[제조] PLC(Programmable Logic Controller)

1. PLC란?

산업 현장의 자동화를 위해 특별시 제작된 산업용 제어 컴퓨터이다.

디지털 또는 아날로그 입출력 모듈을 통해 기계나 생산 공정을 제어하며, 내장된 메모리에 저장된 명령어를 순차적으로 실행한다.

논리, 순서, 시간, 계수, 연산과 같은 다양한 기능을 수행한다.

주로 이산제조산업에서 기계, 컨베이어 라인, 자재취급 장비등을 제어하는 데 핵심적인 역할을 담당한다.

논리 제어(Logic Control):
정해진 조건에 따라 즉시 반응하는 제어
만약 A이고 B라면, C를 실행하라 와 같이 현재 입력 신호들의 조합(AND, OR, NOT 등)에 따라 출력이 결정되는 방식

순차 제어(Sequenctial Control):
미리 정해진 순서와 단계에 따라 차례대로 진행되는 제어
A 단계를 끝내면 B 단계를 실행하고, B 단계가 끝나면 C 단계를 실행하라와 같이 이전 단계의 완료가 다음 단계를 시작하는 조건이 되는 방식

2. PLC의 등장과 장점

PLC가 등장하기 이전에는 릴레이, 코일, 카운터, 타이머와 같은 부품들을 물리적으로 전선을 연결하여 제어반을 구성하는 고정배선(Hard-wired) 방식이 사용되었다. PLC는 이러한 고정배선 제어기를 대체하며 생산성과 신뢰성을 획기적으로 향상시켰다.

릴레이 제어 방식과 비교했을 때 PLC가 가지는 장점

• PLC 프로그램은 릴레이 제어기의 배선 작업에 비하여 훨씬 쉽다

• 전통적인 제어기는 배선을 새로 하지 않으면 폐기처분되어야 하는데 비하여 PLC는 재프로그래밍할 수 있다

• 전통적인 릴레이 제어기에 비하여 PLC는 좁은 공간에 설치가 가능하다

• PLC의 신뢰성이 높고 유지보수가 간편하다

• 릴레이 제어기에 비하여 컴퓨터에 연결이 쉽다

• 릴레이 제어기에 비하여 PLC는 훨씬 다양한 종류의 제어 기능을 수행할 수 있다

• 유연한 프로그래밍: 물리적인 배선 변경 없이 소프트웨어 수정만으로 제어 로직을 쉽게 변경할 수 있다

• 높은 재사용성: 기존 제어기는 로직 변경 시 배선을 새로 하거나 폐기해야 했지만, PLC는 새로운 프로그램만 입력하면 다른 공정에 재사용할 수 있다

• 공간 효율성: 수많은 릴레이와 타이머가 차지하던 공간을 소형의 PLC 하나로 대체할 수 있어 제어반의 크기를 획기적으로 줄일 수 있습니다.

• 높은 신뢰성과 간편한 유지보수: 물리적 접점이 없어 마모나 고장이 적고, 문제가 발생하더라도 프로그램을 통해 원인을 쉽게 파악하고 대처할 수 있다.

• 편리한 통신 기능: PC나 상위 제어 시스템과 쉽게 연결하여 데이터를 주고받거나 원격으로 제어 및 모니터링이 가능하다.

• 다양한 기능 수행: 단순한 논리 및 순서 제어를 넘어 복잡한 연산, 아날로그 제어 등 훨씬 폭넓은 기능을 수행할 수 있다.

특징	고정배선(Hard-wired) 방식	PLC
유연한 프로그래밍	로직 변경 시 배선 재작업 필수, 수정·확장 어려움	소프트웨어 수정만으로 즉시 반영, 배선 변경 최소
높은 재사용성	공정 변경 시 제어반 폐기/대규모 재배선 필요	프로그램 교체만으로 다른 공정에 재사용 용이
공간 효율성	다수의 릴레이·타이머로 제어반 대형화	소형 모듈로 집적, 제어반 소형화
신뢰성·유지보수	접점 마모, 노이즈 취약, 회로 추적으로 고장 진단 어려움	무접점 연산, 자기진단/알람/모니터링으로 유지보수 용이
통신/연동	통신 기능 거의 없음, 원격 모니터링 어려움	PC/HMI/SCADA 등과 표준 통신으로 데이터 수집·원격 제어 가능
기능 범위	단순 논리/타이머/카운터 중심, 복잡 연산 곤란	산술·비교·레시피·PID·모션·아날로그 등 폭넓은 기능 수행

3. PLC의 기본 구성 요소

프로세서, 메모리, 전원공급장치, I/O모듈, 프로그래밍 장치 로 구성되어 있다.

3.1. 프로세서

PLC의 두뇌 역할을 하는 중앙처리장치이다.

입력 모듈에서 받은 신호를 바탕으로 메모리에 저장된 프로그램을 해석하고 연산하여, 그 결과에 따라 출력 신호를 결정한다.

이는 알맞은 출력신호를 결정하기 위하여 PLC입력에 대해 여러 가지 논리 및 순서 기능을 수행한다. CPU는 I/O 처리를 용이하게 한 것 이외에는 PC나 기타 데이터 처리장치에 사용되는 것과 유사한 것이다. PLC 마이크로프로세서는 비트 사이즈와 클럭 속도의 범위가 다양하다.

3.2. 메모리

프로그램과 데이터가 저장되는 공간이다.

• 사용자 메모리: 사용자가 작성한 제어 프로그램과 각종 설정값이 저장됨
• 시스템 메모리: PLC 구동에 필요한 운영체제가 내장됨. (제조사 제공, 사용자가 변경 불가)

3.3. 전원공급장치

외부에서 공급되는 교루 전원을 PLC 내부 회로가 사용할 수 잇는 안정적인 직류 전원으로 변환해준다.

3.4. 입출력 모듈

외부 기기와의 신호를 연결하는 통로이다. 입출력 모듈은 제어되는 산업기계 또는 공정 자체에 연결된다.

• 입력(input) 모듈: 리밋 스위치, 누름버튼, 센서, 기타 on/off 장치로부터의 신호 를 받아들여 CPU가 이해할 수 있는 형태로 변환한다.
• 출력(output) 모듈: CPU의 연산 결과를 바탕으로 공정을 구동시키기 위한 모터, 밸브 및 기타 장치를 동작시키기 위한 on/off 신호 등을 내보낸다.

3.5. 프로그래밍 장치

사용자가 PLC에 제어 프로그램을 작성하고 전송하는 데 사용되는 장비이다.

PLC의 프로그래밍 장치는 PLC 캐비닛과 분리되어 있어 떼고 붙일 수 있기 때문에, 여러 PLC에 의하여 공유될 수 있다.

PLC 제조업체에 따라 로봇 교시장치와 비슷한 교시 펜던트 장치에서부터 특수한 PLC 프로그래밍 키보드와 모니터에 이르기까지 다양한 방법 및 장비를 제공한다. PC도 PLC 프로그램에 이용될 수 있다. 이 목적에 사용되는 PC는 공정 모니터링 및 감시 기능 또는 공정에 관한 데이터 처리를 수행하기 위해 PLC에 연결되어 있는 것이 일반적이다.

4. PLC의 동작 원리: 스캔 사이클 (Scan Cycle)

PLC는 사용자가 보기에는 모든 프로그램을 동시에 연속적으로 실행하는 것처럼 보이지만, 내부적으로는 입력 스캔 → 프로그램 스캔 → 출력 스캔 을 수 ms 단위로 반복한다. 이 반복적인 동작 사이클을 스캔(Scan)이라고 한다.

• 입력 스캔: 프로세서는 PLC에 대한 입력을 받아들이고, 이들 입력 상태를 메모리에 저장한다.
• 프로그램 스캔: 제어 프로그램이 실행된다. 메모리에 저장되어 있는 입력값을 이용하여 제어논리 계산을 수행하고, 요구되는 출력을 결정한다.
• 출력 스캔: 계산된 결과값을 실제 출력 모듈로 한꺼번에 내보내어 연결된 외부 기기를 동작시킨다.

이 세 단계를 한 번 완료하는 데 걸리는 시간을 스캔시간(scan time)이라 하며, 보통 수 밀리초(ms, 1/1000초) 단위로 매우 짧다. 입력 수, 로직 복잡도, 통신/출력 수 등에 따라 달라진다.

스캔 타임으로 인한 지연 문제

입력을 읽은 직후 실제 입력이 바뀌면, 해당 변화는 다음 스캔에 반영된다. 따라서 일시적인 부정확이 발생한다.

대부분의 공정에서는 이 짧은 지연이 문제 되지 않지만, 수 마이크로초(µs) 단위의 초고속 응답이 필요한 분야에서는 이 지연이 문제가 될 수 있다.

5. 현대 PLC의 확장 기능

초기 PLC는 논리제어와 순차제어 기능을 수행하기 위해 설계되었지만, 기술이 발전하면서 오늘날의 PLC는 더욱 복잡하고 다양한 기능을 수행한다.

• 아날로그 제어: 일부 PLC에는 온도와 힘과 같은 연속 변수를 조절할 수 있는 PID(proportional비례-integral적분-derivative미분) 제어 기능을 을 내장하여 공정 제어의 정밀도를 높인다.
• 운동과 서보모터 제어: 서보 모터와 결합하여 로봇 팔이나 컨베이어의 위치와 속도를 정밀하게 제어하는 역할을 수행한다.
• 연산 기능: 사칙연산은 물론, 더 복잡한 수학적 알고리즘을 수행한다.
• 행렬연산 기능: 메모리에 저장된 수치로 행렬연산이 가능하다면, 실제의 입출력값 세트와 미리 저장된 값의 세트를 비교하여 에러의 발생 여부를 결정하는 것이 가능하다.
• 데이터 처리 및 보고 기능
• 네트워크 연결성 및 기업 데이터와의 통합

※ 본 글은 『현대 생산자동화와 CIM』(Mikell P. Groover 저, 시그마프레스)를 참고하여 작성하였습니다.