PLC 래더 로직과 자기유지 회로

 

국내의 자동화 산업 현장에서 사용하는 PLC의 종류를 살펴보면, 일본 미쯔비시社(Mitsubishi社)의 멜섹(MELSEC) 시리즈, LG 산전의 XGK 및 XGI 시리즈, 오므론社(Omron社)의 NJ 및 NX 시리즈, 지멘스社(SIEMENS社)의 S7-300, 400, 12001 ,1500 시리즈, AB社(Allen-Bradley社)의 Compact Logix, Control Logix 시리즈가 대부분을 차지하고 있다.

 

국내에서는 1980년대 초반 PLC가 장착된 자동화 장치가 일본, 미국, 유럽으로부터 도입되면서 PLC 사용이 시작되었다. 이때부터 금성계전(現 LS 산전), 삼성항공, 동양화학 등에서도 PLC를 개발해 판매했지만, 현재는 LS 산전의 PLC가 유일하다고 할 수 있다.

 

현재 국내 시장 대부분은 외국 브랜드의 PLC가 차지하고 있으며 그중에서도 일본 미쯔비시社 PLC인 멜섹Q 시리즈가 가장 높은 점유율을 보이고 있다.

 

국내에서 PLC를 사용하는 분야를 크게 구분하면, 독일의 지멘스社와 미국의 AB社가 주도하는 PA(Process Automation : 계장 제어) 분야와 일본 및 국내의 LS 산전이 주도하는 부품 조립과 가공 기계 및 설비의 자동화와 관련한 FA(Factory Automation : 공장 자동화) 분야로 나눌 수 있다.

 

2000년대 초반부터는 산업용으로 사용되던 PC와 PLC의 장점이 결합되고 개방성, 유언성, 확장성이 강화되어 기존의 PLC에서는 처리하지 못했던 다양한 제어 기능(머신 비전, 데이터 베이스 등)을 처리할 수 있는 한층 진화된 PAC(Programmable Automation Control)라는 명칭을 가진 제어기가 등장했다. 오늘날에는 4차 산업혁명을 통해 IoT(Internet of Things : 사물 인터넷)와 스마트 팩토리 구현에 PAC의 사용 범위가 점차 확대되고 있다.

 

- PLC의 언어

 

1993년 IEC에서 표준으로 정한 『IEC 1131-3의 PLC 프로그램 언어에서의 의미와 문장 구조의 정의』에 따르면, PLC의 하드웨어 기술의 발전과 더불어 PLC 프로그램 작성을 위한 소프트웨어도 아래와 같이 다섯 가지의 프로그래밍 언어로 통합되고 표준화되었다.

 

① IL (Instruction List) : 기존 '니모닉(Mnemonic)'이라고 불렸던 언어를 표준화한 것으로 주로 지멘스 또는 AB PLC 프로그램을 작성할 때 사용된다.

 

② LD (Ladder Diagram) : 시퀀스 제어에서 사용하던 릴레이 로직을 표현하기 위해 만들어진 표준 언어로 국내에서 많이 사용된다.

 

③ FBD (Function Block Diagram) : 프로그램의 요소를 블록으로 표현하고 그들을 서로 연결하여 로직을 표현하는 것으로 제어 요소 간에 정보나 데이터의 흐름이 있는 시스템에서 사용된다.

 

④ ST (Structured Text) : 파스칼(Pascal)과 비슷한 고수준의 언어로 복잡한 수식 계산이 필요한 시스템에서 사용된다.

 

⑤ SFC (Sequentail Function Chart) : 전체 시스템을 액션과 트랜지션(Transition)으로 구조화시켜 나타낸다. 각각의 액션과 트랜지션은 앞에서 설명한 언어(IL, LD, FBD, ST)로 프로그램하는데, 각각의 액션들을 완전히 분리하여 표현하므로 프로그램에서 오류가 발생할 때 쉽게 디버깅(Debugging : 오류 수정) 할 수 있다.

 

이제 PLC 프로그래밍 언어는 서로 통합되고 표준화되었다. 하지만 PLC를 제조하는 회사별로 각각 다른 프로그래밍 툴을 갖추고 있기 때문에 실질적으로 그렇게 보기는 어려운 면이 있다. 그러나 각 언어에서 명령어의 의미와 문장 구조가 유사하기 때문에 PLC를 공부하다 보면 PLC의 제조사에 관계없이 그 사용법이 유사하거나 동일함을 알 수 있다.

 

- 래더 다이어그램 (Ladder Diagram)

<그림-1> PLC의 래더 다이어그램

 

PLC의 래더 다이어그램은 전기 회로를 사다리 모양으로 도식화하여 표현한 것이다. 마치 그 모습이 사다리 모양과 비슷해 통상 '래더도', '래더 프로그램'이라고 칭한다.

 

<그림-1>에 표현되어 있는 프로그램이 바로 PLC 래더 프로그램 형식으로 좌측 세로줄과 우측 세로줄 사이에 선과 기호들이 모여 논리 회로 프로그램을 구성하는 것이다.

 

래더는 PLC의 주 언어로 국내에서 많이 사용되고 있는 프로그래밍 방식이며 기계 자동화 혹은 공장 자동화에서 가장 많이 사용하는 입력에 의한 출력을 프로그램하기 위해 최적화된 언어이다.

 

입력에 의한 출력이란, 'ON 버튼을 누르면 해당 장비가 가동하고 OFF 버튼을 누르면 장비가 정지한다' 같은 간단한 제어를 말한다.

 

PLC 래더도의 이해

 

물론 복잡한 동작 및 산술 제어도 가능하다. 지멘스社의 PLC는 DB 영역을 생성하여 해당 영역에 C언어에서 많이 사용하는 ST 구조체를 만들어 사용할 수 있을 만큼 C언어의 모든 기능을 사용할 수 있다.

 

래더에서 기본으로 사용되는 기호들은 아래 <그림-2>과 같다. 아래 표기된 기능들은 PLC에서 공통적으로 사용되고 있는 기능이다.

 

<그림-2> 기본 래더 기호

 

래더 프로그램을 구성하는 요소는 기본적으로 a접점(Open Contact / Normal Open), b접점(Close Contact / Normal Close), 출력 코일(Output Coil), 함수 명령(Function) 등이 있다.

a접점은 쉽게 말해 '스위치가 열려있는 상태'로 이해할 수 있다. 평상시 접점이 떨어져 있어 OFF 상태로 있다가 전기 신호가 ON 될 때 떨어져 있던 접점이 붙으며 동작하는 접점(ON 상태일 때 전기가 흐르는 접점)을 말한다.

 

시퀀스의 기본 - a접점의 동작

 

b접점은 a접점과 반대로 '스위치가 닫혀있는 상태'이다. 평상시에 접점이 붙어 ON 되어있는 상태로 전기 신호가 ON 되면 접점이 떨어지며 신호가 끊기는 접점(ON 상태일때 전기가 끊기는 접점)을 말한다.

 

시퀀스의 기본 - b접점의 동작

코일은 출력으로 출력부 이전의 조건이 ON(True) 상황에 충족되면 동작하는 소자이다.

 

PLC 전기 신호는 항상 ⑴왼쪽에서 오른쪽으로 ⑵위에서 아래로 진행되며 ⑶프로그램의 END까지 도달하면 다시 처음부터 진행을 반복한다. 이 한 번의 과정을 1스캔(Scan)이라고 한다.

 

- 자기유지 회로 (Self Holding)

 

자기유지(Self Holding) 회로는 릴레이 제어, 시퀀스 제어에서 매우 중요한 회로이자 기본이 되는 회로다. 특히 자동제어를 하는 경우, 자기유지 회로가 없는 설계는 없다. 중요하지만 원리만 이해하면 어렵지 않기 때문에 꼭 기억해야 하는 회로다.

 

<그림-3> 시퀀스 도면과 PLC 래더로 보는 자기유지 회로

 

자기유지 회로는 릴레이(출력)를 동작시키는 a접점(스위치, 푸시버튼 등)의 순간적으로 만들어진 입력 신호가 릴레이가 가해지면 입력 신호가 제거(OFF)되어도 릴레이 동작을 지속적으로 유지하는 회로다.

 

<그림-3>에서 알 수 있듯이 PLC의 래더와 전기 회로는 아주 유사한 형식을 사용하고 있다. 앞서 설명한 대로(PLC란 무엇인가?) PLC는 전기 릴레이 제어반을 프로그램할 수 있도록 하는 것을 목표로 만들었기 때문이다.

 

- PLC의 자기유지 회로와 동작 설명

 

'START BUTTON'과 'STOP BUTTON'은 푸시버튼(Push Button)에 입력 접점을 연결하고 'MOTOR'는 동작하는 모터에 연결했다는 가정하에 PLC 래더를 기준으로 자기유지 동작에 대해 설명한다.

 

① 기본 상태

 

① 기본 상태 - 'START BUTTON'을 누르지 않았기 때문에 'MOTOR' 출력 코일은 ON 되지 않는다.'STOP BUTTON'은 평상시 닫힌 접점으로 'STOP BUTTON'을 누르지 않으면 위 그림과 같이 연결되어 있는 접점이다.

 

② STOP BUTTON을 누른 상태

 

② 'STOP BUTTON'을 누른 상태 - 'STOP BUTTON'을 눌러도 'START BUTTON'의 접점이 끊어져 있는 상태이기 때문에 'MOTOR' 출력 코일은 ON 되지 않고 실제 모터도 동작되지 않는다.

 

③ START BUTTON을 누른 상태

 

③ 'START BUTTON'을 누른 상태 - 'START BUTTON'을 누르고 'STOP BUTTON'을 누르고 있지 않다면 'START BUTTON'의 접점이 연결됨에 따라 'MOTOR' 출력 코일이 ON으로 바뀌게 되고 실제 모터도 동작하기 된다.

 

이때 자기유지 회로가 구성되어 있지 않다면 누르고 있던 'START BUTTON'을 떼는 순간, 해당 접점 연결이 끊어지면서 'MOTOR' 출력 코일이 다시 OFF 상태로 바뀌게 된다. 물론 실제 모터의 동작도 멈출 것이다.

 

그러나 사람이 'START BUTTON'을 계속 누르고 있을 것이 아니라면 한 번의 'START BUTTON' 입력으로 'STOP BUTTON'을 누르기 전까지 실제 모터가 계속해서 동작하기를 원할 것이다.

 

이때 사용하는 것이 'MOTOR' 출력 코일의 접점(보조 접점)을 이용해 'START BUTTON'과 OR(병렬)로 연결하는 것이다. 이것이 자기유지 접점이며 자기유지 회로이다.

 

④ 자기유지가 연결된 상태

 

④ 누르고 있던 'START BUTTON'에서 손을 뗀 상태 - 'START BUTTON'에서 손을 떼면 'MOTOR' 출력 코일이 ON 상태 일 때 연결되는 출력 접점이 우회 연결되어 'MOTOR' 출력 코일은 계속 ON 상태를 유지하고 실제 모터도 계속 동작하게 된다.

 

⑤ 모터를 정지하고 싶을 때 - 가동 중인 모터를 정지하고 싶을 때는 'STOP BUTTON'을 누르면 'MOTOR' 출력 코일의 입력 조건이 맞지 않기 때문에 OFF 상태로 바뀌게 되며 'MOTOR'의 출력 접점도 끊어지면서 ①의 상태로 돌아가게 된다.

 

- b접점의 활용

 

전기 회로 또는 PLC에서 중요한 입력 신호에는 b접점을 사용하는 것이 좋다. 특히 비상 스위치(Emergency Switch)에는 반드시 b접점을 사용한다.

 

그 이유는 비상 스위치의 연결선이 어떠한 이유로 끊어졌을 때, a접점을 사용하면 중요한 시점에 눌렀을 때 동작이 안될테고 평상시에는 연결선의 단선 여부를 확인할 수 없기 때문이다.

 

반대로 b접점을 사용했을 경우라면 연결선이 단선되었을 때 장비는 멈추게 되고 엔지니어가 장비가 멈춘 이유를 찾아 해결하게 되기 때문이다.