전기의 흐름을 물의 흐름에 비유해서, 그림과 같이 수조A에 물을 채우면 높은 위치에 있는 물은 낮은 위치에 있는 물보다 위치 에너지가 크기 때문에 수위가 높은 수조A에서 수위가 낮은 수조B를 향하여 물이 흐른다.
전기의 흐름인 전류도 이와 같다. 수위에 해당하는 것이 전위이고, 그림과 같이 A.B양 대전체 사이에 전위 차이가 있으면, 이것을 전선으로 연결하면 전류는 전위가 높은 +의 대전체 A에서 전위가 낮은 -대전체 B쪽으로 흐른다.
이 +대전체 A와 -대전체 B사이에 있는 전위의 차, 즉 전위차를 전압이라고 한다. 즉 전기의 압력에 의해 물질을 형성하는 원자 내의 자유 전자가 이동하여 전류가 흐르는 것이다. 이 전류를 흐르게 하는 전기의 압력을 전압이라 할 수 있다.
전압이란 두 점간의 전위차를 말하며, 1쿨롬의 +전기가 갖는 위치 에너지를 말한다. 전압을 측정하는 단위로는 볼트(V)가 쓰인다.
그리고 1쿨롬의 전기량이 두 점간을 이동하여 1줄(Joule=힘의양의 단위)의 일을 할 때, 그림과 같이 두 점간의 전압을 1볼트라고 한다.
전압은 대지를 기준으로 하여 측정한다.
한라산의 높이는 해발 1,950m라고 한다. 이것은 해면에서 계측한 높이이다. 이와 같이 높이를 계측하려면 먼저 기준을 정하고 거기에서 길이의 단위를 사용하여 계측한다. 전위도 이와 같이 어떤 기준을 정해야 한다. 그 기준으로서 지구, 즉 대지를 이용하는 것이다. 이 대지를 0볼트로 하고 대지와의 전위의 차를 일반적으로 전압이라 한다.
예컨대 전압이 100볼트라는 것은, 대지 즉 접지에 대하여 100볼트의 전위차가 있다는 것을 말한다.
필드 기기 근처에서 사람이 기기의 작동상황을 직접 확인하면서 기기를 조작하는 것이 아니라, 특정위치에서 필드의 기기를 직접 디지털값으로 제어할 수 있는 시스템
DDC와 PLC는 거의 같은 것 이라고 할 수 있음.
2개의 가장 큰 차이점은 프로토콜의 개방성, 폐쇄성에 있음.
PLC는 어떤 사람도 제어프로그램을 쉽게 구할 수 있고, 타 기기와 간단한 작업만으로도 기기간 통신의 연결이 가능,
그러나 DDC는 상당히 폐쇄적, A라는 메이커의 B라는 시스템은 절대로 C회사의 시스템과는 서로 연결할 수 없고, 같은 회사의 두가지 다른 기종의 시스템도 서로 연결이 불가능 한 경우가 많음.
DDC의 최대 강점은 현장여건에 맞게 기능을 패키지화 할 수 있다는 것
1-2 PLC등장
자동화를 위한 시퀀스 제어의 초기 단계에서는 릴레이가 주로사용
반도체 기술의 발전과 함께 무접점 회로가 사용되면서 유접점회로는 비교적 단순하고 저렴한 장점을 가지고 있으나 수명에 한계가 있고, 제어 환경의 변화시 모든 회로를 다시 만들어야 하는 단점으로 인하여 사용이 축소, 무접점 시퀀스가 이를 대신하게 됨.
그러나 이와 같은 시퀀스제어는 현장의 기계에 연결하여 동작을 확인하기 전까지는 프로그램의 확정이 어려우며, 이로 인한 현장에서의 수정변경이 많아지게 되고, 다품종 소량생산 및 생산기술의 발전으로 인해 시스템의 변경이 빈번해 짐에 따라 결선의 변경이나 시스템 전체의 재 제작이 이루어져야 하는 구조적 결점을 가지고 있어서,
1969년 GM은 자동차 조립라인에 사용할 새로운 제어장치를 구매하기 위하여 제어장치가 구비해야 할 10가지 조건을 명시한 것이 PLC의 출현 동기가 됨
이와같은 10가지 조건을 충족시키기 위해 마이크로프로세스 기능을 갖춘 새로운 형태의 제어기가 미국의 알렌브레들리(AB)나 모디콘사에 의해 1969년 부터 개발 됨, 70년 중반에는 여러개의 프로세스를 사용한 PLC가 등장하고, 원격 입/출력 모듈도 등장 함
PLC: 논리연산, 순서조작, 시한, 계수 및 산술연산 등의 제어동작을 실행시키기 위해 제어 순서를 일련의 명령어 형식으로 기억하는 메모리를 가지고, 이 메모리의 내용에 따라 기계와 프로세스의 제어를 디지털 또는 아날로그 입,출력을 통하여 행하는 디지털 조작형의 공업용 전자장치
*변수(variable): 변하는 수 , 상수(constant): 항상 같은 수 즉 변하지 않는 수,
1-4 PLC구성
CPU(중앙처리장치), 센서나 스위치로부터 신호를 입력받는 입력부, 제어대상에 제어신호를 출력하는 출력부,
시퀀스 프로그램을 저장하는 기억부, PLC의 각 부분에 전원을 공급하는 전원부
1-5 PLC의 분류
크기와 형태에 의하여 블록타입, 모듈타입 으로 분류 되고, 대부분 블록타입은 소형PLC, 모듈타입은 대형PLC이다.
(1) 블럭타입 PLC
PLC구성도에 있는 모든 기능들이 하나의 케이스안에 설치되어 있어 소형이다. 즉 전원장치, CPU,메모리, 입력 및 출력의 모든 기능이 집적되어 있어 취급이 간단하고 저가다.
그러나 입출력 점수가 제한되고, 확장 유닛을 장착하여 입출력 점수를 늘릴 수 있으나, 한계가 있다. 또한 PLC간의 통신과 Analog 신호의 처리, 위치결정과 같은 고도의 기능의 발휘가 어려우며, 로직의 STEP 의 양도 제한적이고, 상위 컴퓨터와의 작업정보의 전송이나 작업지시 정보의 교환등이 제한된다.
블럭모듈 타입의 PLC는 간단한 설비의 자동화나 제어 단독 설비의 자동화가 주목적이다. 장래의 확장성이 요구되는 설비에서의 채택은 바람직하지않음
(2)모듈타입 PLC
모듈타입의 PLC는 베이스유닛에 전원 유닛과 CPU유닛을 기본으로 설치하고 자동화 대상의 기능에 따라 여러종류의 입출력 장치를 추가하여 사용한다. 입출력 점수의 변경이 요구될시는 필요한 기능의 입출력 장치를 추가시킬 수 있다.
또한 CPU의 기능이 향상되고, 고속처리 및 대용량 데이터의 처리가 가능하며 PLC간의 통신이나 상위 컴퓨터와의 다양하고 고속의 통신이 지원된다. 이와 같은 기능을 이용하여 CNC, ROBOT, 상위 컴퓨터와 연결하여 대단위의 자동화가 가능하며 컴퓨터 통신을 이용하여 수주에서 생산 판매에 이르는 전과정을 자동화하는 총합화 생산시스템을 구성할 수 있다.
또한 모든 생산활동이 기계에 의해 움직이는 무인 공장의 등장이 가능 하도록 하였다.
유닛은 입력,출력 , 입/출력 혼용, 통신, 고속카운터, PID제어, 아날로그입력, 아날로그출력 위치 결정 유닛 등이 있다.
*PID제어: 원하는 값에 도달하기 위한 기초적인 자동피드백 제어
*피드백제어: 어떤 시스템에 있어서 Output이 Input에 영향을 주는 것을 피드백 제어라 부른다
- 전원 유닛과 베이스 유닛
전원 유닛은 유닛 취부베이스에 설치한다. 전원의 정격 전압에는 교류 100V, 200V, 100/200V 공용, 직류 24V 등이 있음.
공장 전체(장치전체)의 전원 회로 등을 감안하여, 제조메이커에서 생산하는 수 종류의 전원 유닛 중에서 CPU유닛과 입출력 유닛에 전원을 공급하기에 적절한 것을 선정한다.
- CPU 유닛
전용으로 개발된 16비트 또는 32비트 CPU가 설치된 유닛을 CPU유닛이라 한다. 이 유닛에는 유저프로그램을 보존하는 RAM과 시스템 프로그램이 들어 있는 ROM이 내장되어 있다.
RAM은 보관 가능한 프로그램의 크기에 제한이 있으며, 제조 메이커에 따라 다소 차이가 있지만 30k 워드나 100k 워드 정도의 것이 많다. 이 CPU유닛은 범용 컴퓨터나 PC(Personal Computer), 다른 PLC, 원격 제어되는 입출력 유닛과 접속이 가능한 기능을 가진 것도 있다.
- 입출력 유닛
PLC의 입출력부에는 제어신호를 받아 들이는입력기기와 구동부를 가동시키기 위한출력기기가 접속된다.
모듈형 PLC의 입출력 유닛은 입력 유닛과 출력 유닛이 각각 독립되어 있으며, CPU 유닛과 같이 베이스 유닛에 장착된다. 입력 기기와 출력 기기가 몇 개가 접속되는가를 입출력 점수(I/O점수) 라 하고, 기종 선정에서 중요한 기준이 된다.
1개의 유닛에는 보통 8, 16, 32점을 접속한다.
제어하는 장치,기기의 입출력 점수를 고려하여 유닛을 선택하고 조합시킨다. 그러나 CPU유닛의 능력 관계로 최대한 접속할 수 있는 점수에는 상한이 있다.
- 특수기능 유닛
모듈형 PLC에는 각종 특수 기능 유닛을 장착할 수 있다.
형상은 입출력 유닛과 동일하고, 베이스 유닛에 장착한다.
특수 기능 유닛에는 일반적으로 다음과 같은 것이 있다.
1. 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 하는 A/D 변환 유닛
2. 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환 유닛
3. 석유플랜트 등의 PID 제어에 사용되는 PID 제어 유닛
4. 서보모터나 스테핑모터를 구동하는 위치결정 유닛
5. 컴퓨터와의 데이터통신에 사용되는 컴퓨터 링크 유닛
6. CIM에 필요한 시스템 간의 데이터 링크에 사용되는 데이터 링크 유닛
PLC의 기능
(1)기본기능
유접점 시퀀스회로(릴레이시퀀스)를 치환한 초기 PLC에서는 AND, OR, NOT, TIMER, COUNTER, OUT 정도의 기능밖에 없었으며, 접속되는 기기에도 제한이 있었음.
다음 단계의 PLC에서는 이러한 기본 명령어에 더하여 플립플롭, 조건, 점프, 미분(펄스) 등의 명령어가 추가 되었다.
기능적으로는 입력된 프로그램의 검색, 입출력의 모니터(감시), 출력의 강제 Set/Reset, 고속 카운터에 의한 고속 펄스 입력(스테핑모터의 회전 펄스 입력), 프로그램 체크 등의 자기진단 기능이 추가 되었음.
현재의 PLC는 위에서 설명한 명령어와 기능에 컴퓨터의 기능을 활용한 명령어와 기능이 더해져서 고기능화가 진행되고있음
(2) 프로그램의 보존
프로그램의 보존이 가능하다는 것도 PLC 특징 중 하나로, 그 보존 방법의 개량도 PLC의 발전과 함께 진행되어 옴
초기의 소형PLC는 카세트 테이프 레코더가 사용되었고, 카세트 테이프에 프로그램이 보존 되었다.
그러나, 이 방법은 데이터를 Read/Write 하는데 시간이 많이 걸리고, 데이터 전송 중에 에러가 발생하는 확률이 높았다.
다음 단계의 PLC는 EP-ROM이라는 메모리 IC를 사용하여 프로그램 보존이 간단하게 되었다.
또, 최근에는 EEP-ROM이라는 IC메모리도 사용되고 있으며, 전용장치나 PC에 접속하여 플로피디스크에 프로그램을 보존하기도 한다.
(3) PLC링크와 컴퓨터링크
최근 공장자동화가 진행됨에 따라 "개별로 운전되는 기계를 연동 운전시키고 싶다", "생산을 집중 관리하고 싶다" 라는 요구가 높아지고 있다.
이러한 요구에 부응하여 PLC의 병렬운전(PLC링크)으로 제어반과 조작반 간의 배선을 절감하거나, 2대의 기계 제어를 링크(연동운전)시켜 제어하는 방법이 사용되고 있다.
규모가 서로 다른 PLC를 상위 링크하면 소규모의 분산 제어가 가능하며 이 중에서 일부를 집중 제어할 수도 있다.
이에 따라, 제어실에서의 집중 프로그램관리, 원방자국의 상태감시 등이 가능해짐
상위 컴퓨터와 PLC를 링크하면 컴퓨터에 여러개의 프로그램을 저장해두고 필요에 따라 그에 맞는 프로그램을 PLC로 전송할 수 있다.
또, 컴퓨터를 사용해서 PLC에서 얻은 정보로 공장 내의 설비를 집중 감시하거나 생산 정보의 일보, 월보 등을 작성 할수도 있다.
*DDC : Direct Digital Controller 디지털 직접제어 필드 기기 근처에서 사람이 기기의 작동상황을 직접 확인하면서 기기를 조작하는 것이 아니라, 특정위치에서 필드의 기기를 직접 디지털값으로 제어할 수 있는 시스템
DDC와 PLC는 거의 같은 것 이라고 할 수 있음.
2개의 가장 큰 차이점은 프로토콜의 개방성, 폐쇄성에 있음. PLC는 어떤 사람도 제어프로그램을 쉽게 구할 수 있고, 타 기기와 간단한 작업만으로도 기기간 통신의 연결이 가능,
그러나 DDC는 상당히 폐쇄적, A라는 메이커의 B라는 시스템은 절대로 C회사의 시스템과는 서로 연결할 수 없고, 같은 회사의 두가지 다른 기종의 시스템도 서로 연결이 불가능 한 경우가 많음. DDC의 최대 강점은 현장여건에 맞게 기능을 패키지화 할 수 있다는 것
PLC의 주변기기
(1)메모리
유저프로그램은 RAM(Random Access Memory)에 보존된다. RAM은 READ/WRITE 가 가능한 메모리 IC이다.
그러나 프로그램의 내용을 계속적으로 보존하고, 정전 사고 등에 대비하기 위해서는 전지(일반리튬전지)를 사용하여 RAM의 내용을 백업시킨다. 유저프로그램을 보존해 두는 방법으로는 이 외에도 외부 EP-ROM(Eraseable Programmable Read Only Memory)를 사용하는 방법이 있다
EP-ROM은 ROM(Read Only Memory)의 일종이며, ROM에 Write한 프로그램은 RAM과 같이 전원이 끊어져도 없어지지 않으며, 프로그램의 내용을 변경할 수 없는 리드 전용 메모리이다.
(2) 프로그래밍 콘솔
PLC 본체의 메모리에 유저프로그램을 입력시키기 위해서는 프로그래밍 콘솔을 사용한다.
프로그래밍 콘솔에는 액정 판넬을 많이 사용한 핸디로더타입과 액정이나 CRT를 사용한 GPC(Graphic Programming Consol) 타입이 주류를 이루고 있다.
핸디로더 타입은 입력한 1행의 프로그램만 표시되고 래더 프로그램 전체는 표시되지 않으며 프로그램의 확인이나 수정이 간단치 않으므로 현장에서 간단한 프로그램의 작성,수정할 때 많이 사용한다.
최근에는 GPC 타입을 많이 사용하는데, 메이커에 따라서는 전용 GPC를 제작하기도 하지만 범용 PC와 유저프로그램의 작성 및 편집이 가능한 소프트웨어를 사용하여 GPC대신 사용하는 경우가 늘어나고 있다.
GPC를 사용하여 입력하는 래더도는 시퀀스도와 비슷하므로 프로그램의 수정,변경이 용이하다.
2장 PLC의 사양 및 CPU Unit
(1) PLC의 사양
PLC의 일반사양의 예
*소비전력: 어떤 전기 기구가 1초동안 사용한 전기에너지의 양, 단위는 W(와트) 1W = 1V의 전압으로 1A의 전류가 흐를 때의 전력량 , 300W, 250W등 숫자가 클수록 1초동안 사용한 전기에너지의 양이 많음,
(2) CPU 유닛
PLC의 CPU부는 PC(개인용컴퓨터)의 구조와 거의 동일하다. 또 기능도 거의 동일. 다음과 같이 구성 되어있음
-마이크로 프로세스(CPU)
-시스템 메모리
-프로그램 메모리
-데이터 메모리
(1) 프로그램 방식
내장프로그램 방식은 모든 시퀀스 프로그램을 메모리에 저장하여 두고 이것을 차례대로 꺼내어 CPU가 이를 해석하여 실행하는 방식이다.
(2) 제어 방식
정주기 반복실행은 프로그램 메모리에 저장되어 있는 프로그램을 처음부터 끝까지 순차적으로 실행하고 맨 끝 실행문을 실행하고는 다시 처음으로 돌아가는 제어 방식
인터럽트 제어방식은 외부 및 내부의 인터럽트가 발생 했을 시 인터럽트 수행 프로그램을 실행하는 것이다.
인터럽트: (새치기), CPU 가 프로그램을 실행하고 있을 때 입출력 하드웨어 등의 장치나 또는 예외상황이 발생하여 처리가 필요할 경우에 마이크로프로세서(CPU)에게 알려 처리할 수 있도록 하는 것을 말한다. 폴링이 대상을 주기적으로 감시하여 상황이 발생하면 해당처리 루틴을 실행해 처리한다면, 인터럽트는 상대가 CPU에게 일을 처리해달라고 요청하는 수단이다. 따라서 폴링과 대비되는 개념이다. 인터럽트는 필요할 때 처리되는 경향이 있어서 폴링보다 유리하다.
입출력 제어방식은 입력 유닛으로부터 접점상태를 읽어들여 이를 바탕으로 첫 스텝부터 끝까지 순차적으로 명령을 수행한 다음 프로그램의 실행에 의해 변화된 결과를 출력 유닛에 출력하는 일련의 작업을 Scan이라 한다.
입출력 유닛의 제어방식은 Indirect방식으로 프로그램의 0 스텝 실행 전에 일괄하여 실행한다.
메모리 및 명령어 구성
PLC의 사양에 설명되어진 명령어는 CPU에서 사용되는 명령어가 아니라 PC의 프로그램 언어와 같이 사용자가 시퀀스프로그램을 작성할 때 사용토록 PLC메이커에서 만들어낸 명령어이다.
PLC메이커 마다 명령어가 다를 수 있으나 사용 명령어의 형태만 상이할 뿐이지 기능은 대동 소이하다. 명령의 종류는 통상 3가지로 나눈다.
기본명령, 시퀀스명령: 기본명령어는 릴레이회로의 시퀀스 전개도와 같이 시퀀스를 PLC내에서 실현하기 위한 명령어로 제어신호의 입력과 출력명령어, AND, OR와 같은 기본 논리 연산 명령어로 구성 되어 있다.
응용명령어 : 전송, 4칙연산, 비교, 데이터 형식의 변환과 같은 고도의 시퀀스제어 프로그램을 작성할 수 있도록 다양한 기능을 제공하여 준다. 응용명령어를 사용함으로써 프로그램의 작성시간과 오류시간을 단축시키고 고속, 고기능의 제어기능을 제공하여 준다. 응용 명령어는 메이커에 따라 다소 다르다.
특수명령어: PID연산이나 PLC간 데이터 전송 등 특수용도에 사용되는 명령어로써 심지어 삼각함수, 표준 편차, 수학적인 연산도 수행한다.
(1)데이터 메모리
신호의 입출력을 위한 메모리는 프로그램 내부에서 특정한 부호로 정해지고, 메모리 영역이 할당 되어 있다.
특수한 명령어를 수행하기 위해 사용되는 정보를 저장하는 영역이며 데이터의 길이 명령어의 동작여부 등이 저장된다.
7. 정수영역 N (Integer)
내부 데이터를 보관하는 곳으로 기본 16비트로 읽고 쓰기가 가능하고 정수 -32768 ~ +32767 까지 표현 가능하다
8. 소수영역 F (Floating)
부동 소수를 저장 하며 소수점 이하 6자리까지 사용한다.
부동소수점(Floating Point): 소수점을 고정하지 않고, 둥둥 떠다닐 수 있게 하는 부동소수점을 사용하고 있음 부동 소수점을 표현하는 방식도 정하는 방식에 따라 다를 수 있지만 일반적으로 사용하고 있는 방식은 IEEE에서 표준으로 제안한 방식
(3) 명령어 종류
a. Bit 명령어
프로그램이 한번 스캔 할 동안만 동작. ONS
동작이 OFF-to-ON 으로 동작할 때 한번 동작. OSF
동작이 ON-to-OFF으로 동작할 때 한번 동작. OSR
출력 (non-retentive). OTE
렛치 출력 (retentive). OTL
언레치 출력 (retentive). OTU
Examine a bit for an ON condition(ON 상태에 대한 비트검사) XIC
Examine a bit for an OFF condition(OFF상태에 대한 비트검사) XIO
Invert the logical state of a rung INV*
b. Timer/Counter 명령어
Count down. CTD
Count up. CTU
Reset a timer, counter, or counter-driven instruction.(타이머, 카운터 또는 카운터 구동명령을 재설정) RES
Time an event retentively.(이벤트 시간 유지) RTO
Delay turning off an output.(출력끄기 지연) TOF
Delay turning on an output.(출력시동 지연) TON
C. 비교 명령어
Compare values based on an expression.(표현식을 기준으로 값을 비교) CMP
Test whether two values are equal.(두 값이 같은지 테스트) EQU
Test whether one value is greater than or equal to a second value.(한 값이 두번째 값 이상인지 테스트) GEQ
Test whether one value is greater than a second value.(한 값이 두번째 값보다 큰지 테스트) GRT
Test whether one value is less than or equal to a second value. (한 값이 두번째 값보다 작거나 같은지 테스트) LEQ
Test whether one value is less than a second value. (한 값이 두번째 값보다 작은지 테스트) LES
Test whether one value is between two other values.(한 값이 다른 두값사이에 있는지 테스트) LIM
Pass two values through a mask and test whether they are equal.(마스크 통해 두 값을 전달하고, 동일한지 테스트) MEQ
Test whether one value is not equal to a second value.(한 값이 두번째 값과 다른지 테스트) NEQ
D. 산술연산 명령어
Add two values. ADD
Evaluate an expression.(식을 평가) CPT
Divide two values. (두 값을 나누다) DIV
Convert From BCD to integer.(BCD에서 정수로 변호나) FRD
Multiply two values. (두 값 곱하기) MUL
Take the opposite sign of a value(값의 반대 부호를 취하다) NEG
Take the square root of a value(값의 제곱근) SQR
Subtract two values(두값빼기) SUB
Convert from integer to BCD (정수에서 BCD로 변환) TOD
E. 전송/논리 명령어
Perfrom a logical AND operationd (논리 AND연산) AND
Move bits within a word or between words(단어 내에서 또는 단어 사이에서 비트이동) BTD
Set all the bits in a word to zero(단어의 모든 비트를 0으로 설정) CLR
Copy the value in one word to another word(한 단어의 값을 다른 단어로 복사) MOV
Copy the desired part of a 16-bit value by masking the rest of the value with a mask(나머지 값을 마스킹하여 16비트 값의 원하는 부분을 복사) MVM
Perform a logical NOT operation(논리적 NOT연산 수행) NOT
Perform a logical OR operation. OR
Perform a logical XOR operation. XOR
F. 특수연산 명령어
Convert radians to degrees and store the results in the destination.(중심각을 단위로 변환하고, 결과를 대상에 저장) DEG
Take the natural log of a value and store the results in the destination.(자연로그값을 가져와서 결과를 대상에 저장),LN
Take the log base 10 of a value and store the results in the destination.(값에 로그베이스 10을 가져와서 결과를 대상에 저장), LOG
Convert degrees to radians and store the results in the destination.(값들을 중심각으로 변환하고, 결과를 대상에 저장), RAD
Raise a value to a power and store the result in the destination.(값을 거듭 제곱하여 결과를 대상에 저장), XPY
G. 파일이동 명령어
H. 프로그램 제어 명령어
I. ASCII 명령어
K. 파일고급명령어
L. 삼각함수 명령어
M. For next 명령어
n. Special Instruction
O. Input/Output instruction
P. Trigonometric instruction
3장 시퀀스 제어 이해
자동제어 분류
자동제어를 분류하는 방식에는 되먹임제어(Feedback control)와 시퀀스제어(Sequence Control)가 있다. 이 중 시퀀스제어란 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계를 점차로 진행해 나가는 제어
불연속적인 작업을 행하는 공정제어 등에 널리 이용
일종의 스위치나 버튼을 사용하여 전기회로의 부하를 운전하기도 하고, 부하의 운전상태나 고장상태를 알리기도 하는 일련의 제어를 말하는 것으로 근래에 사용되는 전기회로는 모두 이러한 시퀀스 회로로 만들어져 있으며 예로 빌딩이나 공장 시퀀스로 움직이고 있다. 되먹임제어(피드백제어)는 피드백에 의해 제어량을 목표값과 비교하여 일치시키도록 정정 동작을 하는 제어이다. 무접점 소자를 이용한 제어회로에는 PLC등의 전자회로를 사용한 것이 있고, 유접점 소자는 버튼 스위치나 각종 계전기를 사용한 것이다.
유접점 릴레이 소자의 장단점
유접점 릴레이 시퀀스는 계전기 접점들의 개폐에 의하여 제어가 이루어지므로 과부하 내량과 개폐부하의 용량이 크고 온도 특성이 좋으며, 전기적 잡음이 적어 입출력이 분리되고 접점의 수에 따라 많은 출력 회로를 얻을 수 있어 많이 사용되어 왔다. 그러나 소비전력이 비교적 크고, 제어반의 외형과 설치 면적이 크며, 접점의 동작이 느릴 뿐더러 진동이나 충격 등에 약하여 수명이 짧은 것이 단점이다.
(1) 시퀀스 제어계 표현방법
전개 접속도- 가장 많이 사용하는 방법으로 시퀀스도 라고도 하며, 시퀀스제어를 사용한 전기장치 및 기기 기구의 동작을 기능 중심으로 전개하여 표시한 도면이다. 시퀀스 제어기호를 사용하여 작성한다. 여기에는 주회로와 제어회로, 표시회로로 구성된다.
주회로는 전원을 부하에 공급하기 위한 회로이며, 제어회로는 주회로의 개폐 및 표시회로의 동작 등의 모든 제어 동작이 이루어지는 제어의 핵심 회로이다. 표시회로는 제어의 동작을 알아 볼 수 있도록 표현하는 부분이다. 실제의 현장에서는 주회로와 표시회로가 작업장에 있고, 제어회로와 표시회로는 제어실에 있는 경우가 많음
타이밍 도표 - 제어계의 각 접점 및 제어장치의 시간적인 동작 상태를 그림으로 표현한 것, 제어요소간의 동작 상황을 비교할 수 있다.
논리회로도 - 논리 기호를 사용하여 신호처리회로를 그림으로 나타낸 것
표면 접속도 - 제어반의 제작 및 점검 등에 사용하기 위하여 기구나 부품의 실제 배치를 그려놓은 도면이다.
블록선도 - 제어계의 신호 전달방식 등을 블록과 화살표로 그려놓은 도면으로 플로차트(흐름도)도 일종의 블록선도라 할 수 있고, 시퀀스도는 이 플로차트를 기초로 이루어진다.
(2) 조작용기기
푸시버튼 스위치(복귀형 수동 스위치) - 손으로 누르는 동안만 동작, 손을 놓으면 동작이 복귀되는 접점으로, A접점과 B접점이 있음. A접점(a contact, 또는 메이크접점 make contact)은 누르고 있는 동작만 접점이 닫히는 것이고, B접점(b contact, 또는 브레이크접점 brake contact)은 누르고 있는 동안은 접점이 열리는 것이다.
유지형 수동 스위치 - 사람이 일단 수동 조작을 하면 반대로 조작할 때 까지 접점의 개폐상태가 유지된다. 종류에는 토글 스위치, 셀렉터 스위치, 캠 스위치 등이 있다.
토글 스위치(스냅스위치) - 상하 또는 좌우로 움직여 On/Off 할 수 있는 것이고, 셀렉터 스위치는 손잡이를 좌우 회전하여 On/Off 하는 것, 캠스위치는(로터리스위치) 손잡이를 회전하여 접점을 접속하는 것으로 10단이상의 접점을 가질 수 있다.
(3)검출 스위치
자동화시스템에서 없어서는 안될 만큼 제어 대상의 상태나 변화 등을 검출하기 위한 것으로, 위치,액면,온도,전압, 그밖의 여러제어량을 검출하는 데에 사용되고 있음. 사람이 가해주는 힘 이외에는 복귀형 스위치와 같은 동작을 한다.
마이크로스위치 및 한계스위치 (limit Switch)
시퀀스 제어의 촉각 작용을 하는 것으로, 제어대상의 위치 검출, 기계의 구동 거리제한 및 공정의 변환 등을 위한 검출용 스위치의 대표적인 것으로 기계적인 신호를 전기적 신호로 변환한다. 동작은 검출될 부분에 스위치의 접촉부가 닿으면 접촉자가 움직여 접점이 개폐된다. 역시 A접점과 B접점이 있다. 캠은 정해진 위치의 진행상황을 검출하며, 도그는 정해진 위치에 있는지 여부를 검출한다.
리드스위치 (Reed Switch)
근접 스위치(Proximity Switch)
근접스위치는 물리적인 접촉으로 대상물의 유무 상태를 검출하는 무접촉형 스위치 1차, 2차의 코일을 그림과 같이 배치하고, 1차 코일에 고주파 전류를 가하면 평상시는 평형을 유지하므로 2차측 코일에 전압이 발생하지 않는다. 그러나 검출헤드에 금속체를 접근시키면 맴돌이 전류가 발생되어 평형 상태가 무너지며, 2차 코일에 전압이 발생한다. 이 전압을 증폭하여 출력릴레이를 구동한다.
광전스위치 (Photo electric Switch)
빛을 발생하는 광원과 빛을 받아들이는 포토 다이오드나 포토트렌지스터를 1개조로 하여 물체가 광로를 지나갈 때 광로의 변화나 광량의 변화를 이용하여 접점을 개폐하여 물체를 검출하는 접점으로, 물체의 접촉에 의한 것이 아니고 움직이는 물품의 계수나 기계적 동작의 제한등에 사용한다. 빛의 전달속도가 빠르므로 무접점 회로의 경우 분당 수만회의 검출도 가능하다. 이에는 투과형, 반사형, 복사형이 있음.
투과형은 빛을 내는 투광기와 빛을 받아들이는 수광기 사이에 물체가 지나가는 것을 감지하는 것이고, 반사형은 투광기에서 발사된 및이 물체에 반사되어 수광기에 들어오는 방식이며, 복사형은 투과기 없이 물체의 자연 복사광에 의해 수광기에서 받아 물체를 검출하는 것이다.
플로트 스위치 (Float Switch)
레벨 스위치 라고도 하며, 액면의 높이를 검출하기 위한 것으로 액면이 올라가면 액면에 떠있는 플로트가 리밋스위치를 밀어 접점을 개폐하기 위한 것이다. 액면이 내려가면 플로트도 내려가 리밋스위치는 스프링의 힘에 의해 원상 복귀된다.
온도스위치
온도스위치란 온도가 예정치에 달했을 때 동작하는 검출스위치를 말하며 온도의 변화에 대해서 전기적 특성이 변화하는 소자 즉 열전대 등을 측온체에 이용하여 그 변화에 의해서 미리 설정된 온도를 검출하여 동작하는 스위치이다.
(4) 제어용 기기
보조계전기 (제어릴레이, auxiliary relay)
계전기는 푸시버튼과는 달리 사람의 손으로 동작되는 것이 아니라 계전기 내의 전자석에 의해 동작되며, 전자석 코일에 전류가 흐르는 동안에만 접점이 동작하는 스위치의 일종으로 코일부와 접점부로 나누어지고 기호로 나타낼 경우에도 코일부와 접점부로 나누어 표시한다.
접점은 a접점과 b접점이 공유하고 있는 접점을 주로 사용하며 이를 c접점이라 한다.
c접점은 a접점,b접점을 동시에 사용할 수도 있고, 별도로 한 접점만 사용할 수도 있다.
특히 c접점에서 a접점, b접점을 동시에 사용할 경우에 c접점(공통접점)으로 인하여 회로가 단락되는 경우가 있으니 반드시 공통접점부가 회로에서 공통으로 사용되고 있는지 확인하고 사용하여야 한다.
제어용 릴레이의 사용 시는 조작 전원의 정격, 필요한 접점의 수, 제어 전원의 용량등을 고려하여 특성에 맞게 선택하여야 한다.
한시계전기 (Timer)
한시계전기는 입력신호를 받아 설정된 시간이 경과한 후 동작이 되는 일종의 계전기이다.
시간을 계산할 때는 소형의 전동기를 사용하는 방법과 전자회로를 사용하는 방법이 있는데
주파수의 영향을 받는 경우가 있으므로 이를 고려해야 한다. 우리 나라의 경우에는 교류전압의 상용주파수가 60[Hz]이므로 50/60[Hz]의 기구에서는 60[Hz]로 조정하여 사용한다. 접점 등은 계전기와 같지만 접점의 동작을 시간을 두고 동작시킬 수 있다는 것이 가장 큰 차이점이다.
접점의 동작은 한시동작접점과 한시복귀접점이 있다.
한시동작접점은 동작하는데 시간이 걸리는 접점으로, 타이머 기동 후 설정된 시간이 지나서 접점이 동작한다.
한시복귀접점은 복귀하는데 시간이 걸리는 접점으로, 타이머 기동과 동시에 접점이 동작하고 설정된 시간이 지난 후에 원래의 위치로 복귀 되는 접점이다. 대부분 한시a접점과 한시 b접점은 한쪽을 공통(c접점)으로 하여 사용되게 만들어져 있다.
전자접촉기(MC)
접자접촉기는 전자석의 동작에 의해 접점을 개폐하는 기구로서, 전동기 등의 동력부하에는 필수적으로 사용되고 있다. 동작은 계전기와 같고, 접점은 주접점과 보조접점으로 나뉘어 있어 주접점은 부하의 전원을 개폐하여, 보조접점은 동일하게 제어 회로에 사용된다.
과부하계전기(THR, thermal relay)
과부하계전기는 열동계전기 또는 서멀릴레이 라고도 하며 주로 과부하 보호에 사용된다. 정격 전류 이상의 전류(과부하전류)가 흐르면 내부에서 발생된 열에 의해 바이메탈이 동작하여 접점이 차단되고 전자접촉기의 회로를 차단하여 부하와 전선의 과열을 방지하는데 사용된다.
전자개폐기
전자개폐기는 전자접촉기와 과부하계전기가 일체화 된 것으로, 전자접촉기에 의한 부하의 On, Off 조작과 열동계전기에 의한 과부하 보호 기능을 함께 갖는 기구이다.
압력스위치
압력스위치는 명칭과 같이 일정한 압력에 이르면 스위치가 On/Off 되는 것이다. 저압인 것은 다이어프램의 신축을 이용하고, 유압, 수압과 같이 고압인 것은 부르동관의 신축을 이용하여 스위칭 동작을 하게 하는 것
유지형 계전기와 스테핑 계전기
유지형계전기는 입력 신호의 변화에 의해서 출력신호를 개폐하는 계전기이다. 즉 계전기의 변화 신호로써 상태 신호를 변환하는 기능을 갖는다. 이 계전기는 한쪽 접점이 동작되고, 여자 전류가 없어도 이 상태는 계속 유지된다. 이때 반대쪽 코일에 전류를 가하면 본래의 상태로 복귀된다. 이러한 유지형 계전기는 여자 전류가 흐르는 기간이 짧고, 소비전력 및 발열이 적으며 특히 출력 접점의 개폐 상태가 정지되었을 경우 그대로 유지되는 것이 특징이다.
이러한 유지형 계전기는 대형전자접촉기나 차단기 등의 제어용으로 사용된다. 스테핑계전기는 다수회로의 순차절환스위치로서 펄스의 계수 축적과 재송출 임의회로의 자동 선택 등 그 용도는 매우 다양하다. 코일이 여자될 때 마다 도그를 이용한 가동접점이 움직여 다음 접점으로 차례로 절환된다.
배선용 차단기(MCCB)
손잡이를 ON,OFF 시킴으로써 단자 부에 배선된 전기회로를 개폐할 수 있으며, 단락보호와 과부하 보호의 목적으로 사용된다. 단락이나 과부하시 자동적으로 트립되어 회로를 자동으로 차단하며 트립의 원인을 제거한 후 다시 손잡이를 올리면 정상동작을 한다. 트립되는 것은 바이메탈의 원리를 이용한 것으로 과전류에 의해 발생된 열에 의해 동작한다.
바이메탈의 원리: 열팽창계수가 다른 얇은 금속판을 포개어 붙여 만든다.
단락(쇼트): 짧게 이어졌다는 뜻인데, 아래 그림 선풍기처럼, +, - 가 연결된것 , 원래 회로는 길게 이어져 있는데, 아래처럼 중간에서 이어져서 짧게 이어진 것을 단락(쇼트)라고 함 , 또는 합선이라고 얘기하기도 함 , 쇼트가 나서 전류가 저항 99옴에 걸쳐 흐르던것이 병렬효과로 인해 0이 되면서 전류값이 100A로 변함. 본래 정격전류보다 훨씬 큰 전류값으로 인해 위험이 발생하게 됨.
전기전도체: 전도도가 높아서 전기가 통하기 쉬운 재료, 줄여서 도체라고 함
(5) 전자(무접점)스위치 : 무접점 계전기
트랜지스터, 다이오드, IC(집적회로)등과 같이 접점을 가지지 않는 소자로 회로를 구성해서 전자계전기와 같이 On-Off 제어를 할 수 있는 회로
시퀀스 제어계의 기본회로
기본논리회로 소자: AND(논리곱), OR(논리합), NOT(논리부정)
부정소자: NAND(AND부정), NOR(OR부정)
배타적 논리소자: XOR(exclusive OR), XNOR(exclusive NOR)
비반전 회로: 입력신호를 받아서 논리적 판단을 하여 출력으로 그대로 보내는 회로로써, AND, OR 등의 논리적 기능을 하는 회로
: 반전회로보다 스위칭속도가느리나, 설계가 용이하다.
(1) AND회로 (논리곱, 논리적)
모든입력이 1일 때만 출력이 1인 게이트
직렬
(2) OR회로 (논리합)
:입력 중 어느 하나만 1이여도 출력이 1인 게이트
병렬
반전회로 : 입력된 신호를 논리조합하여, 출력할 때 반전시켜서 출력하는 회로 NOT, NAND, NOR 등의 회로, 비반전 논리보다 논리적 수행 능력이 빠르다.
: 입력중 어느 하나만 1이어도 출력이 0인 게이트로 OR 회로와 NOT회로를 조합한 회로
(3) NAND회로 (논리곱 부정, AND NOT)
: 모든 입력이 1일 때만 출력이 0인 게이트 , AND회로와 NOT회로를 조합한 회로로 현재 디지털 IC회로의 대부분은 이 NAND IC 소자로 구성한다.
기타회로:
(1) XOR(EOR)회로 (Exclusive OR gate)
:두 입력이 서로 상반될 때만 출력이 1인 게이트로 가산기나 비교기에 사용.
(2) ENOR(XNOR)회로
:두 입력이 서로 같을 때만 출력이 1인 게이트
타이머 회로
(1) 유접점 한시 타이머
On delay Timer : 계전기가 여자 되었을 때 시간 지연이 발생
Off delay Timer : 계전기가 소자(비여자)되었을 때 시간 지연이 발생
(2) 유접점 한시 타이머 회로의 응용
자기 유지회로
자기유지회로는 푸시버튼 등의 순간동작으로 만들어진 입력신호가 계전기에 가해지면 입력신호가 제거되어도 계전기의 동작을 계속적으로 지켜주는 회로이다. 이 회로는 제어계의 가장 기본이며 유지형 스위치를 사용하지 않으며, 이용하는 이유는 공급 전원이 무단으로 차단된 후 재 공급될 경우의 회로를 보호하기 위함이다.
지연회로
타이머에 의해 설정된 시간만큼 늦게 동작하는 회로이다. 동작이 늦고 복귀는 타이머 코일과 함께 되는 지연 동작회로와, 동시에 동작하고 늦게 복귀되는 복귀회로가 있다.
인터록회로
2개 이상의 회로에서 한 개 회로만 동작을 시키고 나머지 회로는 동작이 될 수 없도록 하여 주는 회로, 이 회로의 사용목적은 기기 및 작업자의 보호를 위하여 관련 기기의 동작을 금지하기 위한 것으로, 상대 동작 금지 회로 또는 선행 동작 우선 회로라고도 한다.
3상 유도전동기의 구동원리는 120의 위상차를 갖는 3상 전원에 의해 회전 자장이 발생하여 회전자가 움직인다. 3상 전동기에 입력되는 3상중에서 두개의 상을 바꾸어 주면 회전력이 반대방향으로 되므로 역회전의 운전을 할 수 있다. 이 경우에는 정회전과 역회전 동작이 동시에 일어나게 되면 주 회로가 단란되어 위험한 상태가 되므로 정 역회전 동작이 동시에 발생하지 않도록 인터록 회로를 반드시 넣어주어야 한다.
우선회로
우선회로는 우선권이 있는 회로가 동작이 되고 난 이후에야 나머지 회로가 동작이 되는 회로로서 동작에 순서가 정해져 있을 경우에 사용되는 회로이다. 예로, 엘리베이터의 출입문이 닫히지 않은 상태에서는 절대로 엘리베이터를 올리고 내리는 전동기가 돌아가서는 안되는 회로를 구성할 경우에 필요한 회로
전동기의 직입기동(전 전압 기동)
기동 전류가 적은 소형의 전동기는 별도의 고려할 사항이 없이 직접 전동기를 기동, 정지시켜 사용하는데 이러한 경우에 직입기동 방식을 사용한다. 조작 버튼이 On, Off 버튼만으로 조작이 가능하다. RL,GL,OL은 표시회로로 구분하기도 하는데, 이는 전동기의 동작 상황이나 제어회로의 동작상황을 알리기 위하여 만들어진 것으로, OL의 경우는 열동계전기가 과부하로 인해 동작되었을 경우에 점등되고 회로가 차단되는 데, 과부하의 원인을 제거한 이후에 다시 투입하면 된다.
3상 유도 전동기의 Y-델타 기동회로
전동기는 시동 시에 큰 전류(기동전류,inrush current)가 흐르게 되는데, 이로 인해 차단기가 트립 되는 경우가 있어 전동기의 기동이 되지 않으며, 전동기에도 전기적인 무리가 가게 되므로, 이를 줄이기 위한 방법으로 이 회로를 사용하면 시동 시 전류가 정상운전시의 전류보다 적게 흘러 차단기가 트립되는 것을 방지하여 운전하는 회로이다. 기동시에는 스타결선(y결선)으로 하면 전동기 코일에 선간전압의 1/3^ 정도밖에 걸리지 않으므로 각 상에 1/3^에 해당 하는 전류가 흐르게 된다.
전동기를 기동한 후에는 안정적인 상태가 되어 델타 결선으로 바꾸어주면 된다. 물론 타이머를 사용하여 설정된 시간이 지난 뒤에 바꾸어 주어도 된다.
Allen Bradley PLC의 개요
메이커 마다 사용언어와 통신 네트워크가 서로 다른데, IEC1311로 크게 5part 로구성됨
1. PLC 기본 기능 및 용어정의
2. 설비의 요구 기능 및 시험조건
3. 프로그램 언어
4. 사용자 지침
5. 통신 네트워크로 구성되어 있음.
IEC 표준언어
- 다양한 데이터 타입을 지원합니다 - 펑션, 펑션블록, 프로그램과 같은 프로그램 구성요소가 도입되어 상향식, 또는 하향식 설계가 가능하며 프로그램을 구조적으로 작성할 수 있습니다. - 사용자가 작성한 프로그램을 라이브러리 화하여 다른 프로젝트에서 소프트웨어를 재 사용할 수 있음 - 다양한 언어를 지원하므로 사용자는 최적의 언어를 선택하여 사용할 수 있음.
IEC에서 표준화한 PLC용 언어는 두 개의 도형 기반 언어와 두개의 문자 기반 언어, 그리고 SFC로 이루어져 있습니다.
도형식(graphic)언어 LD(Ladder Diagram): 릴레이 로직 표현 방식의 언어 FBD(Function Block Diagram): 블록화한 기능을 서로 연결하여 프로그램을 표현하는 언어
문자식(text)언어 IL(Instruction List): 어셈블리 언어 형태의 언어 ST(Structured Text): 파스칼 형식의 고 수준 언어
SFC(Sequential Function Chart)
현재 AB PLC는 IL,LD,ST 및 SFC언어가 지원된다.
▶다양한 규격의 통신 프로토콜
- Open 네트워크를 지향하여 이기종, 멀티 벤더 간의 통신이 가능합니다 (Device Net) - 상위 네트워크로 Controlnet(5Mbps), Ethernet 채용 - 하위 네트워크로 DH+ (57.6Kbps) 채용
▶ 윈도우 환경의 프로그래밍 Tool(RSLogix5)지원
- RSLogix5 (Programming & Debugging Tool) 의 윈도우 환경 채용으로 프로그램 작성, 수정 시 윈도우 장점을 모두 이용할 수 있습니다. - MDI(Multiple Document Interface) 지원: 하나의 화면에 각기 다른 언어를 사용하여 동시에 프로그램 작성, 수정 및 모니터링이 가능
▶프로그램 작성 용이
- 프로그램의 구조화, 모듈화에 의해 프로그램 작성이 매우 편리합니다. - 입출력 식별자명을 실제 접속되는 기기명(심볼)으로 프로그래밍이 가능합니다.
