제 1장 PLC란 무엇인가?

출처 : Freepik

1. PLC의 기원

 
1967 미국 자동차 업체인 GM(General Motor)사는 생산 기종 변경 시 자동차 조립 라인에서 복잡한 릴레이 제어반
시스템을 교체할 때 발생하는 비용과 시간을 줄이고자 시퀀스 전자제어장치의 10가지 조건을 발표했다.


- GM社가 발표한 전자 제어장치의 10대 조건
 
① 프로그램 작성 및 변경이 용이하고 시퀀스 변경을 현장에서 할 수 있을 것
② 유지 보수가 용이할 것
③ 현장에 있어서 신뢰성이 릴레이 제어반 보다 높을 것
④ 크기는 릴레이 제어반 보다 작을 것
⑤ 중앙 제어장치로 데이터 전송이 가능할 것
⑥ 릴레이 및 무접점 방식이 가능할 것
⑦ 입력은 AC 115V를 받을 수 있을 것
⑧ 출력은 AC 115V 2A 이상으로 솔레노이드 밸브, 모터의 기동, 조작이 가능할 것
⑨ 제어 시스템의 확장은 기본 시스템의 작은 변경으로 가능할 것
⑩ 프로그램의 확장은 최저 4Kbyte Word까지 가능할 것

당시에 위와 같은 10 가지 조건을 제시하고 이에 가장 부합되는 기기를 만들어 줄 것을 주문하였다.
이때 Medford사가MODICON (Modular Digital Controller)이라는 이름으로 이러한 조건에 맞는 제어장비를 제안하고, 슈나이더 일렉트릭 같은 여타 회사들도 PDP-8에 근거한 시스템들을 제안하였다.
그렇게 하여 탄생한 MODICON 084는 세계 최초의 PLC다.
 
 

2. PLC란?

 
1) PLC의 뜻
PLC는 Programmable Logic Controller의 약자로 프로그램 가능한 논리 제어 장치이다.
즉, 과거 릴레이 제어를 개선하기 위해서 탄생한 것이 PLC이다.
(기존에 배선작업으로 제어했던 산업현장을 프로그램으로 제어할 수 있도록 만든 것이 PLC이다.)

2) 릴레이의 뜻
릴레이는 쉽게 말해 ON, OFF가 있는 일종의 '스위치' 이다.
우리가 일반적으로 접하는 스위치는 '수동'으로 ON, OFF 해주지만, 릴레이는 '자동'으로 ON,OFF 할 수 있게끔 해주는 전자부품이다.
이러한 릴레이는 작동하기위해 필요한 전압은 낮지만, 입력될 수 있는 전압은 높기 때문에 흔히 낮은 전압/전류를 이용하여 더 높은 전압/전류를 제어하는데에 많이 사용한다.

3) 릴레이의 원리
릴레이는 내부에 '전자석'(코일)을 포함하고 있다. 이 전자석은 전류가 통하게되면 자석이되는 성질을 갖고 있다.
때문에 전원을 공급하게되면 릴레이 내부에 전자석이 자석이되어 옆에 있던 철편을 끌어당겨 스위치가 ON 이 되는것 이다.

릴레이 원리

4) PLC vs 릴레이

• 확장성
• PLC 제어 : PLC를 추가 사용하여 간단하게 확장 가능
• 릴레이 제어 : 판넬의 부피가 커지고 배선작업이 어렵고 복잡
• 유지보수
• PLC 제어 : 단순 문제되는 모듈 변경 / 프로그램 수정하여 유지보수 가능
• 릴레이 제어 : 문제되는 배선을 찾아야하고 재배선작업도 어려움

 
 

3. PLC의 구성

 

PLC 구성도

1) CPU

- 역할
① 메모리에 저장되어 있는 프로그램을 실행
② 데이터의 논리연산과 수치연산을 수행하여 결과를 저장 또는 메모리에 보냄
③ 메모리와 CPU 주변 장치의 하드웨어 동작을 제어
④ 프로그램 명령어로 인한 데이터를 처리

- 처리 방법
① 2진수로 처리

- 명령어 처리 과정
① Step : PLC 언어 LD 프로그램 또는 IL 프로그램 등의 언어로 작성한 메모리의 단위이다. 즉, 하나의 명령어를 처리하는 과정이다.
② Scan : PLC 프로그램을 맨처음 Step부터 마지막 Step (최종 END 명령)까지 한 번 수행하는 것을 스캔 타임이라고 한다.
③ Scan Time : 사용자 작성 프로그램의 1회 수행에 걸리는 시간을 의미한다. (통상 Scan Time이 5ms를 넘지 않아야한다.)

- 일반 PC CPU와 차이점
① 일반 PC CPU와 그 기능은 같으나, 데이터의 처리 속도가 일반 PC에 비해 다소 느리며 데이터 크기는 32Bit로 일반 PC CPU에 비해 데이터 워드 처리가 크게 요구되지 않는다.

2) Memory

- Memory 종류
① ROM(Read Only Memory) : 읽기 전용으로, 메모리 내용을 변경할 수 없다. 따라서 고정된 정보를 써넣는다. 이 영역의 정보는 전원이 끊어져도 기억 내용이 보존되는 불휘발성 메모리이다.

② RAM(Random Access Memory) : 메모리에 정보를 수시로 읽고 쓰기가 가능하여 정보 를 일시 저장하는 용도로 사용되나, 전원이 끊어지면 기억시킨 정보 내용을 상실하는 휘발성 메모리이다. 그러나 필요에 따라 RAM 영역 일부를 배터리 백업에 의하여 불휘발성 영역으로 사용할 수 있다.

- Memory 내용
① 사용자 프로그램 메모리 (Program Memory) : 제어하고자 하는 시스템 사양에 따라 사용자가 작성한 프로 그램이 저장되는 영역으로, 제어 내용이 프로그램 완성 전이나, 완성 후에도 바뀔 수 있으므 로 RAM이 사용된다. 프로그램이 완성되어 고정이 되면 ROM에 써넣어 ROM 운전을 할 수 있다.

② 데이터 메모리 (Data Memory) : 입․출력 릴레이, 보조 릴레이, 타이머와 카운터의 접점상태 및 설정값, 현재 값 등의 정보가 저장되는 영역으로 정보가 수시로 바뀌므로 RAM 영역이 사용된다.

③ 시스템 메모리 (System Memory) : PLC 제작 회사에서 작성한 시스템 프로그램이 저장되는 영역이다. 이 시스템 프로그램은 PLC의 기능이나 성능을 결정하는 중요한 프로그램으로, PLC 메이커에서 직접 ROM에 써넣는다.

3) 입력부

외부 기기로부터의 신호를 CPU의 연산부로 전달해 주는 역할을 한다.
입력의 종류는 DC 24 V, AC 110/220 V 등이 있고, 그 밖의 특수 입력모듈로는 아날로그 입력(A/D)모듈, 고속카 운터(high speed counter)모듈 등이 있다. 입력부 회로는 아래와 같다.

4) 출력부

내부 연산의 결과를 외부에 접속된 전자 접촉기나 솔레노이드에 전달하여 구동시키는 부분 이다.
출력의 종류에는 릴레이 출력, 트랜지스터 출력, SSR(Solid State Relay)출력 등이 있고 그 밖의 출력 모듈로는 아날로그 출력(D/A)모듈, 위치결정(POP) 모듈 등이 있다. 트랜지스터 출력부 회로는 아래와 같다.

 
 

4. PLC 프로그래밍 언어

 
(1) IEC61131-3 : 국제 전기 표준 회의(IEC)가 1993년 12월에 발행한 표준 규칙으로, PLC용의 이하 5종류 프로그램 언어를 정의한 것이다.

(2) IL (Instruction List) : 어셈블리 언어 형태의 언어로 현재는 거의 사용되지 않는 언어이다.

(3) LD (Ladder Diagram) : 릴레이 로직 표현 방식의 언어로 사다리라는 의미를 가지고 있다. 전원을 생략하여 로직을 표현하고, 코일이나 접점 등의 그래픽 기호를 통하여 PLC 프로그램을 표현하며, 현재 가장 널리 사용되는 언어이다.

(4) SFC (Sequential Function Chart) : 제어 동작을 STEP과 TRANSITION등의 그래픽 기호를 사용하여 프로그램의 실행 순서와 실행 조건을 표현하는 기술 형식이다.

(5) FBD(Function Block Diagram) : 시퀀스 프로그램 내에서 반복하여 사용하는 회로 블록을 부품화하여 프로그램에서 활용할 수 있도록 하는 프로그램 기능이다.

(6) ST(Stuctured Text) : 선택, 반복 등의 언어구조를 가지며 PASCAL과 유사한 구조화 텍스트 언어이다. 공업제어용 고급언어로, LD 에서 기술하기 어려운 수치연산 처리를 기술할 때 사용된다.