2.2 프로세스 자동화(PLC+HMI, DCS)(1)

제조실행시스템(MES)은 제조 현장의 생산 프로세스를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 소프트웨어 기반 시스템입니다. 생산 계획, 작업 지시, 자재 관리, 품질 관리, 생산 실적 분석 등 다양한 기능을 제공하여 제조 효율성을 높이고 생산 비용을 절감하는 데 도움을 줍니다.

제조실행시스템

2.2.1 PLC의 정의 및 구조

PLC는 1968년 미국 GM(General Motors)에서 요구된 10개 항목을 만족하는 컨트롤러로서 탄생되었다. 기존에 사용되던 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 반도체 소자로 대체시킨 산업용 제어 컨트롤러로서, 디지털 또는 아날로그 입·출력부를 매체로 하여 여러 가지 형태의 기계나 공정을 제어하는 디지털식 전자 제어장치다.

오늘날 산업 현장에서 가장 많이 채택되고 있는 보편적인 컨트롤러로서 재래식 유접점식 릴레이 시퀀스를 대체하기 위해 탄생된 전자적인 첨단 자동화 제어장치라고 할 수 있다. PLC 탄생 전의 시퀀스제어 방식의 주류는(유접점) 릴레이로 다음과 같은 결점이 있었다.

■ 접점의 접촉 불량
■ 접점의 마모
■ 다수 릴레이의 설치와 배선 작업의 어려움
■ 제어 내용 변경의 번거로움

예를 들어, 1개의 솔레노이드 밸브를 5초 간격으로 동작시키는 데는 최소 스위치 1개, 타이머 1개, 솔레노이드 밸브 1개가 필요한데, 20개의 솔레노이드 밸브를 5초 간격으로 순차적으로 동작시키는 데는 스위치 1개, 타이머 20개, 솔레노이드 밸브 20개로 그 수가 급격히 늘어난다.
 

GM에서 요구된 10개 항목

1. 프로그래밍 및 프로그램의 변경이 용이하고 순서의 변경은 현장에서 가능할 것 
2. 보수가 용이할 것(완전한 플러그인 방식 요구)
3. 릴레이 제어반보다 현장에서의 신뢰성이 높을 것
4. 릴레이 제어반보다 작을 것
5. 컨트롤러 모듈은 중앙 데이터 수집 시스템에 데이터를 전송할 수 있을 것
6. 릴레이 제어반보다 경제적으로 저렴할 것
7. 입력은 AC 115V의 사용이 가능할 것
8. 출력은 AC 115V, 2A 이상으로 솔레노이드 밸브, 모터 기동기 등을 구동할 수 있을 것
9. 시스템 변경을 최소한으로 하여 기본 시스템을 확장할 수 있을 것
10. 최소 4K word까지 확장할 수 있는 프로그래머블 메모리를 가지고 있을 것

 

대부분의 PLC에서 채용하는 방식은 직렬 반복연산 방식으로 모든 시퀀스 프로그램을 메모리에 로딩해 두고, 시퀀스 프로그램을 실행할 때는 최초의 명령인 0번 스텝부터 순차적으로 실행하고, 최후의 스텝인 END 명령까지 실행을 완료하면 다시 처음 스텝으로 돌아가 PLC의 운전모드가 정지(stop) 모드로 될 때까지 몇 번이고 반복하여 실행하게 된다.
 

입력 Refresh

프로그램을 수행하기 전에 입력 Unit에서 입력 Data를 Read 하여 Data Memory의 입력용 영역(P)에 일괄 저장한다.
 

출력 Refresh

프로그램 수행 완료 후 Data Memory의 입력용 영역(P)의 Data를 출력 Unit에 일괄 출력한다.
 

즉시 입·출력 명령을 사용한 경우(IORF)

명령에서 설정된 입·출력 카드에 대해 프로그램 실행 중 입·출력을 Refresh 한다.
 

출력의 Out 명령을 실행한 경우

시퀀스 프로그램의 연산 결과를 Data Memory의 출력용 영역(P)에 저장하고 END 명령 수행 후 출력 Refresh에 해당 접점을 ON 또는 OFF 시킨다.

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2.2.2 PLC 프로그래밍 언어

PLC는 사용자의 프로그램에 의해 본체에 연결된 외부 입·출력기기를 제어한다. 요즘에 사용되고 있는 PLC는 각 제작사마다 H/W는 유사하지만 프로그램 명령어가 조금씩 다르기 때문에 서로 다른 기종 간 호환성이 없다. 최근에는 PLC 상호 간 호환성을 고려하여 IEC 1131-3을 중심으로 S/W의 규격화를 전개해가고 있으나, 대체적으로 제작회사별 명령어를 사용하고 있다.
 
PLC 제어는 프로그램의 내용에 의해 좌우되기 때문에 사용자의 프로그램 작성능력이 요구된다. 프로그램을 메모리에 넣어 일의 순서를 결정하는데, 이는 마치 배선작업과 같다고 할 수 있다. 따라서 정확한 동작을 위해서는 입·출력기기의 올바른 배선과 프로그램 및 PLC 제어 특성에 대해 이해해야 한다. 
 
현재 사용 중인 프로그래밍 언어로는 LD(Ladder Diagram, 래더도 방식), IL(Instruction List, 명령식 방식), SFC(Sequential Function Charts), FBD(Function Block Diagram), ST(Structured Text) 등이 있다. 니모닉(Mne-monic)은 어셈블리 언어 형태의 문자 기반 언어로 휴대용 프로그램 입력기(Handy Loader)를 이용한 간단한 로직의 프로그래밍에 주로 사용된다. 
 
래더(Ladder)는 사다리 형태로 전원을 생략하여 로직을 표현하는 릴레이 로직과 유사한 도형 기반의 언어로 현재 가장 널리 사용되고 있다. 모든 기계장치나 설비 등은 동작해야 할 순서나 정해진 범위 내에서 운전되어야만 목적을 달성할 수 있는데, 이 목적 달성을 위해 정해진 순서, 정해진 범위 내에서 동작되도록 조작하는 것이 제어이다.
 
시퀀스제어 기술과 디지털 논리회로의 기반 위에 PLC 프로그램을 작성하기 위해서는 다음과 같은 과정이 필요하다.
 

제1단계

제어대상의 기계장치나 설비의 동작 내용을 파악하여 다음 사항들을 결정해야 한다.

■ 작업 내용의 구체적 공정도를 작성한다.
■ 액추에이터의 종류와 수량을 결정한다.
■ 센서의 종류와 수량을 결정한다.

 

제2단계

PLC 기종 선정 및 입·출력(point, tag) 할당이다. PLC 선택의 기준으로는 가격 경쟁력, 제품의 성능, 공급 회사의 신뢰성, 제품의 호환성, 기술지원 인력의 전문성 등이 있다. CPU 모듈을 선정할 때는 기본적으로 I/O포인트, 연산 속도, 내장 기능, 메모리 확장기능 등도 검토되어야 한다. 주변기기(컴퓨터)와의 통신 방법도 고려사항 중의 하나이다. 
 
국내의 경우는 시리얼통신, 필드버스(DeviceNet, cc-link, Profibus, Profinet), DH+/DH485 등이 많이 쓰인다. 보통 국내는 반도체/ 디스플레이, 전자/ 전기, 기계, 장치/화학 등 업종별로 선호하는 기종이 구분되는 경우가 많다. 입·출력 할당이란 패널상의 각종 명령 스위치, 검출 스위치, 제어 대상의 조작기기, 표시기 등의 입·출력 기기를 PLC의 입력 및 출력 유닛의 몇 번째 입력점과 출력점에 접속하여 사용할 것인가를 정하는 것이다. 
 
액추에이터의 종류에 따라 출력 유닛을 설정하고 또한 검출기의 형식에 따라 입력 유닛의 형식을 결정해야 하며, 그 수량은 곧 PLC의 입·출력 점수(I/O 포인트)에 따른 규모가 된다. 입·출력 점수는 대개 장치의 규모와 제어 기능에 따라 결정되는데 입·출력 점수에 따라 Nano급(약 1~32점), Micro급(소형, 약 33~128점), Medium급(중형, 약 129~512점), 대형(513점 이상)으로 구분된다.
 

제3단계

시퀀스 프로그램을 작성한다. 가장 중요하고 어려운 작업이며 PLC의 시퀀스 프로그램은 보통 릴레이 심벌식의 래더 다이어그램으로 작성하는 것이 대부분이다. 이상적인 프로그램을 위해서는 선정된 PLC의 명령어를 충분히 이해하고 있어야 하며, 전동기(모터)나 전자밸브를 제어하는 기본 회로의 숙지도 반드시 필요하다.
 

제4단계

시퀀스 프로그램에 기초해서 내부 릴레이, 타이머, 카운터, 레지스터 등의 데이터 메모리를 할당한다. 시스템의 특성에 따라 정전 시 동작상태 유지가 필요한 기능에는 내부 릴레이 할당 시 래치 릴레이를 사용한다.
 

제5단계

코딩(coding)및 로딩(Loading) 단계로서 코딩작업은 릴레이 심벌릭 언어를 사용하는 기종에는 해당사항이 없으며 니모닉 방식의 언어를 사용하는 기종에 한해 사용하는 PLC의 명령어를 충분히 익히고 시퀀스 프로그램과 입·출력 할당표, 데이터 메모리 할당표 등을 보면서 차례로 실시한다. 로딩작업은 시퀀스 프로그램의 내용을 PLC의 메모리에 올리는 과정으로 기종마다 각각 다르다.
 

제6단계

시뮬레이션 및 테스트 운전 단계이다. 시운전 단계의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 간단한 제어시스템인 경우에는 로딩이 완료되면 곧바로 시운전에 들어가도 사고를 일으킬 가능성이 적어 문제 되지 않지만, 비교적 제어 난도가 높거나 대형 제어시스템의 경우에는 처음부터 완벽하게 논리를 완성하는 것이 곤란하고, 또한 논리가 불완전한 시스템을 곧바로 시운전에 들어갔을 경우 사고를 일으키거나 시스템에 치명적인 상처를 줄 수도 있다. 이러한 이유에서 시운전에 앞서 강제 입·출력 명령을 이용하거나 모의 입력에 의한 방법 등으로 시뮬레이션을 한다.