PLC(Programmable Logic Controller)

[Captain]

PLC(Programmable Logic Controller)란

종래에 사용하던 제어반 내의 릴레이 타이머, 카운터 등의 릴레이제어반 기능을LSI, 트랜스터 등의 반도체 소자로 대체시켜, 기본적인 시퀀스 제어 기능에 수치 연산 기능을 추가하여 프로그램 제어가 가능하도록 하며 메모리에 있는 프로그램의 시작과 끝을 순환(SCAN)하면서 로직을 수행하면서 자율성이 높은 제어 장치이다.
PLC는 초기에는 PC(Prgrammable Controller)로 불리었으나 개인용 컴퓨터의 약자인 PC와 혼동되므로 1978년미국 전기 공업회 규격 (NEMA:NATIONAL ELECTRIC MANUFACTURING ASSOCIATION)에서 PLC(Programmable Logic Controller)로 명명하고 “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 있다.
   
이러한 PLC의 태동은 1960년대말 GM(General Motor)사가 자동차 조립 라인에 적용하기위한 Sequence 전자 제어장치의 조건을 발표하고 이러한 조건에 맞는 제어장비를 업체들이 개발하여 판매하기 시작한 것이 계기가 되었다.
이러한 PLC의 역할은 Sequence 제어(전통적으로 기본 역할이다.), PID 제어, Analog제어, 위치제어등이다.
대부분의 PLC는 접접의 AND,OR연산과 Timer/Counter 연산등의 기본 연산 기능과 서브루틴,SHIFT,MASTER CONTROL,데이타 연산등 응용 연산 기능을 지닌다.

처음에 개발된 PLC는 단순히 로직 컨트롤러로서 프로그램에 의한 간단한 제어가 가능했지만 이후, 산술연산, 출력장치 제어, 통신기능 같은 고기능이 부가되었고 이전의 릴레이 제어반의 단점이었던 신뢰성 저하와 제어 시스템을 변경, 검사와 시운전 기간에 소요되는 시간과 비용 등을 절약할 수가 있었다. 그후로 PLC는 컴퓨터와의 통신을 이용한 PLC 사용을 위한 통합 소프트웨어의 개발로 사용자들은 보다 쉽게 PLC 프로그래밍을 할 수 있게 되었고, 사용자에게 보다 친숙한 환경을 제공하여 그래픽을 이용한 현장의 모니터링이나, 데이터에 대한 그래픽처리등 뿐만이 아니라 공정에 대한 문제점과 함께 각종 정보에 대한 수집까지도 할 수 있게 되었고 현재 PLC는 공장자동화를 중심으로 소형화와 저가격화되며 거의 모든 산업 분야에서 사용되고 있다. PLC로 기계나 장치를 제어하는 경우에 우선 그 제어의 내용을 PLC가 판단할 수 있도록 프로그램을 작성하여야 한다. PLC의 프로그램 규격은 현재 표준이 제정되어 있기는 하나 메이커나 기종에 따라서 많은 차이가 있다. IEC 1131-3(International Electrotechnical Commission- Standard for Programmable Controllers-Part 3: Programming Languages)은 PLC 언어의 국제 표준을 정의하고 있는데 그것은

        - LD(래더도 방식:Ladder diagram)
        - IL(니모닉, 명령어 방식:Instruction List)
        - SFC(Sequential Function Charts)
        - FBD(Function Block Diagram)
        - ST(Structured Text)등 5가지이다.

이중에서 대부분의 PLC에서는 LD과 IL중 하나를 사용하거나 두 가지를 모두 수용한다. 최근에 개발되는 PLC에서는 IEC1131-3에 정의된 언어 모두를 채용하기도 한다. IL언어는 어셈블리어 언어의 형태로 되어 있어 짧은 프로그램인 경우에는 유용하나 프로그램의 길이가 길어지면 길어질수록 그 프로그램이 복잡해져서 사용자가 사용하기에 불편하다. LD언어는 Relay Logic의 형태와 유사하기 때문에 프로그래밍하기에는 IL언어보다 친밀성을 가지고 있지만 Logic형태의 구문만으로는 일반 프로그래밍 언어가 가지고 있는 수식구문이나 제어구문을 나타내기에는 부적합하고 기존 프로그래밍 개념에 익숙한 사람들은 그 방식이 완전히 새롭게 느껴진다.

<적용분야>
설비의 자동화와 고 능률화의 요구에 따라 PLC의 적용 범위는 확대 되고 있다. 특히 공장 자동화와 FMS(Flexible Manufacturing System)에 따른 PLC의 요구는 과거 중규모 이상의 릴레이 제어반 대체 효과에서 현재 고기능화, 고속화의 추세로 소규모 공작 기계에서 대규모 시스템 설비에 이르기 까지 적용되고 있다.

분   야	제   어   대   상
식료 산업	컨베이어 총괄 제어, 생산라인 자동 제어
제철, 제강 산업	작업장 하역 제어, 원료 수송 제어, 압연 라인 제어, 하역 운반 제어
섬유, 화학공업	원료 수입 출하 제어, 직조 염색 라인 제어
자동차 산업	전송 라인 제어, 자동 조립 라인 제어, 도장 라인 제어, 용접기 제어
기계 산업	산업용 로봇 제어, 공작 기계 제어, 송 · 배수 펌프 제어
상하수도	정수장 제어, 하수 처리 제어, 송 · 배수 펌프 제어
물류 산업	자동 창고 제어, 하역 설비 제어, 반송 라인 제어
공장 설비	압축기 제어
공해 방지사업	쓰레기 소각로 자동 제어, 공해 방지기 제어

1.2 PLC 의 구조

1.2.1 하드웨어 구조

(1)전체구성
PLC 는 마이크로프로세서(Microprocessor) 및 메모리를 중심으로 구성되어 인
간의 두뇌 역할을 하는 중앙처리장치(CPU), 외부 기기와의 신호를 연결시켜 주
는 입·출력부, 각 부에 전원을 공급하는 전원부, PLC 내의 메모리에 프로그램을
기록하는 주변 장치로 구성되어 있습니다.
그림 1-1 은 PLC 의 전체 구성도를 나타낸 것입니다.

(2) PLC 의 CPU 연산부
PLC 의 두뇌에 해당하는 부분으로서 메모리에 저장되어 있는 프로그램을 해독
하여 처리 내용을 실행합니다. 이 절차는 매우 빠른 속도로 반복되며 모든 정
보는 2 진수로 처리됩니다.

(3) PLC 의 CPU 메모리
① 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 없습니
다. 따라서, 고정된 정보를 써 넣습니다. 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 메
모리입니다.
그러나 필요에 따라 RAM 영역 일부를 배터리 백업(Battery back-up)에 의하여
불휘발성 영역으로 사용할 수 있습니다.

② 메모리 내용
PLC 의 메모리는 사용자 프로그램 메모리, 데이터 메모리, 시스템 메모리 등의
3 가지로 구분됩니다. 사용자 프로그램 메모리는 제어하고자 하는 시스템 규격
에 따라 사용자가 작성한 프로그램이 저장되는 영역으로, 제어 내용이 프로그
램 완성 전이나 완성 후에도 바뀔 수 있으므로 RAM이 사용됩니다.
프로그램이 완성되어 고정되면, ROM 에 써 넣어 ROM 운전을 할 수 있습니다.
데이터 메모리는 입·출력 릴레이, 보조 릴레이, 타이머와 카운터의 접점 상태
및 설정값, 현재값 등의 정보가 저장되는 영역으로 정보가 수시로 바뀌므로
RAM 영역이 사용됩니다.
시스템 메모리는 PLC 제작 회사에서 작성한 시스템 프로그램이 저장되는 영
역입니다. 이 시스템 프로그램은 PLC 의 기능이나 성능을 결정하는 중요한 프
로그램으로, PLC 제조 회사에서 직접 ROM 에 써 넣습니다.

(4) PLC 의 입·출력부
PLC 의 입·출력부는 현장의 외부 기기에 직접 접속하여 사용합니다. PLC 내
부는 DC 5V 의 전원(TTL 레벨)을 사용하지만 입·출력부는 다른 전압 레벨을
사용하므로 PLC 내부와 입·출력의 접속(Interface)은 시스템 안정에 결정적
인 요소가 됩니다.
PLC 의 입·출력부는 다음의 사항이 요구됩니다.

① 외부 기기와 전기적 규격이 일치해야 합니다..
② 외부 기기로부터의 노이즈가 CPU 쪽에 전달되지 않도록 해야합니다..
[포토 커플러(Photocoupler) 사용]
③ 외부 기기와의 접속이 용이해야 합니다..
④ 입출력의 각 접점 상태를 감시할 수 있어야 합니다.(LED 부착) 입력부는
외부 기기의 상태를 검출하거나 조작 Panel 을 통해 외부 장치의 움직임을
지시하고 출력부는 외부 기기를 움직이거나 상태를 표시합니다..
입·출력부에 접속되는 외부 기기 예는 표 1-2 와 같습니다.

                                                  표 1-2                     입출력 기기

I/O	구 분	부 착 장 소	외부 기기의 명치
입력부	조작 입력	제어반과 조작반	푸시 버튼 스위치 선택 스위치 토글 스위치
	검출 입력 (센서)	기계 장치	리밋 스위치 광전 스위치 근접 스위치 레벨 스위치
출력부	표시 경보 출력	제어반 및 조작반	파일럿 램프 부저
	구동 출력 (액추에이터)	기계장치	전자 밸브 전자 클러치 전자 브레이크 전자 개폐기

가)입

 가) 입력부
외부 기기로부터의 신호를 CPU 의 연산부로 전달해 주는 역할을 합니다. 입력
의 종류로는 DC 24V, AC110V 등이 있고, 그 밖의 특수 입력 모듈로는 아날로
그 입력(A/D) 모듈, 고속 카운터( High Speed Counter) 모듈 등이 있습니다.
그림 1-2 는 입력부 회로의 예를 나타내었습니다

 

나) 출력부
내부 연산의 결과를 외부에 접속된 전자 접촉기나 솔레노이드에 전달하여 구
동시키는 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 1-3 과 같습니다.

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

출력 신호 종류	개 폐 소 자
	유 접 점	무접점(반도체)
직류(DC)	릴레이 출력	트랜지스터 출력
교류(AC)	릴레이 출력	SSR 출력

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 직류 전원 전용인 트랜지스터 출력을 사용하는 것이 좋습니다.

1.2.2 소프트웨어 구조
(1) 하드 와이어드와 소프트 와이어드
종래의 릴레이 제어 방식은 일의 순서를 회로도에 전개하여 그곳에 필요한 제
어 기기를 결합하여 리드선으로 배선 작업을 해서 요구하는 동작을 실현합니
다. 이 같은 방식을 하드와어어드 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 개발되었
습니다.
컴퓨터는 하드웨어(Hardware)만으로는 동작할 수 없습니다. 하드웨어 속에 있
는 기억 장치에 일의 순서를 넣어야만 비로소 기대되는 일을 할 수가 있습니다.
이 일의 순서를 프로그램이라 하며, 기억 장치인 메모리에 일의 순서를 넣는
작업을 프로그래밍이라 합니다.
이는 마치 배선작업과 같다고 생각하면 됩니다.
이 방식을 소프트와이어드 로직(Softwired Logic)이라 하며, PLC 는 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 여자되면 접점이 닫혀 회로가 활성화되는 릴레이 시퀀스와
는 달리 메모리에 프로그램을 기억시켜 놓고 순차적으로 내용을 읽어서 그 내
용에 따라 동작하는 방식입니다.
PLC 제어는 프로그램의 내용에 의하여 좌우됩니다. 따라서 사용자는 자유 자재
로 원하는 제어를 할 수 있도록 프로그램의 작성 능력이 요구됩니다.

(가) 직렬 처리와 병렬 처리
PLC 시퀀스와 릴레이 시퀀스의 가장 근본적인 차이점은 그림 1-5 에 나타낸
것과 같이 “직렬 처리 처리”와 “병렬 처리 처리”라는 동작상의 차이에 있습니다.
PLC 는 메모리에 있는 프로그램을 순차적으로 연산하는 직렬 처리 방식이고
릴레이 시퀀스는 여러 회로가 전기적인 신호에 의해 동시에 동작하는 병렬 처
리 방식입니다. 따라서 PLC 는 어느 한 순간을 포착해 보면 한 가지 일 밖에
하지 않습니다.

먼저 그림 1-6(a)의 시퀀스도로 PLC 와 릴레이의 동작상의 차이점을 설명합니
다. 릴레이 시퀀스에서는 전원이 투입되어 접점 A 와 B, 그리고 접점 D 와 E
가 동시에 닫히면, 출력 C 와 F 는 ON 되고, 어느 한쪽이 빠를수록 먼저 동작
합니다..
이에 비하면 PLC 는 연산 순서에 따라 C 가 먼저 ON 되고 다음에 F 가 ON 됩
니다.

PLC 와 릴레이의 동작상의 차이점을 그림 1-6(b)의 경우에서 살펴 보면 먼저
릴레이 시퀀스에서는 전원이 투입되면 점점 J 가 닫힘과 동시에 H 가 ON 되어
출력 I 는 동작될 수 없습니다.
PLC 는 직렬 연산 처리되므로 최초의 연산 때 G 가 닫히면 I 가 ON 되고 J 가
닫히면 H 가 ON 됩니다. H 가 ON 되면 b 접점 H 에 의해 I 는 OFF 됩니다.

(나) 사용 접점 수의 제한
릴레이는 일반적으로 1 개당 가질 수 있는 접점 수에 한계가 있습니다.
따라서 릴레이 시퀸스를 작성할 때에는 사용하는 접점 수를 가능한 한 줄여야
합니다..
이에 비하여 PLC 는 동일 접점에 대하여 사용 회수에 제한을 받지 않습니다.
이는 동일 접점에 대한 정보(ON/OFF)를 정해진 메모리에 저장해 놓고, 연산
할 때 메모리에 있는 정보를 읽어서 처리하기 때문입니다.

(다) 접점이나 코일 위치의 제한
PLC 시퀀스에는 릴레이 시퀀스에는 없는 약속 사항이 있습니다.
그 중 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 1-7 에 나타낸다.

1.3 연산 처리
PLC 의 연산 처리 방법은 입력 리프레시(Refresh) 과정을 통해 입력의 상태를
PLC 의 CPU 가 인식하고, 인식된 정보를 조건 또는 데이터로 이용하여 프로그
램 처음부터 마지막 까지 순차적으로 연산을 실행하고 출력 리프레시
(Refresh)를 합니다.
이러한 동작은 고속으로 반복되는데 이러한 방식을 ‘반복 연산 방식’이라 하고
한 바퀴를 실행하는데 걸리는 시간을 ‘1 스캔 타임’(1 연산 주기)라고 합니다.


                                       PLC 연산 처리 순서도

① 입력 이미지 리프레시
PLC 는 운전이 시작되면 입력 모듈을 통해 입력되는 정보들을 메모리의 입력
영역으로 받고, 이 정보들은 다시 입력 이미지 영역으로 복사되어 연산이 수
행되는 동안의 입력 데이터로 이용됩니다. 이렇게 입력 영역의 데이터를 입력
이미지 영역으로 복사하는 것을 ‘입력 리프레시’(Input Refresh)라고 합니다.
입력 리프레시는 운전이 시작될 때 뿐만 아니라 매 스캔 END 처리가 끝나면
그 순간의 입력 정보를 입력 이미지 영역으로 복사하여 연산의 기본 데이터
또는 연산의 조건으로 활용하게 됩니다.

② 프로그램 연산
입력 리프레시 과정에서 읽어 들인 입력 접점의 정보를 조건 또는 데이터로
이용하여 사전에 입력된 프로그램에 따라 연산을 수행하고 그 결과를 내부 메
모리 또는 출력 메모리에 저장하게 됩니다.
GLOFA-GM PLC 에서 프로그램은 크게 스캔 프로그램과 태스크 프로그램의 두
가지로 나눌 수 있는데, 스캔 프로그램이란 PLC 의 CPU 가 RUN 상태면 무조
건 수행하는 프로그램이고, 태스크 프로그램이란 특정 조건을 만족해야만 동
작하는 프로그램입니다.
스캔 프로그램 연산을 수행하는 도중에 태스크 프로그램의 실행 조건이 만족
되면 스캔 프로그램의 연산을 멈추고, 태스크 프로그램을 수행한 후 태스크
프로그램으로 전이하기 직전에 연산이 수행되던 스캔 프로그램의 위치로 복귀
하여 스캔 프로그램의 연산을 계속하게 됩니다.

③ 출력 리프레시
스캔 프로그램 및 태스크 프로그램의 연산 도중에 만들어진 결과는 바로 출력
으로 보내어지지 않고 출력 이미지 영역에 저장되게 됩니다.
이 과정을 출력 이미지 리프레시라고 합니다.

④ 자기 진단
연산의 과정에서 만들어진 결과는 바로 출력으로 내보내지 않고 출력 이미지
영역에 저장되게 됩니다. 그렇게 하는 이유는 프로그램의 마지막 스텝 연산이
끝나고 나면 PLC 의 CPU 는 시스템 상에 오류가 있는지를 검사하고 오류가
없을 때만 출력을 내보내기 때문입니다.
만일 연산이 성공적으로 끝나서 그 결과가 출력 이미지 영역에 저장되었다고
해도 PLC 의 CPU 는 자기 시스템을 진단하여 시스템 상에 오류가 있다면 출
력을 내보내지 않고 에러 메시지를 발생시키게 됩니다.
이것을 자기 진단이라고 합니다.

⑤ END 처리
연산이 성공적으로 수행되고 자기 진단 결과 시스템에 오류가 없으면 출력 이
미지 영역에 저장된 데이터를 출력 영역으로 복사함으로써 실질적인 출력을
내보내게 됩니다.
이 과정을 END 처리라 하며 END 처리가 끝나면 다시 입력 리프레시를 실시
함으로써 PLC 는 반복적인 연산을 수행하게 됩니다.

내용출처 : [기타] 인터넷 : www.uneo.co.kr (LG산전 기술지원점)