PLC 모션 컨트롤: PLC의 발전된 컨트롤 기술이 모션 컨트롤을 손쉽게 한다

초기 시퀀스 컨트롤에 한정되어 사용되던 PLC가 전 통합 자동화를 선도하는 지능화를 통해 PAC로 나아가고 있다. 1ms 이상의 고속이면서 동기 실시간성을 요구하는 모션 컨트롤 분야까지도 기술적으로 가능해 지면서 자동화 시장의 통합 컨트롤러로 성장했다.

글 / 오승모 기자 (smoh@motioncontrol.co.kr)

PLC에서 PAC로의 기술 진보

이러한 자동화 시장에서의 변화는 자동화의 메인 컨트롤러로 사용되고 있는 PLC(Programmable Logic Controller)에도 변혁을 요구하게 되었다. 초기의 단순 시퀀스 컨트롤 기능에서 이제는 시퀀스 컨트롤은 물론 프로세스 컨트롤, PC 컨트롤, 모션 컨트롤의 영역을 모두 아우르는 유연성, 개방성, 고성능화로 달려가고 있다. PLC가 전 통합 자동화와 초정밀 컨트롤을 선도하는 지능화를 통해 PAC(Programmable Automation Controller)라는 통합 컨트롤러로 발전한 것이다.
PAC의 사양은 기존의 PLC와 비슷한 반면 PAC의 기능은 휠씬 광범위해졌다. PAC는 다양한 기술을 한데 뭉치고 사용자가 원하는 대로 구성할 수 있는 다기능 컨트롤러 플랫폼이다. 반면에 PLC는 제조사에서 필요하다고 판단되는 기능만을 가진 공급자적 구조에 기반해 왔다. 기능이 특정 하드웨어에 기반을 두고 있기 때문에 해당기능을 운전중인 PLC에서 다른 PLC로 이전하기가 어렵다. 


러나 PAC는 포터블 컨트롤 엔진에 기능적 기반을 둔다. 각각의 애플리케이션은 사용자가 정한 운영체제에서 돌아가는 공통된 엔진을 통해 연동되며, 다른 시스템으로 이전하는 데에도 단지 몇 부분만 변경해 주는 것으로 가능하다. 엔진을 하드웨어에서 독립시키고 범용적인 운영체체를 사용함으로써 사용자의 요구에 맞게 규모를 확장하거나 개선하는 것이 가능하다.
PAC는 소프트웨어와 하드웨어의 통합을 최대로 할 수 있도록 설계되어 전체 시스템을 한 개의 프로그램으로 처리가 가능하다. 이러한 기능을 통해 시스템 내의 모든 기능에 접속할 수 있게 되고, PLC와 리모트 I/O, 운전 제어, 드라이브 모션 제어, PID 제어를 비롯한 많은 것들을 통합하고, 이더넷 TCP/IP와 인터넷 등의 사용을 통해 기업 전체의 통합을 지원하게 된다.
또한 자동화 기기들이 지속적으로 개발됨에 따라 컨트롤러는 전례없던 엄청난 양의 데이터를 소화해야만 한다. PAC는 더욱 확장된 데이터 처리능력을 통해 이러한 현장의 요구를 충족시킨다. 사용자들이 원한다면 언제든지 E-mail이나 웹사이트, PDA 등의 다양한 형식으로 정비 및 운전과 관련한 정보를 실시간 으로 확인이 가능하도록 지원한다.
이러한 새로운 관점의 컨트롤러는 제조업체에서 표준이 되는 구조를 자신이 원하는 방식과 진행 속도로 받아들일 수 있도록 하는 모듈 또는 블록형 설계로 이루어진다. 통합된 공통 개발 환경을 통해 계획 작성 및 도입에 드는 비용절감이 가능해 진 것이다. PAC는 기기와 같은 하드웨어의 세부 사항에 초점이 맞춰지는 것을 피하고, 개방형 통신 네트워크와 소프트웨어 통합, 그리고 시스템 전체적인 성능을 강조하고 있다.
애플리케이션 관점에서 기존의 PLC는 시퀸스 컨트롤에 강점이 있었지만 다른 부분에 대해서는 상대적으로 약했다. 사용자는 컨트롤 및 프로세스, 모션 컨트롤 애플리케이션을 PLC의 차세대 기술인 PAC 단일 플랫폼에서 빠르고 쉽게 설계하고 구현할 수 있다.

PLC 모션 컨트롤과
서보 모션 컨트롤러

모션 컨트롤 시스템은 다양한 모습을 통해서 개발, 구축되고 있다. 동기 실시간(Real-Time)을 생명으로 하는 분야이기 때문에 기존에는 전용의 모션 컨트롤러 및 프로그램을 개발함으로써 시스템 구축이 가능했다. 이후 PC의 기술발전에 따라 범용의 PC 기반 모션 컨트롤러가 등장하였고, 범용의 모션 컨트롤러가 일반화되기도 하였다.
최근에는 자동화 시스템에서 차지하는 모션 컨트롤의 비중이 날로 증가하면서 서보 모터와 서보 드라이버를 최적의 상태로 구동하고 컨트롤하고자 하는 노력을 통해 모션 컨트롤러를 하나의 독립된 제어기기 분야로 확대시켰다.
PLC의 관점에서는 모션 컨트롤에 대한 현장에서의 증가하는 요구에 보답하기 위해 PLC 모션 컨트롤을 지속적으로 공급하고자 노력하게 되었으며, 광범위하게 특수 모듈의 하나로 위치 결정 모듈을 제공하여 간단한 애플리케이션 분야에서의 소형 축 모션 컨트롤을 제공해 왔다.
바로 몇 년전부터는 PLC 관련 컨트롤 기술과 개방화 및 네트워크 기술, 그리고 소프트웨어에 대한 고급 기술들이 PLC에 접목되면서 PLC에서의 모션 컨트롤 관련 기술이 다음과 같은 3 가지 방식으로 나가고 있는 중이다.

1. PLC CPU에 모션 기능을 내장
2. PLC CPU에 모션 CPU를 추가
3. PLC 모션 모듈을 통해 강력한
    모션 컨트롤러 기능을 수행

1번 방식은 씨멘스가 채택하고 있는 방식으로 PLC의 시퀀스 기능을 중심에 두고, 2~8축의 소형이면서 단순한 모션 컨트롤에 대응하고 있다. 16축이상의 다축 모션 컨트롤 시스템은 SIMOTION D라는 모션 전용의 고성능 모션 컨트롤러를 활용한다는 방안이다.
2번 방식은 미쓰비시가 주로 자동차 및 반도체, 디스플레이 시장에 대응하여 제공하는 고성능 모션 컨트롤 애플리케이션 방안으로 8축에서 16축 컨트롤이 가능한 다양한 제품을 보유하고 있다. 이는 PLC CPU와 모션 CPU를 동시에 배치하여 운용하는 독특한 멀티 CPU 운전방식을 통해서 적용이 가능하다. 또한 단축에서 8축까지의 단순 위치결정용으로는 별도의 위치결정 모듈을 통해서 소화가 가능하다.
3번 방식은 이전까지 다양한 업체들이 PLC의 특수 모듈 형태로 단순 모션 기능의 위치결정 모듈로 개발하여 부가하는 식으로 대다수의 PLC 업체들이 해당된다. 그러나 최근에는 단순 기능의 위치결정 모듈을 넘어서서 전용의 모션 컨트롤러 수준의 모션 컨트롤이 가능한 모션 모듈을 개발하여 구성하고 있는 중이다. LS산전 및 GE 화낙, 로크웰오토메이션 등의 제품이 이에 해당한다.
PLC의 기능이 업그레이드되면서 모션 컨트롤 애플리케이션의 방안도 많은 변화가 예상된다. 고급의 정밀 다축 모션 컨트롤 분야에서는 서보 모션 컨트롤러를 통한 서보 시스템 컨트롤로 나아가고 있으며, 상대적으로 정밀도가 중요치 않는 1~8축의 단순 모션 컨트롤 분야를 PLC 모션 컨트롤이 적극 수용해 나가고 있는 중이다. 이러한 변화는 CPU 설계 기술 및 다양한 IT 기술의 접목, 그리고 개방형 네트워크의 고도화를 통해서 가능해졌다.

LS산전
LG에서 LS라는 새로운 CI를 통해 재출범한 LS산전은 최근 PAC 개념을 추구하는 차세대 PLC인 XGT 시리즈를 출시한 바 있다.
오픈 네트워크를 기반으로 초고속 처리속도, 컴팩트한 사이즈 및 대폭 개선된 소프트웨어를 바탕으로 강력한 엔지니어링 환경을 제공하는 XGT PLC는 0.028us의 CPU 처리속도와 XGT 고유의 고속 전송 알고리즘 개발로 고속의 백플레인(Base) 전송을 통한 내부 인터페이스 성능을 실현했다.
특히 최근 개발을 완료한 네트워크 기반의 모션 컨트롤 모듈(XGF-M16M)을 채용하여 동기제어, 토크제어, 위치제어 및 속도제어 영역에서 최대 16축까지 강력한 고기능 모션 애플리케이션 구축을 지원하게 되었다.
XGT PLC(XGF-M16M) 및 GLOFA PLC(G4F-M16M)에 손쉽게 모듈형태로 부착하여 PLC와 함께 최적의 시스템 구성이 가능한 LS산전의 모션 컨트롤러는 일본 야스카와전기와의 공동연구를 통해 탄생한 제품으로 메카트로링크II라는 모션 전용의 고속 네트워크를 기반으로 하여 다양한 장비에서 필요로 하는 고성능의 모션 컨트롤을 실현한다.
특히 통신 케이블 연결만으로 네트워크를 통해 서보 드라이브, 모터의 파라미터 인식 및 초기값 설정이 자동으로 처리됨으로써 시스템 설치 시간을 대폭적으로 줄일 수 있으며, 현장의 복잡한 설비에서 요구되는 다양한 형식의 서보 모터 운전을 하나의 모션 컨트롤러에서 완벽한 제어가 가능하다.
LS산전 관계자에 따르면 “M16M 모션 컨트롤러는 야스카와전기의 서보모터(시그마II, 시그마III), 리니어 모터(리니어 시그마) 및 DD모터(DD 시그마) 시리즈 모터와 모션 전용의 고속 네트워크인 메카트로링크II를 통해서 32축까지의 고기능 모션 애플리케이션 수행이 가능한 제품”이라고 말했다.
특히 최근 들어 산업 자동화 관련 가장 큰 시장으로 떠오르고 있는 디스플레이 장비 시장에서의 PLC 수주를 위해서는 신뢰성 있는 모션 시스템이 필수적이기에 일본 야사카와 전기와의 발빠른 기술협력이 가능했다는 후문이다.
같은 맥락에서 PLC를 가지고 있지 않는 야스카와의 입장에서도 국내 디스플레이 라인에 자사의 서보 시스템을 적용하기 위해서는 특단의 조치가 요구되는 상황이었다.
LS산전의 서보시스템에 대한 요구와 야스카와의 컨틀로러에 대한 요구가 상호협력을 유인했던 것이다.

 

미쓰비시전기
점점 다양화, 고도화되어 가는 산업 현장에서의 요구에 폭넓게 대응하기 위해서 미쓰비시의 MELSEC-Q 시리즈 PLC는 시퀀스 및 모션, 프로세스, PC CPU로의 진보된 성능 개발로 부터 네트워크 모듈, 인텔리젼트 기능 모듈, 그리고 소프트웨어에 이르기까지의 라인업을 확장하고 있다.
또한 최근 새롭게 발표한 MELSEC-Q 이중화 시스템이 주목된다. 기존의 이중화 시스템에서 한층 진보하여 CPU, 전원, 베이스를 포함한 시스템 전체를 이중화시킨 것이다. 미쓰비시의 이중화 시스템은 공장 자동화로부터 프로세스 자동화 및 서비스, 오락 등 산업 자동화 이외의 분야까지 폭넓은 고신뢰성 시스템 구성을 지원한다.
오는 4월부터 국내시장에 출시할 예정인 모션 컨트롤러 Q시리즈는 고성능화, 소형화를 실현하였으며, 기존의 MELSEC-Q 시리즈 시퀀스와의 멀티 CPU 시스템에 대응하여 용도에 맞게 모션 CPU와 시퀀스 CPU를 융통성있게 선택할 수 있도록 했다. 1시스템에 최대 96축까지의 대규모 모션 시스템 실현이 가능하다.
새로운 발상으로 탄생한 멀티 CPU 시스템은 모션 CPU로 복잡한 서보 제어를, 시퀀스 CPU로 기계 제어 및 통신 제어를, 컴퓨터 CPU로 정보 제어를 행하여 각 CPU 유닛에 제어 처리의 부하를 분산시켰다. 이러한 부하 분산으로 과부하 없는 제어 시스템 구축이 가능해졌다. 또한 시퀀스 CPU가 관리하는 I/O 유닛과 모션 CPU가 관리하는 I/O 유닛을 동일 베이스에 장착할 수 있도록 했으며, 시퀀스 CPU 한대를 기본으로 하면서 모션 CPU, 시퀀스 CPU, PC CPU를 혼합 배치하여 시스템과 제어 축수에 따라 최대 4대의 CPU에 의한 멀티 CPU 구성이 가능하다.
이 제품은 모션 연산주기 및 서보 드라이브의 지령 통신주기를 0.88ms로 크게 단축하여 기존 대비 4배나 빨라졌다. 이로써 캠 동작 고속화, 운전 택-타임의 단축을 실현하여 동기, 속도, 위치 제어의 고정도를 실현하였다.
한편 SSCNET이라는 모션 전용 고속의 광통신 방식을 채용하여 50Mbps의 실시간 고속 통신을 통해 미쓰비시의 MELSERVO-J3에 대응하여 서보 모터의 동기 시스템 및 앱솔루트 시스템의 용이한 구축을 지원한다. 국간 최대 50m, 최대 총연장 거리 800m를 실현하였으며, 1CPU당 최대 32축의 서보 앰프 일괄 제어가 가능토록 했다.

씨멘스
SIMATIC S7 PLC와 더불어 모션 컨트롤 솔루션이 필요하다면 씨멘스의 TCPU를 고려할 수 있다. PLC의 통합 기술과 모션 컨트롤 기능을 직접 통합한 제품으로 기존의 SIMATIC S7 PLC의 CPU에 최신의 모션 기능을 첨가했다. 결국 하나의 SIMATIC CPU를 통해 PLC와 최대 16축까지의 고기능 모션 컨트롤 애플리케이션이 가능해 진 것이다.
프로그램에 있어서도 하나의 S7 프로그램으로 PLC와 모션 컨트롤의 프로그램이 가능하고, 모든 SIMATIC 언어를 지원함으로써 별도의 프로그램 및 사용자 교육이 필요없다. 또한 고속의 로컬 디지털 I/O와 2개의 PROFIBUS 인터페이스를 통해 온-보드 기능과 모든 필요한 영역에서의 컴팩트한 연결이 가능하다.
SINAMICS 서보 드라이브의 컨트롤러로써 씨멘스의 SIMOTION 모션 컨트롤러도 주목된다. SIMOTION은 PLC 컨트롤러 기반, 드라이브 기반, PC 기반의 3종류로 구성되며, 컨트롤러 기반의 SIMOTION C는 SIMATIC S7 PLC에 모션 기능을 추가한 제품이다.
SIMOTION C는 SIMATIC S7 CPU에 모션 기능을 추가함으로써 로직 컨트롤과 모션 컨트롤이 복합적으로 요구되는 애플리케이션에서 강력한 기능을 발휘하는 PLC 기능과 모션 기능을 동시에 수행하는 강력한 모션 컨트롤러이다.
SIMATIC S7 PLC 모듈에 기반하고 PROFIBUS DP, Ethernet 등의 다양한 네트워크를 지원하며, SIMATIC S7 PLC의 다양한 I/O 등을 그대로 사용이 가능하다. SIMOTION C는 파워, 모션 컨트롤러, SIMATIC S7용 I/O 모듈로 구성되며, 주요 적용 분야로는 포장 기기, 플라스틱 및 고무 공정 제어, 섬유 기기, 인쇄 기기, 목재 및 유리 가공기기 등의 로직 컨트롤과 모션 컨트롤이 동시에 요구되는 애플리케이션에 적합하다.

<웹사이트>
LS산전 http://www.lsis.biz

미쓰비시전기오토메이션
http://www.hanneung.com

씨멘스 http://seimens.seoul.kr