[PLC 독학] 2일차. PLC의 개요

인트로

 

안녕하세요. 공대아빠입니다.

2일 차입니다. 오늘은 PLC의 개요 공부를 했습니다.

자동화 설비에서는 PLC는 없으면 안 되는 존재였네요.

같이 알아보시죠.

 

 

PLC의 개요

 

PLC의 정의 및 적용분야

PLC의 정의

PLC(Programmable Logic Controller)란, 종래에 사용하던 제어반 내의 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 LSI, 트랜지스터 등의 반도체 소자로 대체시켜, 기본적인 시퀀스 제어 기능에 수치 연산 기능을 추가하여 프로그램 제어가 가능하도록 한 자율성이 높은 제어 장치입니다.
미국 전기 공업회 규격(NEMA: National Electrical Manufactrurers Association)에서는 “디지털 또는 아날로그 입출력 모듈을 통하여 로직, 시퀀싱, 타이밍, 카운팅, 연산과 같은 특수한 기능을 수행하기 위하여 프로그램 가능한 메모리를 사용하고 여러 종류의 기계나 프로세서를 제어하는 디지털 동작의 전자 장치”로 정의하고 있습니다.

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PLC 의 적용 분야

설비의 자동화와 고 능률화의 요구에 따라 PLC의 적용 범위는 확대 되고 있습니다.

특히 공장 자동화 FMS(Flexible Manufacturing System)에 따른 PLC 의 요구는 과거 중규모 이상의 릴레이 제어반 대체 효과에서 현재 고기능화, 고속화의 추세로 소규모 공작 기계에서 대규모 시스템 설비에 이르기까지 적용되고 있습니다.

표 1-1 은 PLC 제어 대상에 따른 적용 분야를 나타낸 것입니다.

 

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PLC의 구조

하드웨어 구조

(1) 전체 구성

PLC는 마이크로프로세서(microprocessor) 및 메모리를 중심으로 구성되어 인간의 두뇌 역할을 하는 중앙처리장치(CPU), 외부 기기와의 신호를 연결시켜 주는 입·출력부, 각 부에 전원을 공급하는 전원부, PLC 내의 메모리에 프로그램을 기록하는 주변 장치로 구성되어 있습니다.

그림 1-1 은 PLC의 전체 구성도를 나타낸 것입니다.

(2) PLC 의 CPU 연산부

PLC의 두뇌에 해당하는 부분으로서 메모리에 저장되어 있는 프로그램을 해독하여 처리 내용을 실행합니다.

이 절차는 매우 빠른 속도로 반복되며 모든 정보는 2 진수로 처리됩니다.

 

(3) PLC의 CPU 메모리

• 메모리 소자의 종류

IC 메모리 종류에는 ROM(Read Only Memory)과 RAM(Random Access Memory)이 있으며 ROM 은 읽기 전용으로, 메모리 내용을 변경할 수 없습니다. 따라서, 고정된 정보를 써넣습니다.

이 영역의 정보는 전원이 끊어져도 기억 내용이 보존되는 불휘발성 메모리입니다.
RAM 은 메모리에 정보를 수시로 읽고 쓰기가 가능하여 정보를 일시 저장하는 용도로 사용되나, 전원이 끊어지면 기억시킨 정보 내용을 상실하는 휘발성 메모리입니다.

그러나 필요에 따라 RAM 영역 일부를 배터리 백업(Battery back-up)에 의하여 불휘발성 영역으로 사용할 수 있습니다.

 

• 메모리 내용

PLC의 메모리는 사용자 프로그램 메모리, 데이터 메모리, 시스템 메모리 등의 3 가지로 구분됩니다.

사용자 프로그램 메모리는 제어하고자 하는 시스템 규격에 따라 사용자가 작성한 프로그램이 저장되는 영역으로, 제어 내용이 프로그램 완성 전이나 완성 후에도 바뀔 수 있으므로 RAM 이 사용됩니다.

프로그램이 완성되어 고정되면, ROM에 써넣어 ROM 운전을 할 수 있습니다.
데이터 메모리는 입·출력 릴레이, 보조 릴레이, 타이머와 카운터의 접점 상태 및 설정값, 현재 값 등의 정보가 저장되는 영역으로 정보가 수시로 바뀌므로 RAM 영역이 사용됩니다.
시스템 메모리는 PLC 제작 회사에서 작성한 시스템 프로그램이 저장되는 영역입니다.

이 시스템 프로그램은 PLC의 기능이나 성능을 결정하는 중요한 프로그램으로, PLC 제작 회사에서 직접 ROM에 써넣습니다.

 

(4) PLC의 입·출력부

PLC의 입·출력부는 현장의 외부 기기에 직접 접속하여 사용합니다.

PLC 내부는 DC+5V의 전원(TTL 레벨)을 사용하지만 입·출력부는 다른 전압 레벨을 사용하므로 PLC 내부와 입·출력의 접속(Interface)은 시스템 안정에 결정적인 요소가 됩니다.

PLC의 입·출력부는 다음의 사항이 요구됩니다.

• 외부 기기와 전기적 규격이 일치해야 합니다..
• 외부 기기로부터의 노이즈가 CPU 쪽에 전달되지 않도록 해야 합니다. [포토 커플러(Photocoupler) 사용]
• 외부 기기와의 접속이 용이해야 합니다..
• 입출력의 각 접점 상태를 감시할 수 있어야 합니다. (LED 부착) 입력부는 외부 기기의 상태를 검출하거나 조작 Panel을 통해 외부 장치의 움직임을 지시하고 출력부는 외부 기기를 움직이거나 상태를 표시합니다.

입·출력부에 접속되는 외부 기기 예는 표 1-2와 같습니다.

 

가) 입력부

외부 기기로부터의 신호를 CPU의 연산부로 전달해 주는 역할을 합니다.

입력의 종류로는 DC 24 [V], AC110 [V] 등이 있고, 그 밖의 특수 입력 모듈로는 아날로그 입력(A/D) 모듈, 고속 카운터( High Speed Counter) 모듈 등이 있습니다.

그림 1-2는 입력부 회로의 예를 나타내었습니다.

 

나) 출력부

내부 연산의 결과를 외부에 접속된 전자 접촉기나 솔레노이드에 전달하여 구동시키는 부분입니다.

출력의 종류에는 릴레이 출력, 트랜지스터 출력, SSR(Solid State Relay) 출력 등이 있고, 그 밖의 출력 모듈로는 아날로그 출력(D/A) 모듈, 위치 결정 모듈 등이 있습니다.

트랜지스터 출력부 회로의 예는 그림 1-3과 같습니다.

 

출력 모듈을 출력 신호와 개폐 소자에 따라 분류하면 표 1-3 과 같습니다.

표 1-3 에서와 같이 릴레이 출력은 직류와 교류 모두 사용할 수 있으나, 기계적 수명의 한계 때문에 접점의 개폐가 빈번할 경우는 교류 전원 전용인 무접점 SSR 출력이나 직류전원 전용인 트랜지스터 출력을 사용하는 것이 좋습니다.

 

소프트웨어 구조

(1) 하드 와이어드와 소프트 와이어드

종래의 릴레이 제어 방식은 일의 순서를 회로도에 전개하여 그곳에 필요한 제어 기기를 결합하여 리드선으로 배선 작업을 해서 요구하는 동작을 실현합니다.

이 같은 방식을 하드 와어어드 로직(Hardwired Logic)이라고 합니다.
하드와이어드 로직 방식에서는 하드웨어(기기)와 소프트웨어가 한 쌍이 되어 있어, 사양이 변경되면 하드웨어와 소프트웨어를 모두 변경해야 하므로, 여러 가지 문제를 발생시키는 원인이 됩니다.

따라서, 하드웨어와 소프트웨어를 분리하는 연구 끝에 컴퓨터 방식이 개발되었습니다.

컴퓨터는 하드웨어(Hardware)만으로는 동작할 수 없습니다.

하드웨어 속에 있는 기억 장치에 일의 순서를 넣어야만 비로소 기대되는 일을 할 수가 있습니다.

이 일의 순서를 프로그램이라 하며, 기억 장치인 이 메모리에 일의 순서를 넣는 작업을 프로그래밍이라 합니다.
이는 마치 배선작업과 같다고 생각하면 됩니다.

이 방식을 소프트와이어드 로직(Softwired Logic)이라 하며, PLC는 이 방식을 취하고 있습니다.

(2) 릴레이 시퀀스와 PLC 프로그램 차이점

PLC 는 LSI 등 전자 부품의 집합으로 릴레이 시퀀스와 같은 접점이나 코일은 존재하지 않으며, 접점이나 코일을 연결하는 동작은 소프트웨어로 처리되므로 실제로 눈에 보이는 것이 아닙니다.
또, 동작도 코일이 여자 되면 접점이 닫혀 회로가 활성화되는 릴레이 시퀀스와는 달리 메모리에 프로그램을 기억시켜 놓고 순차적으로 내용을 읽어서 그 내용에 따라 동작하는 방식입니다.
PLC 제어는 프로그램의 내용에 의하여 좌우됩니다. 따라서 사용자는 자유자재로 원하는 제어를 할 수 있도록 프로그램의 작성 능력이 요구됩니다.

(가) 직렬 처리와 병렬 처리

PLC 시퀀스와 릴레이 시퀀스의 가장 근본적인 차이점은 그림 1-5에 나타낸 것과 같이 “직렬 처리”와 “병렬 처리”라는 동작상의 차이에 있습니다.

PLC는 메모리에 있는 프로그램을 순차적으로 연산하는 직렬 처리 방식이고 릴레이 시퀀스는 여러 회로가 전기적인 신호에 의해 동시에 동작하는 병렬 처리 방식입니다. 따라서 PLC 는 어느 한순간을 포착해 보면 한 가지 일 밖에 하지 않습니다.

먼저 그림 1-6(a)의 시퀀스도로 PLC와 릴레이의 동작상의 차이점을 설명합니다. 릴레이 시퀀스에서는 전원이 투입되어 접점 A와 B, 그리고 접점 D와 E 가 동시에 닫히면, 출력 C 와 F는 ON 되고, 어느 한쪽이 빠를수록 먼저 동작합니다..
이에 비하면 PLC는 연산 순서에 따라 C 가 먼저 ON 되고 다음에 F 가 ON 됩니다.

PLC와 릴레이의 동작상의 차이점을 그림 1-6(b)의 경우에서 살펴보면 먼저 릴레이 시퀀스에서는 전원이 투입되면 점점 J 가 닫힘과 동시에 H 가 ON 되어 출력 I는 동작될 수 없습니다.
PLC는 직렬 연산 처리되므로 최초의 연산 때 G 가 닫히면 I 가 ON 되고 J 가 닫히면 H가 ON 됩니다. H 가 ON 되면 b 접점 H에 의해 I는 OFF 됩니다.

 

(나) 사용 접점 수의 제한

릴레이는 일반적으로 1 개당 가질 수 있는 접점 수에 한계가 있습니다.
따라서 릴레이 시퀀스를 작성할 때에는 사용하는 접점 수를 가능한 한 줄여야 합니다.
이에 비하여 PLC는 동일 접점에 대하여 사용 횟수에 제한을 받지 않습니다.
이는 동일 접점에 대한 정보(ON/OFF)를 정해진 메모리에 저장해 놓고, 연산할 때 메모리에 있는 정보를 읽어서 처리하기 때문입니다.

(다) 접점이나 코일 위치의 제한

PLC 시퀀스에는 릴레이 시퀀스에는 없는 약속 사항이 있습니다.
그중 하나는 코일 이후 접점을 금지하는 사항입니다. 즉, PLC 시퀀스에서는 코일을 반드시 오른쪽 모선에 붙여서 작성해야 합니다.
또, PLC 시퀀스에서는 항상 신호가 왼쪽에서 오른쪽으로 전달되도록 구성되어 있습니다.
따라서, PLC 시퀀스는 릴레이 시퀀스와는 다르게 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르는 회로나, 상하로 흐르는 회로 구성을 금지하고 있습니다.

 

PLC 시퀀스의 약속 사항을 그림 1-7에 나타낸다.

 

CPU 연산처리

연산 처리 방법

입력 Refresh 후 프로그램 0번 스텝부터 END까지 수행하고 , 자기 진단 후 출력 Refresh를 수행하게 됩니다.
이후 다시 입력 Refresh부터 같은 동작을 반복 수행하게 됩니다.

(1) 입력 Refresh

프로그램을 수행하기 전에 입력 Unit에서 입력 Data 를 Read 하여 Data Memory 의 입력용 영역(P)에 일괄 저장합니다.

(2) 출력 Refresh

프로그램 수행 완료 후 Data Memory 의 입력용 영역(P)의 Data 를 출력 Unit 에 일괄 출력합니다

(3) 즉시 입출력 명령을 사용한 경우 (IORF)

명령에서 설정된 입출력 카드에 대하여 프로그램 실행 중 입출력을 Refresh 합니다.

(4) 출력의 OUT 명령을 실행한 경우

Sequence Program의 연산 결과를 Data Memory의 출력용 영역(P)에 저장하고 END 명령 수행 후 출력 Refresh에 해당 접점을 ON 또는 OFF 시킵니다.

 

Remark

1 Scan : 프로그램을 수행하기 전에 입력 Unit에서 입력 Data 를 Read 하여 Data Memory 의 입력용 영역(P)에 일괄 저장 후 프로그램 0 번 Step 부터 END 까지 수행하고 자기진단, Timer, Counter 등의 처리를 한 후 Data Memory 의 입력용 영역(P)의 Data 를 출력 Unit 에 일괄 출력하는 일련의 동작.

 

PLC의 동작원리

PLC는 사용자의 프로그램에 의하여 본체에 연결된 외부 입출력기기를 제어합니다.
따라서 정확한 동작을 위해서는 입출력기기의 올바른 배선과 프로그램 및 PLC 제어 특성에 대하여 이해해야 합니다.

PLC 프로그래밍 언어

현재 사용 중인 프로그래밍 언어로 니모닉(Mnemonic), 래더(Ladder), SFC(Sequential Function Chart)등이 있습니다.
MASTER-K PLC는 니모닉(Mnemonic), 래더(Ladder)의 2 가지 언어를 제공하며, 상호 호환(Conversion)이 가능합니다.

(1) 니모닉 (Mnemonic)

어셈블리 언어 형태의 문자 기반 언어로 휴대용 프로그램 입력기(Handy Loader)를 이용한 간단한 로직의 프로그래밍에 주로 사용됩니다.

(2) 래더 (Ladder) : 사다리도

사다리 형태로 전원을 생략하여 로직을 표현하는 릴레이 로직과 유사한 도형 기반의 언어로, 현재 가장 널리 사용되고 있습니다.

 

PLC 동작 이해

1) PLC 기본 약호(명령어)

릴레이 로직과 유사한 형태의 스위치 형태의 입력과 출력 코일이 있습니다.

 

2) 기초 용어 정의

 

• 점(Point)

입력 8 점, 출력 6 점의 PLC는 스위치나 센서 등 입력기기를 최대 8 개, 램프나 릴레이 등 출력기기를 6 개를 연결할 수 있습니다. PLC의 입출력 용량을 표시할 때 사용합니다.

 

• 스텝(Step)

PLC 명령어의 최소 단위로 A 접점, B 접점, 출력 코일 등의 명령이 1 스텝에 해당하는 명령이고 기타 응용 명령어의 경우 하나의 명령어가 다수의 스텝을 점유합니다.

프로그램 용량 및 CPU 속도를 표시하는 단위로 사용됩니다.(용량: 30k step, 속도:sec/Step )

 

• 스캔 타임(Scan Time)

사용자 작성 프로그램의 1 회 수행에 걸리는 시간을 의미합니다. 스텝수가 많은 프로그램의 경우 스캔 타임은 증가합니다.

 

• WDT(Watch Dog Timer)

프로그램 연산 폭주나 CPU 기능 고장에 의하여 출력을 하지 못할 경우 설정한 시간(WDT) 대기 후 에러를 발생시키는 시스템 감시 타이머입니다. 기본 200ms로 설정되어 있으며 파라미터 지정에 의해 변경시킬 수 있습니다.

 

• 파라미터(Parameter)

프로그램과 함께 PLC에 저장되는 운전 데이터로 통신, 시스템 환경 등을 지정합니다.

 

 

3) PLC 기본 동작 이해

그림은 PLC 기본 구성을 간략화한 것으로 외부 접점과 PLC 연산 관계에 대하여 설명합니다.

(1) 시스템 구성 원리

점선 내부는 PLC의 CPU에 저장되어 동작되는 프로그램으로 프로그램 Loader ( KGL-WIN, Handy Loader )를 이용하여 입력하면 됩니다.
입력단자와 COM 단자 사이에 DC24V를 인가해 주면 입력이 형성됩니다.
출력 단자와 COM 단자 사이에 부하(LAMP)를 연결하고 부하 구동전원을 연결하면 됩니다.
(DC 부하일 경우 부하 구동전원은 DC 전원이 됩니다.)

 

◈ PLC 동작 예

 

 

 

◈ 자기 유지 회로 동작 이해

일시적인 스위치 입력(P00)에 의해서 지속적 램프 출력(P10)을 유지하는 회로입니다.

 

 

 

 

마무리

 

오늘은 PLC의 개요 중 PLC의 정의, PLC의 구조, CPU 연산처리, PLC의 동작원리에 대해 공부했습니다.

첫날인데 너무 무리한 듯싶네요.

내일은 PLC 장비에 대해서 알아보겠습니다.

 

포스팅 읽어주셔서 감사합니다.

즐거운 하루 보내시고요, 공감과 구독은 저에게 동기부여가 됩니다.