온도 컨트롤러와 Micro PLC를 사용하여 소규모 자동화 프로젝트 가속

열은 포장 밀봉 기계, 플라스틱 성형 작업, 납땜 리플로 오븐, 반도체 처리 등 다양한 산업 공정에서 중요한 요소입니다. 각 공정에는 구체적인 온도 레벨과 제어 정밀도가 요구됩니다.

자동화는 Industry 4.0 운영에서 생산성과 지속 가능성을 극대화하는 데 도움이 됩니다. 소형 기계와 열처리도 예외는 아닙니다. 하지만 모든 상황에 포괄적인 대규모 솔루션이 필요한 것은 아닙니다. 많은 응용 분야에서 비교적 간단한 전용 온도 컨트롤러와 소형 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)를 사용해 향상된 성능을 경험할 수 있습니다.

기계 설계자는 단상 및 3상 전력 환경을 위한 히터 컨트롤러, 다양하고 정교한 제어 알고리즘을 갖춘 히터 컨트롤러, 중소 규모 자동화 환경에 최적화된 PLC 등 간단한 자동화 프로젝트를 위한 다양한 옵션을 선택할 수 있습니다. 일부 소형 기계는 서로 분리된 상태에서 작동하지만, 대규모로 연결하여 운영하는 것이 유리한 경우도 있습니다.

이 기사에서는 하드웨어 및 소프트웨어 고려 사항을 포함하여 전력 컨트롤러 및 히터 컨트롤러 옵션을 검토합니다. 온도 측정용 센서 기술 및 중소형 기계에 최적화된 PLC와 관련된 시스템 통합 문제를 간략히 살펴보고, Omron의 대표적인 제품을 소개합니다.

열경화성 수지, 접착제와 같은 소재 경화부터 식음료 제품 생산까지 산업 공정에서는 효율성을 유지하고 품질을 보장하기 위해 온도를 제어해야 하는 경우가 많습니다. 산업용 히터도 필요하지만 핵심은 온도 컨트롤러입니다.

산업용 히터의 온도를 제어하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 시스템의 운영 우선순위에 따라 선택되는 접근 방식이 결정됩니다. 운영 비용이 주요 고려 사항이고 온도 제어는 약간 덜 정밀해도 되는 경우 간단한 전압 제어를 사용할 수 있습니다.

발열체에 전력을 공급하는 전압을 조절하여 히터의 전력 소비를 제어하고 열 발생을 조절할 수 있습니다. 전압을 신속하게 변경하여 그에 상응하는 온도 변화를 일으킬 수 있지만 시스템 설계에 따라 지연이 발생할 수 있습니다. 전압을 낮추면 에너지 비용을 절감하고 온도를 낮출 수 있습니다. 하지만 많은 공정에서 온도를 낮추는 데 드는 반응 시간이 너무 길어서 온도를 정밀하게 제어하기 어려울 수 있습니다.

기본 전압 제어 외 기능

대부분의 응용 분야에서 기본 전압 제어로는 충분하지 않습니다. 이러한 경우 설계자는 on/off 제어, 주기 제어, 최적 주기 제어 또는 위상 제어를 사용할 수 있습니다(그림 1). 이러한 기술은 성능적으로 각각 다른 특성을 보입니다.

• 위상 제어는 우수한 솔루션 크기와 비용과 대부분의 응용 분야에서 허용 가능한 소음 성능으로 최상의 제어 응답성을 제공합니다.
• 주기 제어는 우수한 제어 응답성, 솔루션 크기 및 비용, 뛰어난 소음 성능을 제공합니다. '최적' 주기 제어에서는 반주기마다 스위칭 상태가 결정됩니다.
• 무접점 계전기(SSR)를 사용한 on/off 제어는 가장 작은 솔루션 크기, 합리적인 비용, 뛰어난 소음 성능으로 우수한 제어 응답성을 제공합니다.

그림 1: 산업용 히터 제어를 위한 전력 스위칭 옵션 (이미지 출처: Omron)

위상 제어 및 최적 주기 제어 구현

Omron은 설계자에게 on/off 제어, 위상 제어 또는 최적 주기 제어를 구현하기 위한 다양한 옵션을 제공합니다. 정격 작동 전압이 100V_AC ~ 240V_AC인 G3PW-A245EU-S 모델이 여기에 포함되며 400V_AC ~ 480V_AC에서 작동하는 다른 모델도 있습니다.

이러한 컨트롤러에는 시스템 가동 시간을 늘리기 위한 히터 소진 감지 기능이 포함되어 있습니다. RS-485 통신 포트는 변수를 설정하고 부하 전류를 모니터링하는 데 사용됩니다.

G3PW 컨트롤러는 전체 런타임 모니터링을 지원하며 정저항 및 가변 저항 부하에 적합합니다.

다중 채널 전력 컨트롤러

G3ZA 다중 채널 전력 컨트롤러 계열에는 3상 최적 주기 제어 기능이 추가되어 3상 히터를 지원할 수 있습니다. 제로 크로싱 SSR과 함께 사용하면 저잡음 전력 작동을 지원합니다. 하나의 컨트롤러로 최대 8개의 SSR을 제어할 수 있습니다. 또한 램프 히터에 소프트 스타트 기능을 사용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: G3ZA 다중 채널 전력 컨트롤러는 3상 최적 주기 제어를 지원합니다. (이미지 출처: Omron)

3상 히터를 위한 3상 최적 주기 제어 기능이 추가되었습니다. G3ZA-4H203-FLK-UTU 모델은 100V_AC ~ 240V_AC 정격 전압에서 작동되며 RS-484 연결을 포함합니다. 다른 모델은 400V_AC ~ 480V_AC에서 작동할 수 있습니다.

시스템 통합을 위한 온도 컨트롤러

온도 컨트롤러(예: EJ1N-TC4A-QQ)를 전력 컨트롤러(예: G3ZA 계열 다중 채널 컨트롤러)에 연결할 수 있습니다. 온도 컨트롤러에는 온도 센서용 입력과 시스템 PLC용 연결이 있습니다. 입력 장치는 열전대, 플래티넘 저항 온도 감지기(RTD) 및 아날로그 입력을 처리할 수 있습니다.

비례 적분 디지털(PID) 제어를 구현할 수 있는 자동 조정(AT) 기능을 포함합니다. 자가 조정을 사용하면 단계 응답 방법을 수동으로 사용하여 PID 상수를 결정할 수 있습니다. 단일 DeviceNet 통신 허브를 사용하여 최대 16개의 온도 컨트롤러를 연결할 수 있습니다.

열 관리 소프트웨어

EJ1N 온도 컨트롤러에서는 EST2-2C-MV4 열 지원 소프트웨어 패키지를 사용하는 것이 좋습니다. EST2-2C-MV4를 사용하면 개인용 컴퓨터에서 파라미터를 편집하고 일괄 다운로드하여 구성 및 커미셔닝 속도를 높일 수 있습니다.

또한 최대 31개 컨트롤러에서 추세 모니터링을 지원합니다. 모니터링할 수 있는 파라미터에는 공정 값(PV), 시스템 값(SV), 조정 값(MV), PID 파라미터, 경보 켜기/끄기 상태 등이 있습니다.

지원되는 논리 연산에는 외부 입력(이벤트 입력) 또는 온도 상태의 입력 설정, 외부 제어 또는 보조 출력으로 값 전송, on/off 지연을 통한 작동 상태 변경 등이 있습니다.

향상된 PID

PID 제어는 온도 제어 응용 분야에 매우 유용합니다. 고속 스위칭 SSR을 지원하는 다중 채널 컨트롤러 G3ZA 계열과 같은 전원 컨트롤러는 PID 알고리즘을 사용하는 온도 컨트롤러와 함께 사용하면 필요한 온도 허용 오차 범위를 유지하는 데 필요한 미세 제어 기능을 제공합니다.

기본 PID 제어에는 측정 가능한 양의 오버슈트로 작동 SV를 빠르게 달성하거나 오버슈트를 최소화하되 SV까지 느리게 램프 업하는 트레이드 오프가 있습니다. 또한 SV를 달성하거나 센서로 측정한 실제 PV의 교란에 대응하는 트레이드 오프도 있습니다. PV 변화에 대한 효율적인 대응은 보통 SV 램프 업 성능 저하로 이어집니다.

Omron은 이러한 성능 트레이드 오프를 해결하기 위해 2자유도 PID(2-PID)라는 고급 PID 알고리즘을 개발했습니다. 출하 시 사전 설정된 PID는 대부분의 난방 응용 분야에 적합하며 최소 오버슈팅으로 응답을 지원합니다. 하지만 설계자는 2-PID를 사용하여 SV의 변화에 대한 반응 속도를 설정할 수 있으며, 컨트롤러에서 PID 알고리즘을 자동으로 조정하여 PV 교란에 최적화된 응답을 제공합니다(그림 3).

그림 3: Omron 2-PID 온도 제어(아래쪽 그래프)는 우수한 교란 응답(오른쪽)과 우수한 단계 응답(왼쪽)을 결합합니다. (이미지 출처: Omron)

2-PID 제어는 E5CC-QX3A5M-003과 같은 Omron의 E5CC 온도 컨트롤러에 포함되어 있습니다. E5CC 컨트롤러는 까다롭지 않은 응용 분야를 위한 기본 on/off 제어도 구현할 수 있습니다.

큰 흰색 PV 디스플레이에는 PV가 표시되고 작은 녹색 SV 디스플레이에는 희망 값이 표시됩니다(그림 4). CX-Thermo 관리 소프트웨어(선택 사항)는 빠른 프로그래밍을 지원합니다. 이러한 컨트롤러는 간단한 응용 분야의 경우 PLC의 개입을 통해 타이머 기능 및 기본 논리 연산을 구현할 수 있습니다.

그림 4: E5CC 온도 컨트롤러에는 PV 및 SV 값이 명확하게 표시됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

RS-485 인터페이스는 Modbus 통신 또는 Omron의 독점 CompoWay/F를 지원합니다. E5CC 컨트롤러는 다음과 같은 다양한 입력을 허용합니다.

• 12가지 유형의 열전대
• PT100 또는 JPt100 RTD
• 4mA ~ 20mA 또는 0mA ~ 20mA 전류 입력
• 1V ~ 5V, 0V ~ 5V 또는 0V ~ 10V 전압 입력

중단 억제를 위한 적응형 PID

NX-TC 적응형 온도 컨트롤러는 PID 제어 수준을 한 단계 끌어올리고 실시간 작동 조건에 적응할 수 있습니다. 적응형 제어를 사용하면 공정 변경에 따른 제어 설정을 자체적으로 최적화할 수 있습니다. 또한 NX-TC 컨트롤러에는 포장 밀봉 응용 분야와 수냉식 플라스틱 압출기용 기능이 내장되어 있습니다. 간단한 응용 분야의 경우 기본 켜기/끄기 제어를 구현할 수 있습니다.

교란 억제 기능(DSF)은 PID 제어와 함께 작동하여 다음과 같은 응용 분야에서 일상적인 교란과 예상되는 교란으로 인한 온도 강하를 억제합니다.

• 증착 장비 - 열린 도어를 통해 가스를 주입하거나 소재를 추가 또는 제거하면 챔버 온도가 떨어집니다.
• 웨이퍼 프로버 - 웨이퍼에 전류가 가해지면 온도가 상승합니다.
• 성형 시스템 - 수지를 주입할 때 성형 온도가 떨어집니다.

DSF는 예측 가능한 이벤트로 인한 양수 및 음수 온도 과도 출력을 자동으로 억제합니다. DSF는 교란 전 트리거 신호를 받으면 작동하며 MV에서 더하거나 빼는 방식으로 작동합니다. DSF를 이용한 PID 제어는 피드포워드(FF) MV, FF 작동 시간 및 FF 대기 시간을 조정하며 온도 안정화에 도달하는 시간을 최대 80% 단축할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: DSF로 향상된 PID 제어는 온도 안정화를 위한 대기 시간을 최대 80% 단축할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron)

SSR 구동용으로 설계된 2채널 NX-TC2405와 같은 NX-TC 장치는 확장성을 지원하도록 최적화되어 있습니다. 설계자는 Omron의 Sysmac studio를 사용해 다중 스테이지 냉/난방 공정을 구현할 때 여러 난방 회로 또는 위치를 프로그래밍 방식으로 제어할 수 있습니다.

NX-TC 컨트롤러는 DSF PID 외에도 on/off 제어를 지원하며 히터 소진 오류 감지 기능을 탑재하고 있습니다. 네트워크 연결을 위한 EtherNet/IP 및 EtherCAT이 탑재되어 있으며 다양한 열전대 또는 RTD 센서 입력을 수용할 수 있습니다.

측정된 항목만 최적화

전력 스위칭 설계, 온도 컨트롤러 및 열 관리 소프트웨어는 정보 공백 상태에서는 최적의 성능을 제공할 수 없습니다. 온도 센서는 컨트롤러와 소프트웨어가 작업을 수행할 수 있도록 운영 데이터를 제공합니다. 설계자가 사용할 수 있는 온도 센서 기술은 다음과 같이 다양합니다.

• 서미스터 - 온도에 민감한 저항기 역할을 합니다. 일반적으로 약 ±0.1°C의 반복성과 안정성을 제공합니다. E52-THE5A-0/100C 모델의 작동 온도 범위는 -50°C ~ 300°C입니다.
• Type K 온도 센서 - 크로멜 및 알루멜 도체가 포함된 열전대입니다. 침수 센서, 표면 센서 또는 기타 스타일로 구성될 수 있습니다. E52-CA1GTY 2M 모델의 작동 온도 범위는 0°C ~ 300°C입니다.
• RTD 센서 - 정확도가 높고 전기 잡음에 대한 내성이 있어 열악한 산업 환경에 적합합니다. E52-P6DY 1M 플래티넘 pt100 RTD 센서는 -50°C ~ 250°C에서 작동합니다.
• 비접촉 적외선(IR) 센서 - ES1-LW100-N처럼 1,000mm 거리에서 지름 35mm 대상 영역의 온도를 측정할 수 있습니다. 최대 1,000°C의 고온에서 사용할 수 있습니다.

시스템으로 하나로 묶기

최대 320개의 I/O를 갖춘 중소형 기계 설계자는 Omron의 CPE2 계열 PLC를 사용할 수 있습니다. 소형인 CPE2 계열 PLC의 통신 기능은 M2M(사물 지능 통신) 데이터 전송 및 산업용 사물 인터넷(IIoT) 통합을 지원합니다.

CPE2 PLC는 작동 온도 범위가 -20°C ~ +60°C로, 포장 및 밀봉 기계, 충전 및 캐핑 기계, 금속 또는 플라스틱 가공 공구, 플라스틱 성형 기계, 소형 부품 조립과 같은 다양한 산업 분야에 적합합니다. CP2E-N30DR-D 모델은 18개의 입력과 12개의 출력이 있으며 100V_AC ~ 240VAC 또는 24V_DC 전력에서 작동할 수 있습니다. NB7W-TW01B 7인치 컬러 터치스크린 HMI와 함께 사용하면 완벽한 시스템 솔루션을 구축할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: Omron CP2E-N30DR-D 컨트롤러 및 NB7W-TW01B 7인치 컬러 터치스크린 HMI (이미지 출처: Omron)

결론

열 관리는 많은 산업 공정에서 필수적인 요소입니다. 이를 위해서는 최적화된 알고리즘을 갖춘 전력 컨트롤러와 히터 컨트롤러를 선택하고 통합해야 합니다. 온도 센서는 열 관리의 또 다른 중요한 요소입니다. 마지막으로, 설계자는 소형 PLC로 전환해 M2M 통신 및 IIoT 통합을 지원할 수 있습니다.