Developing Fundamental PLC Wiring Diagrams and Ladder Logic Programs
6.1 Electromagnetic Control Relays
PLC의 원래 목적은 전자기식 릴레이를 프로그래밍이 가능한 고체 상태(solid-state) 스위칭 시스템으로 대체하는 것이었습니다. PLC가 많은 릴레이 제어 논리를 대체했지만, 전자기 릴레이는 여전히 I/O 필드 장치를 전환하는 보조 장치로 사용됩니다. 프로그래머블 컨트롤러는 논리 결정을 수행하는 물리적으로 작은 제어 릴레이를 대체하도록 설계되었지만, 큰 전류나 고전압을 처리하도록 설계된 것은 아닙니다(그림 6-1). 또한 전자기 릴레이의 동작과 용어를 이해하는 것은 릴레이 도식(schematic) 다이어그램을 래더 프로그램으로 올바르게 변환하는 데 중요합니다.
전기 릴레이는 자기식 스위치입니다. 전자기(electromagnetism)를 사용해 접점을 전환합니다. 릴레이는 일반적으로 하나의 코일(coil)만 가지지만, 다양한 수의 접점을 포함할 수 있습니다. 그림 6-2는 전형적인 제어 릴레이의 동작을 나타냅니다. 코일에 전류가 흐르지 않을 때(탈자 상태 de-energized), 앵커(armature)는 스프링 장력에 의해 코어(core)로부터 떨어진 상태로 유지됩니다. 코일에 전원이 인가되면(energized), 전자기장이 생성됩니다. 이 전자기장의 작용으로 앵커가 물리적으로 이동하게 됩니다. 앵커의 움직임은 릴레이의 접점을 열거나 닫히게 합니다. 코일과 접점은 서로 절연되어 있으므로 정상적인 조건에서는 둘 사이에 전기 회로가 형성되지 않습니다.
제어 릴레이를 나타내는 기호는 그림 6-3에 나타나 있습니다. 접점은 짧은 평행선으로 표시되며 문자로 코일과 연관됩니다. 문자 M은 종종 모터 스타터(motor starter)를 의미하고, CR은 제어 릴레이(control relay)를 나타내는 데 사용됩니다. 통상적으로 열림(Normally Open, NO) 접점은 코일에 전류가 흐르지 않을 때 열려 있지만 코일에 전류가 흐르거나 전원이 인가되면 닫히는 접점을 의미합니다. 통상적으로 닫힘(Normally Closed, NC) 접점은 코일이 탈자 상태일 때 닫혀 있다가 코일이 여자(energized)되면 열리는 접점입니다. 각 접점은 보통 코일이 탈자된 상태에서의 형태로 그려집니다.
두 개의 파일럿 램프를 제어하는 데 사용되는 전형적인 제어 릴레이는 그림 6-4에 나타나 있습니다. 이 회로의 동작은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.
• 스위치가 열려 있으면, 코일 CR은 탈자 상태입니다.
• 녹색 파일럿 램프로의 회로는 통상적으로 닫힘 접점을 통해 완성되므로 이 램프는 켜집니다.
• 동시에 빨간색 파일럿 램프로의 회로는 통상적으로 열림 접점을 통해 열려 있으므로 이 램프는 꺼집니다.
• 스위치가 닫히면 코일은 여자됩니다.
• 통상적으로 열림 접점이 닫혀 빨간색 파일럿 램프가 켜집니다.
• 동시에 통상적으로 닫힘 접점이 열려 녹색 파일럿 램프가 꺼집니다.
제어 릴레이의 코일과 접점은 각각 별도의 정격을 갖습니다. 코일은 동작 전류의 종류(DC 또는 AC)와 정상 동작 전압에 따라 정격이 결정됩니다. 접점은 지정된 전압 수준과 종류(AC 또는 DC)에서 접점이 처리할 수 있는 최대 전류량으로 정격이 정해집니다. 제어 릴레이 접점은 일반적으로 큰 전류나 고전압을 처리하도록 설계되어 있지 않습니다. 접점은 보통 5~10암페어 사이의 정격을 가지며, 코일 전압의 가장 일반적인 정격은 120 VAC입니다.
6.2 Contactors
콘택터(contactor)는 제어 릴레이의 능력을 넘어서는 큰 전력 부하를 처리하도록 설계된 특수한 종류의 릴레이입니다. 그림 6-5는 3극(magnetic) 자기식 콘택터를 보여줍니다. 릴레이와 달리 콘택터는 손상되지 않고 고전력 회로를 개폐하도록 설계되어 있습니다. 이러한 부하에는 조명, 히터, 변압기(transformer), 커패시터(capacitor), 그리고 과부하 보호가 별도로 제공되거나 필요하지 않은 전동기 등이 포함됩니다.
프로그램식 제어기는 일반적으로 콘택터 코일을 구동할 수 있는 출력 용량을 가지지만, 큰 전력 부하를 직접 동작시키는 데 필요한 용량은 갖고 있지 않습니다. 그림 6-6은 펌프에 전원을 공급하거나 차단하기 위해 콘택터와 함께 사용되는 PLC의 응용을 보여줍니다. 출력 모듈은 코일과 직렬로 연결되어 저전류 스위칭 회로를 형성합니다. 콘택터의 접점은 펌프 모터와 직렬로 연결되어 고전류 스위칭 회로를 형성합니다.
6.3 Motor Starters
모터 스타터(motor starter)는 모터에 전원을 공급하도록 설계된 장치입니다. 모터 스타터는 그림 6-7과 같이 콘택터(contactor)에 과부하 릴레이(overload relay)가 물리적·전기적으로 결합된 형태로 구성됩니다. 과부하 릴레이의 기능은 다음과 같이 요약될 수 있습니다.
• 과부하 릴레이는 모터 제어 회로의 특별한 보호 요구를 충족하도록 설계됩니다.
• 모터가 기동할 때 발생하는 무해한 일시적 과부하는 허용합니다.
• 과부하 상태가 지속되면 과부하 릴레이가 트립(trip)하여 모터의 전원을 차단합니다.
• 과부하 상태가 해결된 후에는 과부하 릴레이를 재설정할 수 있습니다.
그림 6-8은 전형적인 3상 자기식(magnetic) 모터 스타터의 도면을 보여줍니다. 회로의 동작은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.
• START 버튼을 누르면 코일 M이 여자되어 통상적으로 열림 M 접점이 모두 닫힙니다.
• 모터와 직렬로 연결된 M 접점이 닫혀 모터로의 전류 경로가 완성됩니다. 이 접점들은 전력 회로의 일부이며 모터의 정격 부하 전류를 처리하도록 설계되어야 합니다.
• 제어 접점 M(START 버튼과 병렬 연결됨)은 START 버튼을 놓았을 때 코일 회로를 유지(seal-in)하기 위해 닫힙니다. 이 접점은 제어 회로의 일부이므로 코일을 여자시키는 데 필요한 소량의 전류만 처리하면 됩니다.
• 과부하(OL) 릴레이는 과전류로부터 모터를 보호하기 위해 제공됩니다. 통상적으로 닫힘 OL 접점은 과부하 전류가 감지되면 자동으로 열려 M 코일을 탈자시켜 모터를 정지시킵니다.
모터 스타터는 여러 표준 NEMA(National Electric Manufacturers Association) 규격과 정격으로 제공됩니다. PLC가 대형 모터를 제어해야 할 때는 그림 6-9와 같이 반드시 스타터와 함께 동작해야 합니다. 스타터 코일의 전력 요구 사항은 PLC 출력 모듈의 전력 정격 내에 있어야 합니다. 제어 논리는 입력 장치의 배선 방식이 아니라 PLC 내부 프로그램에 의해 결정되고 실행된다는 점에 유의해야 합니다.
6.4 Manually Operated Switches
수동 조작 스위치(manually operated switches)는 손으로 조작됩니다. 여기에는 토글 스위치(toggle switch), 푸시버튼 스위치(pushbutton switch), 나이프 스위치(knife switch), 셀렉터 스위치(selector switch) 등이 포함됩니다.
푸시버튼 스위치는 가장 일반적인 형태의 수동 제어 장치입니다. 푸시버튼은 눌렸을 때 접점을 열거나 닫는 방식으로 동작합니다. 그림 6-10은 일반적으로 사용되는 푸시버튼 스위치 종류를 보여주며, 다음을 포함합니다.
• 통상적으로 열림(Normally Open, NO) 푸시버튼: 버튼이 눌렸을 때 회로가 형성되고, 버튼을 놓으면 다시 열린 위치로 돌아갑니다.
• 통상적으로 닫힘(Normally Closed, NC) 푸시버튼: 버튼이 눌렸을 때 회로가 열리고, 버튼을 놓으면 다시 닫힌 위치로 돌아갑니다.
• 선개방 후접점(break-before-make) 푸시버튼: 상단 접점은 NC이고 하단 접점은 NO입니다. 버튼을 누르면 하단 접점이 닫히기 전에 상단 접점이 먼저 열립니다.
셀렉터 스위치(selector switch)는 또 다른 일반적인 수동 조작 스위치입니다. 푸시버튼과 셀렉터 스위치의 주요 차이점은 조작 방식입니다. 셀렉터 스위치는 버튼을 누르는 대신 조작부를 회전시켜 연결된 접점 블록의 접점을 개폐합니다. 그림 6-11은 3위치 셀렉터 스위치를 보여줍니다. 스위치 위치는 조작 손잡이를 좌우로 돌려 설정됩니다. 셀렉터 스위치는 유지형 접점 위치를 가질 수도 있고, 스프링 리턴 방식으로 순간 접점 동작을 제공할 수도 있습니다.
듀얼 인라인 패키지(Dual In-line Package, DIP) 스위치는 인쇄회로기판(printed circuit board) 모듈에 장착되도록 설계된 소형 스위치 조립체(그림 6-12)입니다. DIP 스위치 하단의 핀 또는 단자는 집적회로(Integrated Circuit, IC) 칩과 동일한 크기와 간격을 가집니다. 개별 스위치는 토글(toggle), 로커(rocker), 슬라이드(slide) 형식 중 하나일 수 있습니다. DIP 스위치는 특정 모듈의 매개변수를 설정하기 위해 이진(on/off) 설정을 사용합니다. 예를 들어, 특정 입력 모듈의 입력 전압 범위는 모듈 뒤쪽에 있는 DIP 스위치를 사용하여 선택할 수 있습니다.
6.5 Mechanically Operated Switches
기계식 조작 스위치(mechanically operated switch)는 압력, 위치, 온도와 같은 요인에 의해 자동으로 제어됩니다. 그림 6-13에 나타난 리미트 스위치(limit switch)는 매우 일반적인 산업용 제어 장치입니다. 리미트 스위치는 미리 정해진 한계에 도달했을 때만 동작하도록 설계되며, 보통 캠(cam)과 같은 물체와의 접촉에 의해 동작됩니다. 이러한 장치는 인간 조작자의 역할을 대신합니다. 리미트 스위치는 기계 공정의 제어 회로에서 모터의 기동, 정지 또는 역전 동작을 제어하는 데 자주 사용됩니다.
그림 6-14에 나타난 온도 스위치(temperature switch) 또는 서모스탯(thermostat)은 온도 변화를 감지하는 데 사용됩니다. 다양한 종류가 있지만 모두 특정 환경의 온도 변화에 의해 동작됩니다. 온도 스위치는 설정된 온도에 도달하면 개방되거나 닫힙니다. 이러한 장치의 산업적 응용에는 공기, 가스, 액체 또는 고체의 원하는 온도 범위를 유지하는 것이 포함됩니다.
그림 6-15와 같은 압력 스위치(pressure switch)는 액체와 가스의 압력을 제어하는 데 사용됩니다. 다양한 종류가 있지만 기본적으로는 지정된 압력에 도달하면 접점을 동작(개방 또는 폐쇄)하도록 설계되어 있습니다. 압력 스위치는 공기식(pneumatic) 또는 유압식(hydraulic)으로 동작할 수 있습니다. 일반적으로 벨로즈(bellows) 또는 다이어프램(diaphragm)이 작은 마이크로스위치를 눌러 개방 또는 폐쇄시키는 방식으로 동작합니다.
레벨 스위치(level switch)는 용기 내부의 액위(liquid level)를 감지하고, 집수조(sump)에서 액체를 옮기거나 탱크로 유입하는 모터를 자동으로 제어하는 데 사용됩니다. 또한 배관 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 개방하거나 폐쇄하여 유체를 제어하는 데 사용되기도 합니다. 그림 6-16에 나타난 플로트 스위치(float switch)는 이러한 레벨 스위치의 한 종류입니다. 이 스위치는 무게가 있어 액위가 상승하면 플로트가 뒤집히며 내부 접점을 동작시킵니다.
6.6 Sensors
센서(sensor)는 어떤 물리량의 크기를 감지하고, 종종 이를 측정하는 데 사용됩니다. 센서는 기계적, 자기적, 열적, 광학적, 화학적 변화를 전압과 전류 같은 전기 신호로 변환합니다. 센서는 일반적으로 측정 대상에 따라 분류되며, 현대 제조 공정 제어에서 중요한 역할을 합니다.
Proximity Sensor
그림 6-17과 같은 근접 센서(proximity sensor) 또는 근접 스위치는 물체(일반적으로 타깃이라고 함)를 물리적 접촉 없이 감지하는 파일럿 장치입니다. 이러한 고체 상태(solid-state)의 전자 장치는 산업 환경에서 발생하는 과도한 진동, 액체, 화학 물질, 부식성 물질로부터 보호되도록 완전히 캡슐화되어 있습니다. 근접 센서는 다음과 같은 경우에 사용됩니다.
• 감지 대상 물체가 너무 작거나 가볍거나 부드러워 기계식 스위치를 동작시킬 수 없을 때
• 카운팅 또는 배출 제어처럼 빠른 응답과 높은 스위칭 속도가 필요할 때
• 유리, 플라스틱, 종이 박스와 같은 비금속 차단물을 통과하여 물체를 감지해야 할 때
• 혹독한 환경으로 인해 기계식 스위치가 제대로 동작하지 못하며, 더 뛰어난 밀봉 성능이 요구될 때
• 긴 수명과 높은 신뢰성이 필요할 때
• 빠른 전자 제어 시스템이 바운스(bounce)가 없는 입력 신호를 필요로 할 때
근접 센서는 감지 대상 물질의 종류에 따라 서로 다른 원리로 동작합니다. 비접촉식 금속 타깃 감지가 필요한 경우 유도형(inductive) 근접 센서가 사용됩니다. 유도형 근접 센서는 철을 포함한 강자성체(ferrous metal)뿐만 아니라 구리, 알루미늄, 황동(brass)과 같은 비철금속(nonferrous metal)도 감지할 수 있습니다.
유도형 근접 센서는 인덕턴스(inductance)의 전기적 원리에 따라 동작하며, 여기서 변화하는 전류가 타깃 물체에 전자기력(emf)을 유도합니다. 그림 6-18은 유도형 근접 센서의 블록 다이어그램을 보여주며, 동작은 다음과 같이 요약됩니다.
• 발진기(oscillator) 회로는 센서 끝단에서 방사되는 고주파 전자기장을 생성합니다.
• 금속 물체가 이 전자기장 안으로 들어오면, 물체 표면에 와전류(eddy current)가 유도됩니다.
• 물체의 와전류는 센서에서 방사된 에너지의 일부를 흡수하여 에너지 손실과 발진기 출력의 변화가 발생합니다.
• 센서의 감지 회로는 발진기의 출력 변화를 감시하고, 특정 수준에서 솔리드 스테이트 출력(solid-state output)을 트리거합니다.
• 금속 물체가 감지 영역을 벗어나면 발진기는 초기 값으로 복귀합니다.
대부분의 센서는 24V DC 또는 120V AC에서 동작합니다. 근접 센서의 연결 방식은 센서의 종류와 응용에 따라 달라집니다. 그림 6-19는 일반적인 3선식 DC 센서 연결을 보여줍니다. 3선식 DC 근접 센서는 양(+)선과 음(–)선이 직접 연결됩니다. 센서가 동작하면, 통상적으로 열림 방식일 경우 신호선은 회로의 양(+)측에 연결됩니다. 통상적으로 닫힘 방식일 경우 센서가 동작하면 신호선은 양(+)측에서 분리됩니다.
그림 6-20은 부하와 직렬로 연결되도록 설계된 일반적인 2선식 근접 센서 연결을 보여줍니다. 이러한 센서는 AC 또는 DC 전원 모두에 사용될 수 있습니다. 오프(off) 상태에서도 센서를 활성 상태로 유지하기 위해 약간의 전류가 흐르며, 이를 누설 전류(leakage current)라고 하며 일반적으로 약 1~2 mA 범위입니다. 센서가 동작하면 정상적인 부하 전류가 흐르게 됩니다.
그림 6-21은 근접 센서의 감지 범위를 보여줍니다. 히스테리시스(hysteresis)는 타깃이 센서 면에 접근할 때의 동작점과, 타깃이 센서로부터 멀어질 때의 해제점 사이의 거리입니다. 센서를 켜기 위한 접근 거리가 끄기 위한 거리보다 더 가까워야 합니다. 타깃이 센서를 향해 움직일 때는 더 가까운 지점까지 접근해야 하며, 센서가 켜지고 나면 타깃이 해제점까지 이동해야 센서가 꺼집니다. 히스테리시스는 충격, 진동, 느리게 움직이는 타깃, 전기적 잡음, 온도 드리프트 같은 작은 교란에 의해 근접 센서가 떨림(chatter) 현상을 일으키지 않도록 하기 위해 필요합니다. 대부분의 근접 센서에는 출력 동작을 확인하기 위한 LED 상태 표시기가 포함되어 있습니다.
솔리드 스테이트 출력으로 인해, 센서가 꺼진 상태에서도 소량의 누설 전류가 흐릅니다. 마찬가지로 센서가 켜진 상태에서는 출력 단자에서 약간의 전압 강하가 발생합니다. 근접 센서가 올바르게 동작하려면 지속적으로 전원이 공급되어야 합니다. 그림 6-22는 센서가 동작하는 데 필요한 전류는 허용하면서도 PLC 입력을 켜지 않도록 블리더 저항(bleeder resistor)을 사용하는 예를 보여줍니다.
정전용량형(capacitive) 근접 센서는 유도형(inductive) 근접 센서와 유사합니다. 두 센서의 주요 차이점은 정전용량형 근접 센서는 전자기장 대신 정전기장(electrostatic field)을 생성하며, 도전성(conductive) 물질뿐 아니라 비도전성(nonconductive) 물질에도 의해 동작된다는 점입니다.
그림 6-23은 정전용량형 센서의 동작을 설명합니다. 정전용량형 센서에는 두 금속 전극으로 구성된 감지면(sensing surface)과 함께 고주파 발진기(oscillator)가 포함되어 있습니다. 타깃이 감지면에 가까워지면 전극의 정전기장 안으로 들어가 발진기의 정전용량(capacitance)을 변화시킵니다. 그 결과 발진기 회로는 특정 진폭에 도달하면 발진을 시작하고 센서의 출력 상태가 변합니다. 타깃이 센서에서 멀어지면 발진기의 진폭이 감소하여 센서는 원래 상태로 되돌아갑니다.
정전용량형 근접 센서는 금속 물체뿐 아니라 종이, 유리, 액체, 천과 같은 비금속 물질도 감지할 수 있습니다. 감지 범위는 일반적으로 감지 물질의 종류와 관계없이 약 1인치 정도로 짧습니다. 타깃의 유전율(dielectric constant)이 클수록 센서가 감지하기 쉬워집니다. 그림 6-24에서 볼 수 있듯이, 이러한 특성 덕분에 비금속 용기 내부의 물질도 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 액체는 골판지 용기보다 훨씬 높은 유전율을 가지므로 센서는 용기를 투과해 내부 액체를 감지할 수 있습니다. 예시된 공정에서는 비어 있는 용기가 감지되면 푸시 로드(push rod)에 의해 자동으로 배출됩니다.
유도형 근접 스위치는 금속에 의해서만 동작되며 습기, 먼지, 오염물 등에 영향받지 않습니다. 반면, 정전용량형 근접 스위치는 주변 환경의 먼지 등에 의해 쉽게 동작될 수 있습니다. 일반적인 적용에서는 정전용량형 스위치가 유도형 스위치를 완전히 대체하는 것이 아니라, 금속 타깃이 없는 경우(예: 목공 기계, 액체 또는 분말의 정확한 레벨 감지)에 보완 장치로 사용됩니다.
Magnetic Reed Switch
마그네틱 리드 스위치(magnetic reed switch)는 그림 6-25와 같이 보호 가스로 채워진 유리 튜브 안에 기밀(hermetic) 봉인된 두 개의 평평한 접점 탭으로 구성됩니다. 리드 스위치에 평행한 방향으로 자기력이 가해지면 리드들은 자기 회로의 자속(flux)을 전달하는 역할을 합니다. 리드의 겹쳐진 끝 부분은 서로 반대의 자극(magnetic pole)이 되어 서로 끌어당기게 됩니다. 자극 사이의 자기력이 리드를 되돌리려는 복원력보다 커지면 리드가 서로 닿아 스위치가 동작됩니다. 접점이 봉인되어 있으므로 먼지, 습기, 연기 등에 영향을 받지 않아 기대 수명이 매우 높습니다.
Light Sensors
그림 6-26에 나타난 광전지(photovoltaic cell)와 광전도 셀(photoconductive cell)은 빛 센서의 예입니다. 광전지(또는 태양전지 solar cell)는 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하여 반응합니다. 광전도 셀(또는 광저항 photoresistive cell)은 빛의 양에 따라 저항이 변화하여 반응합니다.
광전 센서(photoelectric sensor)는 가시광선 또는 비가시광선 광선을 감지하고 수신 광의 세기 변화에 따라 동작하는 광학 제어 장치입니다. 광전 센서는 그림 6-27과 같이 송신기(transmitter, 광원)와 수신기(receiver, 센서)의 두 가지 기본 구성 요소로 이루어지며, 두 구성 요소는 하나의 장치에 내장되거나 분리될 수 있습니다. 광전 센서의 기본 동작은 다음과 같이 요약됩니다.
• 송신기에는 일반적으로 LED 광원과 발진기(oscillator)가 포함됩니다.
• 발진기는 LED를 고속으로 켜고 끄는 변조(modulation)를 수행합니다.
• 송신기는 이 변조된 광선을 수신기로 전송합니다.
• 수신기는 광선을 디코딩하고 부하와 연결되는 출력 장치를 스위칭합니다.
• 수신기는 송신기의 변조 주파수에 맞춰 조정되며, 특정 주파수로 맥동하는 광 신호만 증폭합니다.
• 대부분의 센서는 출력 상태가 변화하는 데 필요한 빛의 양을 조정할 수 있습니다.
• 응답 시간(response time)은 광 펄스의 주파수와 관련되며, 작은 물체 또는 고속 이동 물체를 감지해야 할 때 매우 중요할 수 있습니다.
스캔 기법은 광전 센서가 물체를 감지하기 위해 사용하는 방식을 의미합니다. 투광식(through-beam) 스캔 기법(직접 스캔이라고도 함)은 그림 6-28과 같이 송신기와 수신기를 서로 직선상에 배치합니다. 광선이 한 방향으로만 이동하므로 투광식 스캔은 장거리 감지가 가능합니다. 차량용 차고문 오프너는 문 바닥 근처 양쪽에 투광식 광전 센서를 설치하는 경우가 많습니다. 이 응용에서 센서는 문이 닫힐 때 문 경로에 아무것도 없음을 감지합니다.
반사식(retroreflective) 스캔에서는 송신기와 수신기가 같은 하우징에 들어 있습니다. 이 배치는 센서 반대편에 설치된 별도의 반사판(reflector) 또는 반사 테이프를 사용하여, 송신된 빛이 수신기로 다시 돌아오도록 해야 합니다. 반사식 스캔은 그림 6-29와 같이 송신기와 수신기 사이에 평상시 유지되는 광선을 물체가 차단할 때 반응하도록 설계되어 있습니다. 투광식 스캔과 달리 반사식 센서는 중거리 응용에 사용됩니다.
광섬유(fiber optics)는 스캔 기법이 아니라 광을 전달하는 또 다른 방법입니다. 광섬유 센서는 그림 6-30과 같이 송신기에서 수신기로 빛을 전달하는 매우 가는 섬유가 포함된 유연한 케이블을 사용합니다. 광섬유 센서 시스템은 모든 형태의 전기적 간섭에 완전히 면역입니다. 광섬유는 움직이는 부품이 없고 빛만 전달하므로 스파크가 발생할 가능성이 없습니다. 따라서 가스 생산용 정제 시설, 곡물 저장고, 광산, 제약 제조, 화학 공정과 같은 가장 위험한 감지 환경에서도 안전하게 사용할 수 있습니다.
바코드 기술은 산업 현장에서 데이터를 빠르고 정확하게 입력하기 위해 널리 사용되고 있습니다. 바코드 스캐너는 데이터 수집 시스템의 눈과 같은 역할을 합니다. 스캐너 내부의 광원이 바코드 심볼을 비추면, 막대(bar)는 빛을 흡수하고 공간(space)은 빛을 반사합니다. 광검출기(photodetector)는 이러한 빛을 인쇄된 심볼을 나타내는 전자 신호 패턴의 형태로 수집합니다. 디코더(decoder)는 스캐너로부터 신호를 받아 해당 데이터를 심볼 코드의 문자 데이터 표현으로 변환합니다. 그림 6-31은 컨베이어 라인을 따라 이동하는 박스에 부착된 바코드를 바코드 모듈이 읽는 일반적인 PLC 적용 사례를 보여줍니다. PLC는 바코드에서 읽은 데이터를 기반으로 박스를 적절한 제품 라인으로 분류하는 데 사용됩니다.
Ultrasonic Sensors
초음파 센서는 고주파 음파를 대상물에 향해 송신하고, 그 반사 신호가 되돌아오는 시간을 측정하여 동작합니다. 이 반향 신호가 센서로 돌아오는 데 걸리는 시간은 음속이 일정하기 때문에 대상물의 거리나 높이에 직접적으로 비례합니다. 그림 6-32는 되돌아온 반향 신호를 전기적으로 4~20 mA 출력으로 변환하여 외부 제어 장치에 감시된 유량을 공급하는 실제 적용 예를 보여줍니다. 이 과정의 동작은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
• 4~20 mA는 센서의 측정 범위를 나타냅니다.
• 4 mA 설정점(set point)은 일반적으로 빈 탱크의 하단 근처, 즉 센서로부터 가장 먼 측정 지점에 설정됩니다.
• 20 mA 설정점은 일반적으로 가득 찬 탱크의 상단 근처, 즉 센서로부터 가장 짧은 측정 지점에 설정됩니다.
• 센서는 탱크가 비어 있을 때 4 mA 신호를, 가득 찼을 때 20 mA 신호를 비례적으로 생성합니다.
• 초음파 센서는 고체, 유체, 입상 물질, 섬유를 감지할 수 있으며, 색상이나 투명도와 관계없이 다양한 물체를 감지할 수 있어 투명체 감시에 매우 적합합니다.
Strain/Weight Sensors
스트레인 게이지(strain gauge)는 기계적 변형(strain)을 전기 신호로 변환합니다. 스트레인 게이지는 도체의 저항이 길이와 단면적에 따라 변한다는 원리에 기반합니다. 게이지에 힘이 가해지면 게이지가 휘어지게 되며, 이 휨에 의해 게이지의 물리적 크기가 변화하고 그 결과 저항이 변합니다. 이러한 저항 변화는 게이지의 미세한 저항 변화를 감지하는 브리지 회로(bridge circuit)로 전달됩니다. 스트레인 게이지 방식의 로드셀(load cell)은 일반적으로 강철과 고감도 스트레인 게이지로 제작됩니다. 로드셀에 하중이 가해지면 금속이 아주 미세하게 신장되거나 압축됩니다. 스트레인 게이지는 이 움직임을 감지하여 변화하는 전압 신호로 변환합니다. 로드셀은 다양한 크기와 형태가 있으며, 감도는 수 그램에서 수백만 파운드까지 다양합니다. 스트레인 게이지 기반 로드셀은 그림 6-33과 같은 산업용 계량 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다.
Temperature Sensors
열전대(thermocouple)는 가장 널리 사용되는 온도 센서입니다. 열전대는 서로 다른 두 금속을 접합하면, 열 접점(hot junction)과 냉 접점(cold junction) 사이의 온도 차이와 관련된 예측 가능한 DC 전압이 생성된다는 원리에 따라 동작합니다(그림 6-34). 열 접점(측정 접점)은 온도 측정이 필요한 공정에 노출된 열전대의 접합된 끝부분입니다. 냉 접점(기준 접점)은 기준점을 제공하기 위해 일정한 온도로 유지되는 열전대의 끝입니다. 예를 들어 K형 열전대는 열 접점이 300°C로 가열될 경우 냉 접점에서 12.2 mV를 생성합니다. 열전대는 견고함과 넓은 온도 범위 때문에 산업 현장에서 오븐 및 용광로의 온도를 모니터링하고 제어하는 데 사용됩니다.
Flow Measurement
많은 산업 공정은 유체 흐름을 정확하게 측정하는 데 의존합니다. 유체 흐름을 측정하는 방법은 여러 가지가 있지만, 일반적으로는 유체가 가진 운동 에너지를 다른 측정 가능한 형태로 변환하는 방식을 사용합니다.
터빈형(flowmeter) 유량계는 산업, 화학, 석유 공정에서 액체 제품을 측정하고 제어하는 데 널리 사용되는 방식입니다. 터빈 유량계는 풍차와 유사하게 회전 속도(각속도)를 사용하여 유속을 나타냅니다. 그림 6-35는 터빈 유량계의 동작을 보여줍니다. 기본 구조는 흐름관(flow tube) 내부에 설치된 블레이드가 있는 터빈 로터(rotor)로 구성됩니다. 이 블레이드 로터는 관을 통과하는 액체 유량에 비례하여 축을 중심으로 회전합니다. 자기 픽업 센서(magnetic pickup sensor)는 로터에 최대한 가깝게 위치합니다. 유체가 흐름관을 통과하면서 로터가 회전하고, 이 회전은 픽업 코일(pickup coil)에 펄스를 발생시킵니다. 펄스의 주파수는 판독 전자장치로 전달되어 분당 갤런(gallons per minute) 단위로 표시됩니다.
Velocity and Position Sensors
타코미터 발생기(tachometer generator)는 회전 속도를 아날로그 전압 신호로 변환하여 모터 속도 표시 및 제어 응용에 사용할 수 있는 편리한 장치입니다. 타코미터 발생기는 작은 AC 또는 DC 발전기로서, 회전수(rpm)에 비례하는 출력 전압을 발생시키며, 그 전압의 위상 또는 극성은 로터의 회전 방향에 따라 달라집니다. DC 타코미터 발생기는 일반적으로 영구자석(permanent magnetic)으로 여자됩니다. AC 타코미터 발생기는 일정한 AC 전원을 이용하여 여자됩니다. 두 경우 모두 타코미터의 로터는 부하(load)와 직접 또는 간접적으로 기계적으로 연결됩니다.
그림 6-36은 타코미터 발생기를 사용하여 모터 속도에 비례하는 피드백 전압을 모터 컨트롤러에 제공하는 모터 속도 제어 응용을 보여줍니다. 제어용 모터와 타코미터 발생기는 동일한 하우징 또는 별도의 하우징에 설치될 수 있습니다.
엔코더(encoder)는 직선 또는 회전 운동을 이진 디지털 신호로 변환하는 데 사용됩니다. 엔코더는 위치를 정밀하게 결정해야 하는 응용 분야에서 사용됩니다. 그림 6-37에 나타난 광학식(optical) 엔코더는 광원이 선(line) 또는 슬롯(slot)이 있는 광학 디스크에 빛을 비추고, 이 디스크가 광 센서(optical sensor)로 향하는 빛을 차단하는 방식으로 동작합니다. 전자 회로는 빛의 차단 횟수를 계산하여 엔코더의 디지털 출력 펄스를 생성합니다.
6.7 Output Control Devices
PLC 출력은 다양한 출력 제어 장치를 동작시켜 전통적인 산업 공정을 제어할 수 있습니다. 이러한 장치에는 파일럿 램프(pilot lights), 제어 릴레이(control relays), 모터 스타터(motor starters), 경보(alarms), 히터(heaters), 솔레노이드(solenoids), 솔레노이드 밸브(solenoid valves), 소형 모터(small motors), 혼(horns) 등이 포함됩니다. 릴레이 도면과 PLC 출력 접속도에서는 이러한 장치를 유사한 전기 기호로 표시합니다. 그림 6-38은 다양한 출력 장치에 사용되는 일반적인 전기 기호를 보여줍니다. 이러한 기호들은 보편적으로 사용되지만 제조사에 따라 차이가 있을 수 있습니다.
전기적 의미에서 액추에이터(actuator)는 전기 신호를 기계적 움직임으로 변환하는 모든 장치를 의미합니다. 전자기식 솔레노이드는 전기에너지를 사용하여 자기적으로 기계 제어 동작을 발생시키는 액추에이터입니다. 솔레노이드는 코일(coil), 프레임(frame), 플런저(plunger 또는 암추어 armature)로 구성됩니다. 그림 6-39는 솔레노이드의 기본 구조와 동작을 보여줍니다. 그 동작은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
• 코일과 프레임은 고정된 부분을 형성합니다.
• 코일에 전원이 공급되면 자계(magnetic field)가 생성되어 플런저를 끌어당겨 프레임 내부로 이동시키며, 이로 인해 기계적 동작이 발생합니다.
• 코일이 무전원 상태가 되면 플런저는 중력 또는 솔레노이드 내부의 스프링 조립체에 의해 원래 위치로 돌아갑니다.
• AC 동작 솔레노이드의 프레임과 플런저는 자기장에 의해 유도되는 와전류(eddy currents)를 제한하기 위해 고체 철 대신 적층된 재료로 구성됩니다.
솔레노이드 밸브(solenoid valve)는 솔레노이드에 전류를 흘려 밸브의 상태를 변화시키는 전자기식 장치입니다. 일반적으로 스프링과 같은 기계적 요소가 존재하여 밸브를 기본 위치에 유지합니다. 솔레노이드 밸브는 솔레노이드 코일 구동부와 밸브가 결합된 형태로, 액체, 가스, 증기 및 기타 매체의 흐름을 제어합니다. 전원이 공급되면 밸브는 개방, 차단 또는 흐름 방향 전환을 수행합니다.
Figure 6-40은 일반적인 유체용 솔레노이드 밸브(fluid solenoid valve)의 구조와 동작 원리를 보여줍니다. 그 동작은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
• 밸브 본체(valve body)에는 디스크(disk) 또는 플러그(plug)가 배치되어 유량을 제한하거나 허용하는 오리피스(orifice)가 있습니다.
• 오리피스를 통한 흐름은 솔레노이드 코일(solenoid coil)에 전원이 공급되었는지(energized) 여부에 따라 제한되거나 허용됩니다.
• 코일에 전원이 공급되면 코어(core)가 밸브를 닫습니다
• 코일이 무전원(de-energized) 상태가 되면 스프링에 의해 솔레노이드 코일 내부로 끌려 들어가 밸브를 엽니다.
• 밸브는 반드시 밸브 본체 측면에 표시된 화살표 방향과 흐름 방향이 일치하도록 설치해야 합니다.
스텝퍼 모터(stepper motor)는 전압이 인가되면 지속적으로 회전하는 표준형 모터와는 다르게 동작합니다. 스텝퍼 모터의 축은 적절한 순서로 전기 명령 펄스가 인가될 때 일정한 증가량(step)으로 회전합니다. 한 바퀴 회전은 여러 스텝으로 나뉘며, 각 스텝마다 전압 펄스를 보내야 합니다. 회전량은 펄스 수에 직접 비례하며, 회전 속도는 펄스의 주파수에 따라 결정됩니다. 1도(step)당 회전하는 모터는 한 바퀴 회전에 360개의 펄스가 필요하며, 스텝당 각도는 해상도(resolution)라고 합니다. 스텝퍼 모터는 정지 시 그 위치를 스스로 유지합니다. 스텝퍼 시스템은 대부분 “개루프(open-loop)” 제어 시스템에서 사용되며, 이 경우 컨트롤러는 모터에 몇 스텝을 어떤 속도로 이동할지만 지시하고 모터의 실제 위치는 알지 못합니다.
각 펄스가 만들어내는 움직임은 정확하고 반복 가능하기 때문에 스텝퍼 모터는 부하 위치 제어(load-positioning) 응용에 매우 효과적입니다. 리니어 액추에이터(linear actuator) 내부에서 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 방식은 나사 너트(threaded nut)와 리드 스크류(lead screw)를 사용합니다. 일반적으로 스텝퍼 모터는 1 hp 미만의 출력을 가지므로 저전력 위치 제어 응용에서 자주 사용됩니다. 그림 6-41은 스텝퍼 모터/드라이브 유닛과 전형적인 회전 및 직선 응용 예를 보여줍니다.
모든 서보 모터(servo motor)는 폐루프(closed-loop) 모드로 동작하지만, 대부분의 스텝퍼 모터는 개루프(open-loop) 모드로 동작합니다. 폐루프와 개루프 제어 방식은 그림 6-42에 나타나 있습니다. 개루프 방식은 피드백이 없는 제어로, 예를 들어 컨트롤러가 스텝퍼 모터에 몇 스텝을 어느 속도로 이동할지만 지시하고 실제 위치를 확인하지 않는 방식입니다. 폐루프 방식은 명령된 속도 또는 위치와 피드백된 속도 또는 위치를 비교하여 오차(error)를 줄이기 위해 수정된 명령을 생성합니다. 오차란 요구된 속도 또는 위치와 실제 속도 또는 위치의 차이를 의미합니다.
그림 6-43은 폐루프 서보 모터 시스템을 보여줍니다. 모터 컨트롤러는 증폭기(amplifier)로 속도 또는 위치 명령 신호를 보내 서보 모터 동작을 제어합니다. 위치용 엔코더(encoder)나 속도용 타코미터(tachometer)와 같은 피드백 장치는 서보 모터 내부에 포함되거나 종종 부하에 직접 설치되기도 합니다. 이 장치들은 서보 모터의 위치 및 속도 피드백 정보를 제공하며, 컨트롤러는 이 정보를 프로그램된 동작 프로파일과 비교하여 위치 또는 속도를 조정하는 데 사용합니다.
Figure 6-44에 나타난 모터 정지/기동 회로는 전형적인 실인(자기유지, seal-in) 회로의 예입니다. 이 하드와이어드 회로는 직렬로 연결된 정상닫힘(normally closed) 정지 버튼과 정상열림(normally open) 기동 버튼으로 구성됩니다. 스타터의 실인 보조접점(auxiliary contact)은 기동 버튼과 병렬로 연결되어, 기동 버튼을 놓아도 스타터 코일이 계속 여자(energized)된 상태를 유지하도록 합니다. 이 회로가 PLC에 프로그램될 때에는 모터 스타터가 동작하기 위해 기동 버튼과 정지 버튼이 모두 닫힌 상태인지가 검사됩니다.
그림 6-45는 Allen-Bradley Pico 컨트롤러를 사용하여 구현한 모터 실인 회로의 PLC 배선도를 보여줍니다. 컨트롤러는 래더(ladder) 로직으로 프로그램됩니다. 각 프로그래밍 요소는 Pico 디스플레이를 통해 직접 입력할 수 있습니다. 또한 이 컨트롤러는 개인용 컴퓨터에서 PicoSoft 프로그래밍 소프트웨어를 사용하여 회로를 프로그램할 수도 있습니다.
6.9 Latching Relays
전자식 래칭 릴레이(latching relay)는 코일에서 전원이 제거된 후에도 릴레이가 닫힌 상태를 유지하도록 설계되었습니다. 래칭 릴레이는 코일이 순간적으로만 여자되더라도 접점이 열리거나 닫힌 상태를 유지해야 하는 경우에 사용됩니다. 그림 6-46은 두 개의 코일을 사용하는 래칭 릴레이를 보여줍니다. 래치 코일(latch coil)은 래치를 설정하고 릴레이를 래치된 위치에 유지하기 위해 순간적으로 여자됩니다. 언래치(unlatch) 또는 릴리스(release) 코일은 순간적으로 여자되어 기계식 래치를 해제하고 릴레이를 언래치된 상태로 되돌립니다.
그림 6-47은 전자식 래칭 릴레이의 하드와이어드 제어 회로를 보여줍니다. 이 회로의 동작은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
• 접점은 그림에서 릴레이가 언래치된 상태로 표시되어 있습니다.
• 이 상태에서는 파일럿 램프(pilot light)로 가는 회로가 열려 있으므로 램프는 꺼져 있습니다.
• ON 버튼을 순간적으로 누르면 래치 코일이 여자되어 릴레이가 래치된 위치로 설정됩니다.
• 접점이 닫히면서 파일럿 램프로의 회로가 완성되어 램프가 켜집니다.
• 접점을 닫힌 상태로 유지하고 램프를 계속 켜두기 위해 릴레이 코일을 지속적으로 여자할 필요는 없습니다.
• 램프를 끄는 유일한 방법은 OFF 버튼을 눌러 언래치 코일을 여자시키고 접점을 열려 있는 언래치 상태로 되돌리는 것입니다.
• 전원이 꺼질 경우에도, 전원이 복구되면 릴레이는 기존의 래치 또는 언래치 상태를 그대로 유지합니다.
전자식 래칭 릴레이(latching relay) 기능은 실제 릴레이와 동일하게 동작하도록 PLC에서 프로그래밍할 수 있습니다. SLC 500의 명령어 세트에는 기계식 래치의 동작을 복제하는 출력 명령어가 포함되어 있습니다. 출력 래치(OTL)와 출력 언래치(OTU) 명령어에 대한 설명은 그림 6-48에 제시되어 있습니다. OTL과 OTU 명령어는 반드시 함께 사용해야 한다는 점에서 OTE 명령어와 다릅니다. 래치와 언래치 출력은 동일한 주소를 가져야 합니다. OTL(래치) 명령어는 비트를 켜는 기능만 수행하며, OTU(언래치) 명령어는 비트를 끄는 기능만 수행합니다.
출력 래치와 출력 언래치 코일 명령어의 동작은 그림 6-49의 래더 프로그램에 나타나 있습니다. 그 동작은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
• 래치(L) 코일과 언래치(U) 코일은 동일한 주소(O:2/5)를 가집니다.
• ON 푸시버튼(I:1/0)을 순간적으로 누르면 래치 런(rung)이 참이 되고 래치 상태 비트(O:2/5)가 1로 설정되어 램프 출력이 켜집니다.
• 푸시버튼을 놓아 래치 런의 논리 연속성이 사라져도 상태 비트는 1로 유지됩니다.
• OFF 푸시버튼(I:1/1)을 순간적으로 누르면 언래치 런이 참이 되어 래치 상태 비트(O:2/5)가 0으로 리셋되고 램프는 꺼집니다.
• 푸시버튼을 놓아도 상태 비트는 0으로 유지됩니다.
출력 래치 명령어는 비트 단위 주소를 갖는 출력 명령어입니다. 명령어가 참일 때 출력 이미지 파일의 비트를 설정합니다. 래치 명령어가 거짓이 되어도 비트가 유지되므로 유지형(retentive) 명령어입니다. 대부분의 응용에서는 언래치 명령어와 함께 사용됩니다. 출력 언래치 명령어 또한 비트 단위 주소를 갖는 출력 명령어이며, 참일 때 출력 이미지 파일의 비트를 리셋합니다. 이 명령어 또한 유지형 명령어로, 명령어 조건이 거짓이 되어도 비트는 리셋된 상태로 유지됩니다.
그림 6-50에 제시된 프로세스는 저장 탱크의 수위를 제어하기 위해 배출 펌프를 켜거나 끄는 데 사용됩니다. 동작 모드는 다음과 같이 프로그램됩니다:
OFF 위치 — 펌프가 동작 중이면 정지시키고, 정지 상태이면 기동하지 않습니다.
Manual Mode — 탱크 수위가 Low를 제외한 어떤 지점이든 펌프가 동작합니다.
Automatic Mode — 탱크 수위가 High 지점에 도달하면 펌프가 동작하여 수위를 낮춥니다.
- 수위가 Low 지점에 도달하면 펌프는 정지합니다.
Status 표시 램프 — 펌프 동작 표시 램프(녹색)
- Low 수위 상태 램프(빨간색)
- High 수위 상태 램프(노란색)
그림 6-51은 저장 탱크의 수위 제어를 구현하는 프로그램을 보여줍니다. 래치와 언래치 명령어는 이 프로그램의 일부를 구성합니다. 프로그램의 동작은 다음과 같이 요약됩니다:
• 래치와 주소에는 실제 디스크리트 출력 주소 대신 내부 저장 비트가 사용되며, 두 명령어는 동일한 주소를 가집니다.
• 런 1의 Examine-on 명령어는 OFF/ON 스위치가 OFF(열림) 상태일 때 어떤 조건에서도 펌프 모터가 기동되지 않도록 합니다.
• MAN 모드에서는 런 1의 Examine-on 명령어가 Low 센서 스위치가 닫힌 경우에만 펌프 모터가 동작할 수 있습니다.
• AUTO 모드에서는 High 센서 스위치가 순간적으로 닫히면 런 1의 Examine-on 명령어가 래치 코일을 여자시킵니다. 펌프는 동작을 시작하고, 런 3의 Examine-off 명령어가 Low 센서 스위치를 기준으로 언래치 코일을 여자시키기 전까지 계속 동작합니다.
• 펌프 동작 상태 램프는 모터 출력에 연결된 런 4의 Examine-on 명령어로 제어됩니다.
• Low 수위 상태 램프는 Low 센서 스위치에 연결된 런 5의 Examine-off 명령어로 제어됩니다.
• High 수위 상태 램프는 High 센서 스위치에 연결된 런 6의 Examine-on 명령어로 제어됩니다.
그림 6-52는 Allen-Bradley 모듈형 SLC 500 컨트롤러를 사용하여 구현된 수위 제어 프로그램의 전형적인 I/O 모듈 배선도와 주소 지정 형식을 보여줍니다. 섀시 전원공급장치(chassis power supply)는 비교적 작은 용량을 가지며, PLC 랙의 백플레인(backplane)에 물리적으로 장착된 모든 장치에 DC 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 이 응용에서는 입력 장치에는 24 VDC 필드 전원공급장치(field power supply)가 사용되고, 출력 장치에는 120 VAC 필드 전원공급장치가 사용됩니다. 이를 통해 저전압 24볼트 제어 신호로 240볼트 출력 장치를 제어할 수 있습니다.
SLC 500 컨트롤러는 랙/슬롯 기반 주소 지정 시스템을 사용하며, 랙 내 I/O 모듈의 슬롯 위치가 PLC 주소를 결정합니다. 이 응용에서 사용되는 필드 장치의 주소는 다음과 같습니다:
6.10 Converting Relay Schematics into PLC Ladder Programs
릴레이 도면을 PLC 래더 프로그램으로 개발하는 최선의 접근 방법은 먼저 각 릴레이 래더 런(rung)의 동작을 이해하는 것입니다. 각 런(rung)의 동작을 이해할 때마다 그에 해당하는 PLC 런을 생성할 수 있습니다. 이 과정에는 릴레이 도면, 사용된 다양한 입력 및 출력 장치에 대한 문서, 그리고 필요한 경우 공정의 흐름도를 참고해야 합니다.
대부분의 제어 공정에서는 필요한 출력을 생성하기 위해 여러 작업이 완료되어야 합니다. 제조, 가공, 조립, 포장, 마무리 또는 제품 운송에는 작업의 정확한 조정이 필요합니다. 특정 작업이 특정 순서로 수행되어야 하는 공정에서는 순차 제어(sequential control)가 요구됩니다. 그림 6-53은 병 충전 공정의 일부를 보여줍니다. 충전과 캡 장착 작업은 (1) 병을 채우기, (2) 캡을 눌러 장착하기의 두 작업으로 구성됩니다. 이러한 작업은 올바른 순서로 수행되어야 합니다. 캡을 먼저 장착하고 병을 채우는 것은 불가능합니다. 따라서 이 공정은 순차 제어가 필요합니다.
조합 제어(combination control)에서는 특정 작업이 수행되는 순서와 관계없이 작업이 수행되기만 하면 됩니다. 그림 6-54는 같은 병 충전 공정의 또 다른 부분을 보여줍니다. 여기서 작업은 (1) 라벨 1을 병에 부착하기, (2) 라벨 2를 병에 부착하기입니다. 작업이 수행되는 순서는 중요하지 않습니다. 실제로 순차적이지 않은 공정도 작업의 효율적 순서를 위해 순차적으로 수행되는 경우가 많습니다.
자동 제어(automatic control)는 출력에서 원하는 설정값(set point)을 유지하는 것을 의미합니다. 예로 그림 6-55의 용광로와 같이 특정 설정 온도를 유지하는 경우가 있습니다. 설정값에서 벗어나면 출력과 설정값을 비교하여 오차(error)를 구하고 이를 이용해 보정을 수행합니다. 이를 위해 출력에서 입력 제어로의 피드백이 필요합니다.
단순한 순차 공정을 변환하는 방법은 그림 6-56에 제시된 공정 흐름도를 기준으로 살펴볼 수 있습니다. 순차 작업은 다음과 같습니다:
- 기동 버튼을 누른다.
- 테이블 모터가 기동된다.
- 패키지가 리미트 스위치 위치로 이동하여 자동으로 정지한다.
부가 기능은 다음과 같습니다:
• 패키지가 리미트 스위치 위치에 도달하기 전에 어떠한 이유로도 테이블을 정지시키는 정지 버튼
• 테이블이 정지 상태임을 나타내는 적색 파일럿 램프
• 테이블이 동작 중임을 나타내는 녹색 파일럿 램프
순차 공정에 대한 릴레이 도면은 그림 6-57에 나타나 있습니다. 이 하드와이어드 회로의 동작은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
• 기동 버튼이 눌리면 정지 버튼과 리미트 스위치가 동작되지 않은 경우 CR이 여자된다.
• 접점 CR-1이 닫혀 기동 버튼을 놓아도 CR이 유지된다.
• 접점 CR-2가 열려 적색 파일럿 램프가 꺼진다.
• 접점 CR-3이 닫혀 녹색 파일럿 램프가 켜진다.
• 접점 CR-4가 닫혀 모터 스타터 코일이 여자되어 모터가 기동하고 패키지가 리미트 스위치 방향으로 이동한다.
• 리미트 스위치가 동작하면 릴레이 코일 CR이 무전원 상태가 된다.
• 접점 CR-1이 열려 실인 회로가 열린다.
• 접점 CR-2가 닫혀 적색 파일럿 램프가 켜진다.
• 접점 CR-3이 열려 녹색 파일럿 램프가 꺼진다.
• 접점 CR-4가 열려 모터 스타터 코일이 무전원 상태가 되어 모터가 정지하며 순차 동작이 종료된다.
그림 6-58은 순차 공정의 프로그램 버전에 대한 I/O 접속도를 보여줍니다. 각 입력 및 출력 장치는 해당 기호와 주소로 표시됩니다. 이러한 주소는 어떤 PLC 입력이 어떤 입력 장치에 연결되는지, 그리고 어떤 PLC 출력이 어떤 출력 장치를 구동하는지를 나타냅니다. 주소 코드는 사용되는 PLC 모델에 따라 달라집니다. 이 예에서는 SLC 500의 주소 체계를 사용합니다. 전자식 제어 릴레이 CR은 그 기능이 PLC 내부 제어 릴레이로 대체되므로 필요하지 않다는 점에 유의하십시오.
순차 공정에 대한 하드와이어드 릴레이 도면은 그림 6-59에 나타난 PLC 래더 로직 프로그램으로 변환될 수 있습니다. 공정을 프로그램으로 변환하기 위해서는 각 런(rung)의 동작을 이해해야 합니다. 푸시버튼 PB1, PB2와 리미트 스위치 LS는 모두 원하는 논리 제어를 생성하기 위해 정상닫힘 검사(examine-closed, –] [–) 명령어로 프로그램됩니다. 또한 내부 릴레이 B3:1/0은 제어 릴레이 CR을 대신하여 사용됩니다. 원하는 제어 로직을 얻기 위해 내부 릴레이의 모든 접점은 코일이 무전원 상태일 때에 해당하는 PLC 접점 명령어로 프로그램됩니다. 소프트웨어로 구현되는 내부 릴레이는 하나의 코일 주소를 사용하며, 이 릴레이의 접점은 원하는 만큼 ON 또는 OFF 조건을 검사할 수 있습니다.
하나의 제어 공정에 대해 래더 로직 프로그램을 설계하는 올바른 방법은 하나 이상 존재합니다. 일부 경우에는 메모리 사용량이나 프로그램 스캔 시간 측면에서 더 효율적인 구성이 존재합니다. 그림 6-60은 스캔 시간을 최적화하도록 프로그래밍된 직렬 명령어 배열의 예를 보여줍니다. 직렬 명령어는 거짓(FALSE)이 될 가능성이 가장 높은 것(맨 왼쪽)에서 가장 낮은 것(맨 오른쪽) 순으로 배치됩니다. 프로세서가 직렬 조건에서 거짓 입력 명령어를 발견하면 해당 런 검사 를 중단하고 출력을 거짓(FALSE)으로 설정합니다.
그림 6-61은 스캔 시간을 최적화하도록 프로그래밍된 병렬 명령어 배열의 예를 보여줍니다. 가장 자주 참이 되는 병렬 경로는 런의 최상단에 배치됩니다. 프로세서는 최상단 경로가 거짓일 경우에만 다른 경로를 검사합니다.
그림 6-62는 조그(jog) 제어 릴레이가 포함된 하드와이어드 조그 제어 회로를 보여줍니다. 이 회로의 동작은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:
• 기동(pushbutton) 버튼을 누르면 CR 코일의 회로가 완성되어 CR1과 CR2 접점이 닫힙니다.
• CR1 접점이 M 코일로 가는 회로를 완성하여 모터가 기동합니다.
• M 유지 접점이 닫히며 M 코일 회로가 유지됩니다.
• 조그 버튼을 누르면 M 코일만 여자되어 모터가 기동합니다. 두 CR 접점은 열린 상태를 유지하며 CR 코일은 무전원 상태입니다. 조그 버튼을 놓으면 M 코일은 유지되지 않습니다.
그림 6-63은 하드와이어드 릴레이 조그(jog) 회로와 동등한 PLC 프로그램을 보여줍니다. 제어 릴레이의 기능은 이제 내부 PLC 명령어(B3:1/0)를 사용하여 수행된다는 점에 주목하십시오.
6.11 Writing a Ladder Logic Program Directly from a Narrative Description
대부분의 경우 제어 공정에 대한 서술형 설명만으로도 래더(ladder) 로직 프로그램을 직접 작성할 수 있습니다. 프로그램을 계획하는 단계는 다음과 같습니다:
• 제어해야 하는 공정을 정의한다.
• 공정의 스케치를 그리고, 제어 시퀀스를 수행하는 데 필요한 모든 센서 및 수동 조작 장치를 포함한다.
• 가능한 한 자세하게 운전 단계의 순서를 나열한다.
• PLC 프로그램의 기초가 될 래더 로직 프로그램을 작성한다.
• 공정 시퀀스가 잘못될 수 있는 다양한 시나리오를 고려하고 필요한 조정을 한다.
• 작업자의 안전을 고려하고 필요한 조정을 한다.
다음은 제어 공정에 대한 서술형 설명을 바탕으로 작성된 래더 로직 프로그램의 예입니다.
EXAMPLE 6-1
그림 6-64는 드릴 프레스(drill press)가 가동되기 위해서는 반드시 부품이 존재해야 하며, 동시에 작업자가 두 개의 기동 스위치(start switches)에 각각 한 손을 올려놓아야 하는 드릴링 공정의 스케치를 보여줍니다. 이러한 안전 장치는 작업자의 손이 드릴의 동작 범위 안으로 들어가는 것을 방지하기 위한 것입니다.
동작 순서는 드릴 모터가 동작하기 위해 스위치 1, 스위치 2, 그리고 부품 센서(part sensor)가 모두 활성화되어야 합니다. 그림 6-65는 SLC 500 컨트롤러를 사용하여 이 공정을 구현하는 데 필요한 래더 로직 프로그램을 보여줍니다.
EXAMPLE 6-2
모터가 구동되는 오버헤드 차고문(overhead garage door)은 설정된 열림 및 닫힘 위치까지 자동으로 동작되도록 해야 합니다. 필드 장치는 다음 각 1개씩으로 구성됩니다:
• 상승(up) 및 하강(down) 방향용 역회전 모터 컨택터(reversing motor contactor)
• 문이 완전히 닫혔음을 감지하는 정상닫힘(normally closed) 다운 리미트 스위치
• 문이 완전히 열렸음을 감지하는 정상닫힘 업 리미트 스위치
• 상승 방향용 정상열림(normally open) 도어 업 버튼
• 하강 방향용 정상열림 도어 다운 버튼
• 문을 정지시키기 위한 정상닫힘 도어 정지 버튼
• 문이 부분적으로 열려 있음을 나타내는 적색 도어 열린 상태 경고등(door ajar light)
• 문이 완전히 열렸음을 나타내는 녹색 도어 오픈 램프
• 문이 완전히 닫혔음을 나타내는 황색 도어 클로즈 램프
동작 순서는 다음과 같습니다:
• 업 버튼이 눌리면 업 모터 컨택터가 여자되어 문이 상승하며 업 리미트 스위치가 동작될 때까지 이동합니다.
• 다운 버튼이 눌리면 다운 모터 컨택터가 여자되어 문이 하강하며 다운 리미트 스위치가 동작될 때까지 이동합니다.
• 정지 버튼이 눌리면 모터는 정지합니다.
- 모터는 방향을 바꾸기 전에 반드시 정지해야 합니다.
그림 6-66은 SLC 500 컨트롤러를 사용하여 위의 동작을 구현하는 데 필요한 래더 로직 프로그램을 보여줍니다.
EXAMPLE 6-3
그림 6-67은 연속 충전 공정의 스케치를 보여줍니다. 이 공정에서는 컨베이어를 따라 이동하는 박스가 자동으로 위치 결정되고 충전되도록 해야 합니다.
연속 충전 공정의 동작 순서는 다음과 같습니다:
• 기동 버튼이 순간적으로 눌리면 컨베이어를 기동한다.
• 정지 버튼이 순간적으로 눌리면 컨베이어를 정지한다.
• 공정이 동작 중일 때 운전 상태 램프(run status light)를 점등한다.
• 공정이 정지되었을 때 대기 상태 램프(standby status light)를 점등한다.
• 박스의 오른쪽 모서리가 포토센서(photosensor)에 의해 처음 감지되면 컨베이어를 정지한다.
• 박스가 위치에 있고 컨베이어가 정지된 상태에서 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 열어 박스를 충전한다. 충전은 레벨 센서(level sensor)가 참(true) 상태가 되면 멈춰야 한다.
• 박스가 가득 차면 Full 램프를 점등한다. Full 램프는 박스가 포토센서 영역을 완전히 벗어날 때까지 점등 상태를 유지해야 한다.
그림 6-68은 해당 공정을 구현하는 데 필요한 래더 로직 프로그램을 보여줍니다.
