력은 AC 115V를 받을 수 있을 것
• 출력은 AC 115V 2A 이상으로 솔레노이드 밸브,모타의 기동, 조작이 가능할 것
• 제어 시스템의 확장은 기본 시스템의 작은 변경으로 가능할 것
• 프로그램의 확장은 최저 4Kbyte Word까지 가능할 것