본문내용
1. PLC(프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러)
1.1. PLC의 개념
PLC(프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러)는 프로그램을 통해 기계 장치를 정해진 순서와 조건에 따라 자동적으로 동작하게 하는 자동화 시스템의 핵심 제품이다. PLC는 컴퓨터 기반의 제어 장치로서 기존 제어반 내의 릴레이, 타이머, 카운트 등의 기능을 반도체 소자로 대체하여 프로그래밍이 가능한 것이 특징이다.
PLC는 조작반의 누름 스위치, 기계설비의 리미트 스위치 등의 입력신호에 따라 모터나 표시기 등의 출력기기를 제어한다. 입력신호에 따른 출력신호의 출력방식은 PLC에 이미 저장된 프로그램에 의해 결정된다. 즉, PLC는 컴퓨팅 기능을 통해 공정 내 자동화 제어 및 모니터링 기능을 수행하는 제어 장치인 것이다.
PLC는 다양한 산업 현장에서 활용되고 있다. 공장 자동화, 로봇 공학, 물류 자동화, 건물 자동화 등 다양한 분야에서 PLC를 이용하여 제어 시스템을 구축하고 있다. 이는 PLC가 프로그램의 변경이 용이하고, 신뢰성이 높으며, 유지보수가 용이하다는 장점 때문이다.
1.2. PLC의 특징
PLC(프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러)의 특징은 다음과 같다.
PLC(Programmable Logic Controller)는 시퀀스 제어, 모션 제어, PID 제어 등 다양한 제어를 수행할 수 있는 컴퓨터 기반의 제어 장치이다. PLC는 기존의 릴레이 제어 방식에 비해 프로그램의 변경이 쉽고, 신뢰성이 높으며, 유지보수가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 이점으로 인해 PLC를 이용한 자동제어는 다양한 산업 현장에서 활용되고 있다. 공장 자동화, 로봇 공학, 물류 자동화, 건물 자동화 등 다양한 분야에서 PLC를 이용하여 제어 시스템을 구축하고 있다.
PLC를 이용한 자동제어의 주요한 장점은 다음과 같다. 첫째, 프로그램의 변경이 용이하다. PLC는 컴퓨터 기반의 제어 장치이기 때문에 기존의 릴레이 제어 방식에 비해 프로그램의 변경이 쉽다. 둘째, 신뢰성이 높다. PLC는 고장 발생 가능성이 적어 신뢰성이 높다. 셋째, 유지보수가 용이하여 비용 절감 효과가 있다.
PLC는 입력 장치(스위치 및 센서)와 출력 장치(모터 및 밸브)를 제어하는 데 사용되며, 타이머 및 카운터와 같은 다양한 기능을 수행할 수 있다. 이를 통해 다양한 산업 프로세스를 자동화할 수 있다. 예를 들어, PLC는 공장에서 기계의 작동 제어, 발전소에서 전기 생산을 제어하는 등 산업 자동화에서 중요한 도구로 활용된다.PLC는 컴퓨터 기반의 제어 장치로서 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
첫째, 프로그램의 변경이 용이하다. 기존의 릴레이 제어 방식에 비해 PLC의 프로그램 변경이 간단하다. 이를 통해 제어 로직의 수정이나 추가가 용이하다.
둘째, 신뢰성이 높다. PLC는 고장 발생 가능성이 낮아 안정적인 작동이 가능하다. 유접점 방식의 릴레이 제어에 비해 PLC는 기계적 부품의 움직임이 없어 내구성이 뛰어나다.
셋째, 유지보수가 용이하다. PLC는 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 소프트웨어로 구현하므로 하드웨어 교체 없이 프로그램 수정만으로 제어 시스템의 변경이 가능하다. 이는 유지보수 비용을 절감시킨다.
넷째, 고속 처리가 가능하다. PLC의 연산 주기는 수 밀리초~수십 밀리초 수준으로 릴레이 제어 방식보다 빠르다. 이를 통해 실시간 제어가 가능하다.
다섯째, 소형 및 표준화가 가능하다. PLC는 반도체 소자를 활용하여 크기를 소형화할 수 있으며, 제품의 표준화로 다양한 용도에 적용할 수 있다.
여섯째, 제어 내용 변경이 용이하다. PLC 프로그램의 수정만으로 제어 내용을 간단히 변경할 수 있다. 대폭적 변경 시에도 추가 유닛 장착으로 대응할 수 있다.
일곱째, 제작 기간이 짧다. PLC 사용으로 배선 작업이 간소화되고, 프로그래밍과 제어반 제작을 병행할 수 있어 제작 기간을 단축할 수 있다.
이처럼 PLC는 기능 다양성, 신뢰성, 유지보수성, 처리 속도, 소형화 등의 장점을 가지고 있어 산업 현장에서 폭넓게 활용되고 있다.
1.3. PLC의 유형
1.3.1. 자동화
1.3.1.1. 자동화의 3요소
자동화의 3요소는 센서, 제어기, 구동기이다.
센서는 제어 대상의 상태를 검출하여 전기신호로 변환하는 역할을 한다. 센서는 온도, 압력, 이송거리 등 제어 대상의 물리량을 감지하여 제어기로 신호를 보낸다. 제어기는 센서로부터 입력된 신호를 처리하여 구동기를 제어한다. 제어기는 대개 프로그래밍이 가능한 PLC가 사용되며, 센서 신호를 종합적으로 판단하여 적절한 제어 출력을 구동기로 보낸다. 구동기는 제어기의 제어 신호에 따라 실제 제어 대상을 움직이는 역할을 한다. 모터, 실린더, 솔레노이드 등이 대표적인 구동기이다.
이처럼 센서, 제어기, 구동기가 상호 유기적으로 작용하여 자동화 시스템을 구성한다. 센서가 제어 대상의 상태를 감지하고, 제어기가 이를 바탕으로 판단하여 구동기를 제어함으로써 자동화가 실현되는 것이다.
1.3.1.2. 자동화 5대 요소
자동화 5대 요소는 센서, 구동기, 제어기, 정보처리장치, 제어시스템으로 구성된다.
센서는 외부로부터 물리량을 감지하여 전기신호로 변환하는 역할을 한다. 온도, 압력, 위치, 속도 등 다양한 물리량을 감지할 수 있다. 구동기는 제어기의 지령에 따라 작업 대상을 움직이는 역할을 한다. 모터, 솔레노이드, 실린더 등이 대표적이다. 제어기는 센서로부터 입력받은 정보를 바탕으로 구동기를 제어한다. PLC, 마이크로프로세서 등이 제어기의 역할을 한다. 정보처리장치는 제어를 위한 프로그램을 실행하며, 데이터를 수집 및 처리한다. 컴퓨터, 플로그래밍 장치 등이 이에 해당한다. 제어시스템은 이러한 요소들이 유기적으로 결합된 전체 시스템으로, 자동화 제어를 실현한다.
이처럼 자동화를 위해서는 센서, 구동기, 제어기, 정보처리장치, 제어시스템이 필수적인 요소이다. 이들이 유기적으로 작동함으로써 생산성 향상, 품질 개선, 에너지 절감 등의 자동화 효과를 거둘 수 있다.
1.3.1.3. 생산 공장 사용 예시
생산 공장에서의 PLC 활용 사례는 다양하다. 공장 자동화와 FMS(Flexible Manufacturing System)에 따라 PLC의 사용 범위가 점점 확대되고 있다. 특히 PLC는 공장 설비의 중앙 제어 및 감시 역할을 담당하면서 4차 산업혁명의 핵심인 스마트 공장의 근간이 되고 있다.
대표적인 PLC 적용 사례로는 다음과 같다. 제분소에서는 PLC를 활용하여 원료 취급, 계량, 혼합, 후처리, 폐수처리, 배관 제어 등을 자동화한다. 제지공장에서는 배치 다이제스트, 칩 취급, 코팅, 래핑/스태핑 공정을 PLC로 제어한다. 식품가공업의 경우 원료 취급, 양조, 증류, 혼합, 컨테이너 취급, 포장, 주유, 계량, 후처리, 분류, 컨베이어, 적재, 선적, 하역, 창고 입출고 등을 PLC로 자동화한다.
화학 및 섬유 산업에서는 배치 프로세서, 원료 취급, 계량, 혼합, 후처리, 폐수처리, 배관 제어 등을 PLC로 수행한다. 유리/필름 공정에서는 경화, 후처리, 포장, 원료 취급 등을 PLC로 제어한다. 자동차 제조 공장에서는 에너지 수급, 선반 가공, 컨베이어, 결속기, 밀링, 그라인딩, 보링, 기중기, 도금, 용접, 주조 공정 등을 PLC로 자동화한다.
광산, 금속, 제지/목재 산업에서도 PLC를 활용하여 원료 컨베이어, 광석 프로세서, 선-하적, 폐수관리, 용광로 제어, 연속식 주물, 밀링 가공, 압착, 배치 다이제스트, 칩 취급, 코팅, 래핑/스태핑 등의 공정을 자동화한다.
이처럼 PLC는 제분, 제지, 식음료, 화학, 섬유, 유리, 자동차, 광산, 금속, 목재 등 사실상 모든 산업 분야에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있다. PLC는 제어 대상의 자동화와 고능률화에 크게 기여하면서 산업 전반의 생산성 향상에 핵심적인 역할을 하고 있다.
1.3.2. 프로그래밍 언어
1.3.2.1. 릴레이 PLC
릴레이 PLC는 가장 기본적인 유형의 PLC로 릴레이를 사용하여 장비를 제어한다. 릴레이는 전자기적 스위치로, 전기 회로를 열고 닫아 전기 신호를 제어할 수 있다. 릴레이 PLC는 이러한 릴레이의 동작을 이용하여 프로그래밍을 통해 자동화된 제어를 구현한다.
릴레이 PLC의 구조는 일반적으로 중앙처리장치(CPU), 메모리, 입출력 모듈, 전원 공급 장치로 구성된다. CPU는 프로그램을 실행하고 입출력 데이터를 처리하며, 메모리는 프로그램과 데이터를 저장한다. 입출력 모듈은 센서, 스위치 등의 입력 신호를 받아들이고 모터, 램프 등의 출력 신호를 제어한다. 전원 공급 장치는 PLC 내부 회로에 필요한 전원을 공급한다.
릴레이 PLC의 동작은 다음과 같다. 먼저 입력 장치로부터 입력 신호를 받으면 CPU가 이를 처리하여 프로그램에 따른 출력 신호를 생성한다. 그리고 출력 모듈을 통해 실제 출력 장치를 제어하게 된다. 이러한 과정을 지속적으로 반복하면서 전체 시스템을 자동화할 수 있다.
릴레이 PLC는 주로 간단한 제어 시스템에 적용되며, 제어 논리가 복잡하지 않은 경우에 적합하다. 릴레이 PLC는 구조가 단순하고 비용이 저렴하다는 장점이 있지만, 제어 능력이 제한적이며 유지보수가 어렵다는 단점이 있다.
최근에는 더 복잡한 제어 기능을 요구하는 산업 현장의 needs에 따라 마이크로프로세서 기반의 PLC가 보편화되고 있다. 하지만 여전히 간단한 제어 시스템에서는 릴레이 PLC가 널리 사용되고 있다.
1.3.2.2. 마이크로프로세서 PLC
마이크로프로세서 PLC는 릴레이 PLC보다 더 복잡한 유형의 PLC로, 마이크로프로세서를 사용하여 장비를 제어한다. 이 PLC 유형은 릴레이 PLC보다 더 다양한 기능을 수행할 수 있으며, 특히 프로그래밍이 보다 복잡한 애플리케이션에 사용된다.
마이크로프로세서 PLC는 2개 이상의 마이크로프로세서로 구성되어 있다. 주 프로세서는 프로그램 스캔, 입출력 제어, 연산과 같은 기본적인 PLC 기능을 수행한다. 부 프로세서는 복잡한 알고리즘 수행, 고속 통신, 고정밀 위치 제어 등 더 고도화된 기능을 처리한다.
이와 같은 구조를 통해 마이크로프로세서 PLC는 릴레이 PLC에 비해 더 고성능의 제어 기능을 제공할 수 있다. 특히 고속 데이터 처리, 정교한 모션 제어, 복잡한 제어 로직 등을 수행할 수 있다. 따라서 고속 생산 라인, 로봇 제어, 공정 자동화 등 까다로운 제어가 필요한 분야에 주로 사용된다.
하지만 마이크로프로세서 PLC는 구조가 복잡하고 프로그래밍이 어려워 설치와 유지보수에 더 많은 전문성이 요구된다. 또한 가격이 릴레이 PLC에 비해 비싼 편이다.
1.3.2.3. 컴팩트 PLC
컴팩트 PLC는 가장 작은 유형의 PLC로, 일반적으로 제어 캐비닛에 설치된다. 컴팩트 PLC는 기존의 릴레이 제어 방식에 비해 프로그램의 변경이 쉽고, 신뢰성이 높으며, 유지보수가 용이하다는 장점을 가지고 있다.
컴팩트 PLC는 주로 소규모 자동화 시스템에 적용되며, 제한된 입출력 점수와 최소한의 기능을 제공한다. 이러한 특성으로 인해 컴팩트 PLC는 가격이 저렴하고, 설치 및 운영이 간편하다. 다만, 대규모 시스템을 제어하기에는 한계가 있다.
컴팩트 PLC는 주로 단일 기계나 공정 제어에 사용되며, 범용 PLC에 비해 기능이 다소 제한적이다. 하지만 최근 들어 컴팩트 PLC의 성능 향상과 기능 확대로 인해 보다 다양한 분야에서 활용되고 있다.
예를 들어, 소규모 공장 자동화, 건물 자동화, 농업 자동화 등의 분야에서 컴팩트 PLC가 널리 사용되고 있다. 이는 컴팩트 PLC가 제공하는 소형화, 저가격, 에너지 효율성 등의 장점이 이러한 분야에 적합하기 때문이다.
향후 컴팩트 PLC 기술의 발전으로 인해 더욱 다양한 용도로 활용될 것으로 전망된다. 특히 IoT 기술과의 융합을 통해 원격 모니터링 및 제어 기능이 강화되어 스마트 팩토리, 스마트 홈 등의 구현에 기여할 것으로 기대된다.
1.3.2.4. 래더 다이어그램
래더 다이어그램은 프로그래밍 가능 제어기의 언어이다. 래더 다이어그램은 논리 AND 연산자의 직렬회로나 논리 OR의 병렬회로에 분석이 용이하다. 래더 다이어그램은 릴레이 접점을 사각형 코일로 표시하고, 접점은 수직으로 연결된 선으로 표현한다. 접점의 상태를 변화시키는 동작은 코일로 표현된다. 이러한 표현법은 전기 회로도와 유사하여 이해가 쉽다. 래더 다이어그램은 PLC 프로그램에서 가장 일반적으로 사용되는 언어이다. 가장 널리 쓰이는 이유는 전기 회로도와 유사한 구조로 전기계전문가나 기술자가 이해하기 쉽기 때문이다. 또한 순차제어나 논리제어에 적합한 언어 구조를 갖고 있다. ...
