PLC의 구조와 구성

 

- PLC의 하드웨어 구조

 

PLC는 마이크로 프로세서(Microprocessor)의 논리 연산과 하드웨어 동작 제어를 하는 CPU와 프로그램을 탑재하는 프로그램 메모리, 연산 결과를 저장하는 데이터 메모리를 중심으로 구성되어 외부 기기와 신호를 보내기 위한 입·출력 메모리부와 연결시켜주는 입·출력부, 각 부에 전원을 공급하는 전원부로 구성되고 있다.

 

- CPU (중앙 처리 장치)

 

CPU는 인간의 두뇌에 해당하는 마이크로 프로세스 부분으로서 중요한 기능은 ⑴메모리에 저장되어 있는 프로그램 내용을 해독하여 실행시키고 ⑵마이크로 프로세스의 본래 목적인 데이터의 논리적 연산과 수치 연산을 수행하여 결과를 저장하거나 메모리에 보내고 ⑶메모리와 CPU 주변 장치의 하드웨어 동작을 제어하여 프로그램 명령어에 따른 데이터를 처리한다.

 

이 절차는 매우 빠른 속도록 반복되며 모든 정보는 2진수로 처리된다. CPU에서 명령어의 처리는 곧 프로그램의 실행을 의미하며 하나의 명령어를 처리하는 과정을 스탭(Step)으로 표현하고 명령어의 시작에서부터 최종 END 명령어를 수행하기까지의 전체 프로그램에서 한 루프(Loop)의 순환 과정을 스캐닝(Scanning)이라고 한다.

 

각 제조사의 PLC CPU

 

일반 PC CPU와 그 기능은 같으나, 데이터의 처리 속도가 일반 PC에 비해 다소 느리며 데이터 크기는 32Bit로 일반 PC CPU에 비해 데이터 워드 처리가 크게 요구되지 않는다.

 

- MEMORY

 

PLC 메모리는 보통 IC형 메모리를 사용하며 ROM(Read Only Memory)과 RAM(Random Access Memory)로 구별된다.

 

ROM은 읽기 전용으로 메모리 내용을 변경할 수 없으며 주로 사용자의 프로그램 내용을 저장한다. 이 영역의 정보는 전원이 끊어져도 기억 내용이 보존되는 불휘발성 메모리이다.

 

이에 반해 RAM은 메모리 정보를 수시로 읽고 쓰기가 가능하여 정보를 일시 저장하는 목적으로 사용되나 전원이 끊어지면 기억시킨 정보 내용이 상실되는 휘발성 메모리이다.

 

그러나 필요에 따라 RAM 영역 메모리 일부를 배터리 백업(Battery Back Up)에 의해 불휘발성 영역으로 사용할 수 있다. 따라서 PLC의 메모리는 사용자 프로그램 메모리와 데이터 메모리로 구분되며 각 역할은 다음과 같이 정의된다.

 

① 프로그램 메모리 (Program Memory) : 제어하고자 하는 시스템 규격에 따라 사용자가 작성한 프로그램이 저장되는 메모리 영역으로 사용자 프로그램의 내용이 필요에 따라 수정하거나 갱신(Update)해야 할 경우에도 저장 내용을 바꿀 수 있는 플러시(Flush)형 메모리 혹은 EPROM(자외선을 이용하여 기억된 내용을 지우고 다시 기록할 수 있는 롬)을 사용한다.

 

② 데이터 메모리 (Data Memory) : 데이터 메모리는 프로그램 실행에 따라 각종 입·출력신호 혹은 연산된 결과의 데이터가 저장되는 메모리로 PLC에서는 보통 입·출력 메모리(P or X/Y 外), 내부 보조 메모리(M), 타이머(T)와 카운터(C) 혹은 데이터 메모리(D) 영역과 같은 내부 레지스터형 RAM 영역에 사용된다.

 

③ 시스템 메모리 (System Memory) : PLC 제작 회사에서 작성한 시스템 프로그램이 저장되는 영역으로 주로 PLC 부팅과 운전에 관련된 프로그램이 저장된다. 이 시스템 프로그램은 PLC 제작 회사에서 직접 ROM에 저장한다.

 

- Input / Output (입·출력부)

 

PLC의 입·출력부는 CPU 혹은 메모리로부터 연산된 결과의 데이터를 외부 기기 혹은 장치로 보내거니 읽기 위해 데이터를 일시 저장하는 역할을 하는 입·출력 메모리 부분과 외부 기기 혹은 장치와 신호선을 직접 접속하고 신호의 완충 역할을 하는 입·출력 터미널 부분으로 구분된다,

 

일반적으로 신호선과 내부 프로그램의 혼돈을 방지하기 위해 내부 메모리 주소와 외부 신호선 터미널 번호를 동일한 번호로 부여한다.

 

PLC의 입·출력부는 현장의 외부 기기에 직접 접속하여 사용하는데 PLC 내부는 DC 5V의 전원(TTL 레벨)을 사용하지만 입·출력부는 다른 전압 레벨을 사용하므로 PLC 내부과 입·출력의 접속(Interface)은 시스템 안정에 매우 중요한 요소가 된다.

 

실제 현장에서 가장 고장이 많이 발생하는 부분이 바로 입·출력부로서 특별히 PLC의 입·출력부 설계에서 주의가 요구되는 사항에는 다음과 같이 요약된다.

 

① 외부 기기와 전기적 규격이 일치해야 한다.

② 외부 기기로부터 노이즈(Noise)가 CPU로 전달되지 않도록 해야한다. 이를 위해 보통 포토 커플러(Photo Coupler : 입력 전기 신호와 출력 전기 신호를 빛으로 전달하는 역할), 옵토 커플러(Opto Coupler) 혹은 노이즈 필터(Noise Filter)를 사용한다.

③ 외부 기기와의 접속이 용이해야한다.

④ 입·출력 각 접점의 동작 상태를 감시할 수 있어야 한다. 이를 위해 LED를 외부에 부착한다. 입력부는 외부 기기의 상태를 검출하거나 조작 패널을 통해 외부 장치의 움직임을 지시하고 출력부는 외부 기기를 움직이거나 상태를 표시하도록 연결된다.

 

⑴ 입력부

 

입력부에는 외부 기기로부터 신호를 CPU의 연산부로 전달해주는 역할을 한다. 입력의 종류로는 DC 24V, AC 220V 등이 있고 그 밖의 특수 입력 모듈로는 아날로그 입력 모듈(A/D), 고속 카운터(High Speed Counter) 모듈, 위치결정(Positioning) 모듈 등이 있다.

 

<그림-1>은 입력부 터미널 회로의 예를 나타내고 있다. 주의할 점은 입·출력 신호를 위해 반드시 외부에서 별도로 마련해야 한다는 점이다.

 

<그림-1> 입력 모듈 내부 회로

 

⑵ 출력부

 

출력부는 CPU에 의해 내부에서 처리된 데이터를 일시 저장하는 출력 메모리와 외부 기기에 직접 신호를 내보내기 위해 외부 기기에 직접 접속된 출력 단자 부분으로 나누어져 있다.

 

이 출력부는 전자 접촉기나 솔레노이드(Solenoid : 솔레노이드는 전기를 흘려 자기장을 만들 수 있어 전자석으로 주로 이용된다)에 전달하여 실제 기기를 구동시키는 부분이다.

 

출력부의 외부 기기와 인터페이스 방법에서는 릴레이 출력, 트랜지스터 출력, SSR(Solid State Relay : 무접점 전자 릴레이) 출력 등이 있다.

 

트랜지스터에 의한 출력부 회로의 예는 <그림-2>와 같으며 포토 커플러에 의해 내부 회로와 외부 회로를 전기적으로 격리하여 외부에서 발생되는 노이즈의 영향을 배제시키도록 설계된 점은 입력부과 동일하다.

 

<그림-2> 출력 모듈 내부 회로

 

출력부에서도 외부소자(부하)를 구동하기 위해 전압원을 외부에서 별도로 마련해야 한다는 점에 유의할 필요가 있다.