산업용 제어와 테스트 및 측정에서 PLC의 역할

프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)는 산업용 컴퓨터로, 다음 작업을 수행합니다.

• 산업 자동화 응용 제품의 모니터 및 제어
• 테스트 및 측정 작동과 관련된 업무 실행
• 이 기사에서 다루는 범위 이상의 프로세스 유형 기능(HVAC 관련 기능 포함) 수행

PLC는 센서 및 입력 장치로부터 데이터를 수신하고 데이터를 처리하여 논리 기반 결정을 내리며, 기계 또는 전자 시스템에 제어 지침을 출력합니다. 이는 일종의 내장형 시스템으로, 컴퓨터 프로세서와 입력-출력(IO) 장치가 포함된 메모리를 결합합니다. 이는 경쟁 대상인 유선 계전기 기반 논리, PC 기반 논리와 매우 유사합니다.

물리적 형식의 측면에서 PLC는 통합 칩(IC) 구조를 지닌 매우 간단한 컴퓨터에서부터, 다중 섀시 내의 대규모 랙 실장 컨트롤러 하위 부품 모음에 이르기까지 매우 다양합니다. 더 간단한 마이크로 컨트롤러 기반 PLC 또는 시스템 온칩(SoC) 형태를 취하는 PLC는 매우 안정적이며 매우 낮은 전력 입력에서 작동합니다. 반면에, 대부분의 복잡한 PLC는 PLC와 실시간 산업 제어를 위한 범용 컴퓨터 간의 경계를 허뭅니다. 그러나 전자에서의 안정성 및 실시간 성능이 여전히 강조됩니다.

원래 PLC는 계전기 기반의 유선 제어 논리 및 드럼 시퀀서를 직접 대체하기 위한 것이었습니다. 이러한 초창기 PLC는 입력을 출력으로 변환하는 기본 작동만 수행하면 충분했습니다. 비례 적분 미분(PID) 제어가 필요한 모든 기계적 작업은 외부(연결된 아날로그 전자 제품)로부터 지원되었습니다. 이제는 PID 제어 및 심지어 더 정교한 작동도 PLC 지침 세트 표준의 일부가 되었습니다.

실제로는 PLC에 요구되는 기능이 점차로 급증함에 따라, 최근의 많은 PLC는 꽤 정교하며 복잡한 적응형 루틴을 수행할 수 있습니다. 전력이 급속히 향상되고 반도체 칩의 사이즈가 감소함에 따라(무어의 법칙의 도움으로) 작은 컨트롤러에서 전례없는 지능적 기능이 가능하게 되었습니다. 이러한 경향은 동작 제어, 비전 시스템 및 통신 프로토콜의 통합 지원으로 인해 지속됩니다. PLC 크기 스펙트럼의 반대쪽 끝에서는, 일부 응용 제품에 대해 일부 프로그래밍 가능 자동화 컨트롤러(PAC)가 PLC를 PC와 통합하여 PLC 및 전용 제어 시스템(전용 프로그래밍 언어로 실행됨)을 대체합니다. 최근 대부분의 PLC도 인간 기계 간 인터페이스(HMI)로 통합되고 있습니다.

PLC가 작동하는 산업용 디지털 환경

오늘날의 산업 자동화는 머신 피드백 및 작동 데이터와 디지털 장치 간의 복잡한 상호 연결에 의존하며, 그 목적은 다음과 같습니다.

• 디지털 장치 제어
• 앞선 성능 실행 — 예를 들어 IIoT 연결 및 기계 재구성 가능성과 관련된 성능
• 다양한 기계 및 작동 조건에 대한 의사 결정 활성화
• 전반적인 생산성 및 제품의 품질 향상

이렇게 자동화된 설치에는 이 데이터를 저장, 처리 및 제공하는 서로 다른 정보 시스템이 포함됩니다.

자재 요구 사항 계획 또는 제조 자원 계획(MRP) 시스템은 제품 계획, 일정, 재무 및 재고와 관련된 제어를 제공합니다. 반면에 이력 장치 시스템은 도화를 위해 센서 및 기기로부터 시계열 데이터를 저장하여, 작동자 및 관리 시스템이 자동화 경향을 이해하고 처리하도록 지원합니다. 통계적 공정 관리(SPC)는 하나의 이력 장치 응용 제품입니다.

인간 기계 간 인터페이스(HMI)는 기계 제어 패널(또는 모바일 장치에 무선으로 연결되는 모듈)로, 이를 통해 작동자가 데이터를 확인하고 명령을 발행할 수 있습니다. HMI 기능과 깊은 연관이 있는 감시 제어 및 데이터 취득(SCADA) 시스템을 통해 자동화된 기계와 해당 기계의 HMI 및 이력 장치 간의 상호작용을 실시간으로 제어하고 모니터링할 수 있습니다. SCADA를 사용하면 HMI가 여러 기계를 제어할 수 있으며 여러 장치와 관련된 데이터를 디스플레이할 수 있습니다.

제조 실행 시스템(MES)에는 작동 스케줄링 및 데이터 수집과 같은 기능이 포함됩니다. 어떤 면에서는 MRP 및 SCADA 사이의 어디쯤이라고 보여지기도 합니다.

전사적 자원 계획(ERP) 시스템은 제조 관련 MRP, MES, 제품 수명 주기 관리(PLM) 및 CRM 정보 시스템을 통합합니다. ERP 시스템은 이러한 모든 기능을 다루는 모놀리식 소프트웨어 모음일 수도 있고, 다양한 제공업체로부터의 특수 응용 제품과 인터페이스로 접속하는 주요 ERP 시스템일 수도 있습니다. 통상적으로는 상위 관리 계층만이 ERP와 상호작용하며, 해당 조직의 대부분의 직원은 이에 포함되는 컴포넌트 시스템 중 하나와 상호작용하게 됩니다.

PLC는 통상적으로 이러한 정보 시스템보다 낮은 수준에서 작동합니다. 이 장치는 기계, 모터 및 센서 간에 정보를 전송 및 수신합니다. 또한 이력 장치 또는 SCADA로 데이터를 전송하거나 SCADA 또는 HMI에서 제어 입력을 수신하는 등, 이들보다 더 높은 정보 수준에서 상호작용할 수도 있습니다. 또한 더욱 정교한 PLC는 SCADA 및 이력 장치 기능을 수행할 수 있으며, 점점 더 많은 경우에서 HMI 기능도 수행할 수 있습니다.

그림 1: PLC는 통상적으로 자동화 정보 시스템보다 낮은 수준에서 작동합니다. (이미지 출처: Jody Muelaner)

PLC는 자동화 분야에서만 발전해 온 것은 아니며, 제어 테스트 벤치(제품 개발) 및 실험실 계측 작업에도 사용됩니다.

• 위에서 언급했듯이 자동화는 일반적으로 진단을 강조하며, 실제 효율성을 위해 PLC로부터 결정론적 실시간 작동을 요구합니다.
• 반대로 측정 작업에 사용되는 PLC는 측정 수집 및 기타 형태의 데이터 획득을 빠르고 정확하게 실행하는 데 더욱 중점을 둡니다.

기계 자동화 작업에서는 PLC가 실시간 처리에 의존하며, 입력 및 응답 출력 사이의 지연이 밀리초 단위로 측정됩니다. 가장 간단한 PLC 기능을 제외하고는 실시간 작동 시스템(RTOS)이 필요합니다. 여전히 많은 PLC에서 전용 작동 시스템을 사용하지만, 개방 표준 작동 시스템에 대한 관심도 늘고 있습니다. 적절한 사례로 VxWorks는 산업용 제어에서 사용하도록 광범위하게 인증된 전용 RTOS로, Kuka 및 ABB 등의 여러 선도적인 로봇 제조업체에서 이를 사용합니다. 또는 오픈 소스 변형으로 MIT 오픈 소스 라이선스에 따라 자유롭게 배포되는 FreeRTOS가 있습니다. FreeRTOS에는 다양한 자동화된 응용 제품을 위한 여러 사물 인터넷(IoT) 라이브러리가 포함됩니다. 이 옵션에 대한 더 자세한 설명은 DigiKey의 기사인 Connect Designs Quickly and Securely to the Cloud Using Amazon FreeRTOS(Amazon FreeRTOS를 통해 설계를 빠르고 안전하게 클라우드에 연결)를 참조하십시오.

테스트 및 측정 작업의 경우 PLC는 실시간 처리에 의존하며, 필드 장치 측정 및 해당 수집 사이의 지연은 밀리초 단위로 측정됩니다. 이제 엔지니어가 선택의 여지 없이 인터페이스 컨버터와 전송 채널 시스템을 사용해야만 했던 시절은 지나갔습니다. 최근 스마트 주변 장치 및 I/O 조립품은 디지털 및 아날로그 입력을 통해 신호 모음이 개선되고 단순화되었습니다.

또한 오늘날의 엔지니어는 표준화된 인터페이스 및 상호 운용이 가능한 부품으로서의 역할을 할 수 있는 부품의 제조업체 간 호환성을 기반으로 더 많은 옵션을 지니고 있습니다.

PLC 기능이 통합된 I/O 부품을 생각해 보십시오. 이러한 부품은 Windows 또는 Linux 운영 시스템을 실행하고 이더넷 연결을 갖춘 구성 가능한 HMI와 호환되지만, 저전압 아날로그 신호를 생성하는 필드 장치를 위한 쉬운 재측정 옵션이나 아날로그 I/O가 없습니다. 또한 그러한 I/O 부품은 PLC 셋업과 함께 작동하여 원격 I/O 장치로부터, 그리고 자체 온보드 I/O를 통해 센서로부터 데이터를 수집합니다.

그림 2: T7 다기능 데이터 획득 장치(DAQ)에는 이더넷, USB, wifi 및 Modbus 연결이 포함되어 광범위한 필드 장치 및 산업용 HMI와 PLC와 함께 작동합니다. 특히 Modbus/TCP 연결은 개방성 및 유연성을 위한 여러 타사 소프트웨어와 하드웨어 옵션을 통해 제어 가능성을 제공합니다. 따라서 산업용 시스템 설계자 및 연구 및 개발((R&D) 엔지니어는 자신이 설계하는 데이터 수집 및 자동화 응용 제품을 위해 어떤 판매업체의 제품이든지 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: LabJack)

물론, 기계 자동화나 테스트 및 측정에 있어 PLC가 유일한 옵션인 것은 아닙니다. 모든 산업용 제어가 더 복잡해짐에 따라, 일부 판매업체는 향상된 기능을 강조하기 위해 특정 하드웨어를 프로그래밍 가능 자동화 컨트롤러(PAC)로 차별화했으며, 대부분의 경우 단일 하드웨어에 다수의 프로세서를 장착하는 것이었습니다. 실제로는 PLC도 복잡성이 증가했기 때문에, PLC 기능을 수행하는 일부 하드웨어가 PAC를 구성하는 경우에 대한 정해진 규칙은 없습니다. 대부분의 PAC는 PLC 및 PC의 성능을 통합하여, 여러 PC 기반 응용 제품 및 HMI와 이력 장치가 특징인복잡한 자동화 시스템으로의 역할을 합니다. 한 가지 확실한 차이는 PAC가 기존의 제어보다 더 많은 오픈 아키텍처를 갖추고 있어 개발자들이 사용하기에 더 쉽다는 점입니다.

그러나 오늘날에는 모듈식 PLC라는 또 다른 옵션이 있습니다. 모듈식 PLC는 서로 다른 기능을 수행하는 모듈로 구성됩니다. 모든 PLC에는 운영 시스템 및 프로그램을 위한 프로세서와 메모리가 포함된 CPU 모듈이 있어야 합니다. 별도의 전원 공급 장치 모듈과 추가적인 입력/출력(I/O) 모듈이 있을 수도 있습니다. 어떤 PLC에는 디지털 및 아날로그 I/O 모듈이 포함될 수도 있고, 또 어떤 모듈은 네트워크 통신을 위해 사용될 수도 있습니다.

PLC는 통합형(단일 인클로저에 모든 모듈 포함)일 수도 있고, 모듈식일 수도 있습니다. 통합형 PLC는 더 콤팩트하지만 모듈식 PLC가 더 다양한 기능을 갖추었으며, 통상적으로 여러 모듈을 서로 직접 플러깅하거나 공통 랙을 버스로 사용하여 더 쉽게 연결할 수 있습니다. 모듈은 버스에서의 위치에 따라 그 주소가 지정됩니다. 해당 랙의 물리적 지원 측면이 DIN과 같은 표준을 따를 수는 있지만, 데이터 버스는 통상적으로 PLC 제조업체의 소유입니다.

IoT에서 PLC의 역할

Industry 4.0(IIoT라고도 함)에 대한 관심이 늘면서, 산업 현장의 사용자는 인터넷 프로토콜을 사용하여 산업용 컨트롤러를 회사 네트워크에 연결할 수 있는 옵션을 더욱 기대하고 있습니다. 이는 전송 제어 프로토콜(TCP) 및 인터넷 프로토콜(IP) 또는 단순히 TCP/IP를 사용하는 통신을 의미합니다. 그러나 IIoT의 최신 경향은 인터넷 프로토콜을 사용하는 것만이 아니며, 또한 머신러닝과 빅 데이터가 중요합니다. PLC가 더욱 강력해짐에 따라(그리고 더욱 개선된 제어를 통해 PLC 기능을 기능으로 성립시킴), 비전 시스템과 같은 더 많은 기능을 제공합니다. 또한 인터넷 연결을 통해 엔지니어(시스템 PLC를 통해)는 머신러닝을 위해 매우 큰 데이터 세트(빅 데이터라고도 함)를 처리하기 위해 클라우드 기반 알고리즘을 활용할 수도 있습니다.

실제 응용 제품에서, 제어 자동화 기술용 이더넷(EtherCAT)은 그러한 IIoT PLC 기능에 탁월합니다. 이는 0.1msec 미만의 주기 시간을 지닌 실시간 제어 응용 제품에 적합한 이더넷 기반 통신 프로토콜로, 나노초 정확도로 동기화할 수 있는 가장 빠른 산업용 이더넷 기술입니다. 또 다른 중요한 이점은 네트워크 허브 및 스위치 없이 작동하는 EtherCAT 네트워크 토폴로지의 유연성입니다. 장치는 링, 라인, 스타 또는 트리 구성으로 간단히 연결할 수 있습니다. PROFINET은 이와 비슷한 기능을 제공하는 경쟁 표준입니다.

결론

점점 더 정교한 데이터 수집 및 산업용 제어가 가능해지는 최신의 경향은 지속될 것입니다. 이는 산업 자동화, 테스트 및 측정을 위한 PLC가 PAC와 비슷해지며, SCADA 및 이력 장치와 통합된다는 것을 의미합니다. 인터넷 프로토콜 및 EtherCAT과 같은 개방 표준도 PLC 통신을 점차적으로 수용하고 있습니다. 이러한 연결은 빅 데이터 분석 및 머신러닝과 같은 Industry 4.0 기술의 사용을 촉진할 것이며, 이는 필요한 처리 능력 및 메모리를 다음과 같은 장치에 분비하는 성능에 의해 부분적으로 실행됩니다.

• 클라우드 기반 컴퓨팅
• 데이터 처리가 가능한 에지 장치

이러한 경향과 더불어 비교적 간단한 테스트 및 측정, 그리고 최대의 안정성과 에너지 효율의 제어 기능을 실행하기 위해서는 기존의 PLC가 여전히 요구될 것입니다.