기획연재 ① PLC의 구조와 주요 특성

PLC의 정의와 활용 분야

1. PLC의 정의 및 분류

PLC란 기존에 사용하던 제어반 내의 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 LSI, 트랜지스터 등의 반도체 소자로 대체시키고 기본적인 시퀀스 제어 기능에 추가된 수치 연산 기능을 통해 프로그램 제어를 지원하는 제어 장치이다. NEMA(National Electrical Manufacturers Association, 미국 전기 공업회 규격)는 PLC를 “디지털 또는 아날로그 입출력 모듈로 로직, 시퀀싱, 타이밍, 카운팅, 연산과 같은 특수한 기능을 수행하기 위해 프로그램이 가능한 메모리를 사용하고 여러 종류의 기계나 프로세서를 제어하는 디지털 동작 수행 전자 장치”라고 정의한 바 있다.

한편, PLC는 크기와 형태에 따라 일체형(블록 유형)과 모듈형으로 분류되는데, 대체로 일체형은 소형 PLC로, 모듈형은 대형 PLC로 불리고 있다. 일체형 PLC는 비교적 소형의 자동화 시스템에 활용되는 PLC로, 전원 장치, CPU, 메모리, 입력 및 출력의 모든 기능이 하나의 케이스 안에 설치되어 있다. 일체형 PLC는 취급이 간단하다는 점과 저가라는 장점과 함께 확장 유닛 장착 시 입출력 점수에서 한계를 갖게 된다는 단점도 가지고 있다.

또한 일체형 PLC는 PLC 간의 통신, 아날로그 신호 처리, 위치 결정과 같은 고도의 기능을 수행하기 어려우며, 프로그램 스텝 수도 제한적일 뿐만 아니라 상위 컴퓨터와의 작업 정보 전송 및 작업 지시 정보 교환 등에서 한계를 보인다. 이와 같은 일체형 PLC는 간단한 설비 자동화나 단독 제어 설비의 자동화에 활용되는데, 사용자는 장래의 확장성이 요구되는 설비에서는 입출력 점수 및 기타 기능을 고려해 적절한 모듈형 PLC를 선정해야 한다. 한편, 또 다른 PLC인 모듈형 PLC는 기본 유닛에 파워 유닛과 CPU 유닛을 기본적으로 설치하는 것이 가능하며, 자동화 대상의 기능에 따라 여러 종류의 입출력 장치를 추가 사용하는 것 또한 가능하다.

이에 더해 모듈형 PLC는 일체형에 비해 향상된 CPU 기능을 보유하고 있으며, 고속 처리 및 대용량 데이터 처리 역시 수행 가능하다. 이 때문에 PLC 간의 통신이나 상위 컴퓨터와의 빠르고 다양한 통신 지원이 가능해졌다. 사용자는 이 같은 기능을 활용해 PLC를 CNC, 로봇, 상위 컴퓨터에 연결할 수 있어 대단위의 자동화를 수행 가능하다. 더 나아가 사용자는 모듈형 PLC의 컴퓨터 통신을 활용해 수주에서 생산 판매에 이르는 전 과정을 자동화하는 총합화 생산 시스템을 구성할 수 있으며, 생산 활동이 기계에 의해 진행되는 무인 공장화 역시 설계할 수 있다.

2. PLC의 역사

자동화 초기 단계에는 릴레이(유접점)가 활용됐는데, 릴레이 사용 시 단순함과 저렴함이라는 효과를 얻을 수 있었음에도 수명에 한계가 있는데다가 제어 환경 변화 시 모든 회로를 재구성해야 하는 번거로움이 발생했다. 이에 GM(General Motors)사가 자동차 조립 라인에 사용할 새로운 제어 장치를 구매하기 위해 제어장치가 구비해야 할 10가지 조건을 명시했고, 이것이 PLC의 출현 동기가 되었다. 1970년대 중반 여러 개의 프로세서가 장착된 PLC가 등장하기 시작했고, 70년대 후반부터 16bit 마이크로프로세서가 CPU로 채택됐다.

80년대에 들어와 전 산업 분야에서 일반화, 지능형 I/O 모듈과 고기능 통신 장치가 개발되어 상위 컴퓨터와의 통신이 원활해졌으며, 다양한 소프트웨어와 컴퓨터를 통한 프로그램 작성도 가능해졌다. 80년대 중반부터는 PLC, 컴퓨터, 로봇 등을 통합한 CIM(Computer Intergrated Manufacturing, 총합화 생산 시스템)의 개념이 발전하기 시작했고, 90년대에 이르러서는 퍼지 이론을 도입한 퍼지 모듈과 전용 퍼지 제어기가 등장했다. 이로 인해 작업 지시나 작업 정보를 컴퓨터로부터 수신하고 전송할 수 있게 되었고 이는 곧 고생산성으로 이어졌다.

3. PLC의 활용 분야 및 차별성

최근 산업 분야에서 설비 자동화와 고능률화에 대한 요구가 커지면서 PLC의 적용 범위가 확대되고 있다. 특히 FA와 FMS(Flexible Manufacturing System)로 인해 증가 중인 PLC에 대한 요구는 과거 중규모 이상의 릴레이 제어반 대체 효과에서 현재에는 고기능화, 고속화의 추세로 소규모 공작기계부터 대규모 시스템 설비에 이르기까지 적용되고 있다.

제어 대상에 따라 PLC 활용 분야를 나타내면 다음 <표 1>과 같다.

이처럼 다양한 활용 분야에서 제어를 수행하는 PLC의 기능이 점차 발전함에 따라 PLC와 산업용 컴퓨터 간의 기능적 측면에서 차별성이 줄어들고 있다는 평가가 생겨나기 시작했다. 하지만 PLC는 다른 산업용 장비와는 달리 기본적으로 메모리에 있는 프로그램의 시작점부터 마지막 점까지 반복적으로 로직을 수행함으로써 수행 과정을 순차적으로 진행하며, 로직 표현 시 직관적인 래더 다이어그램을 사용한다는 차별성을 가지고 있다. 뿐만 아니라 PLC는 기본적으로 더 열악한 산업용 환경에서도 제어를 수행할 수 있도록 지원하는 구조로 설계된다.

자료제공 | 연암공과대학교(www.yc.ac.kr)