[PLC] PLC 아날로그 입출력 기본
PLC 아날로그 입출력 개념 및 결선
아날로그 신호가 PLC로 들어오면 우선 A/D 컨버터(Analog-Digital Converter)를 거치게 됩니다. A/D 컨버터는 아날로그 형태의 신호를 PLC에서 처리 가능하도록 디지털 형태로 변환시켜 줍니다.
PLC에서 다루는 아날로그 신호는 아래와 같은 형태가 있습니다.
- 전압(Voltage)
- 전류(Current)
- 저항(Resistance)
신호의 형태에 따라 신호가 취급되는 값의 범위가 있습니다. 가장 흔히 사용되는 형태는 전류 형태이며 4-20mA 값을 주로 사용합니다.
A/D 컨버터가 아날로그 값을 디지털로 변환할 때 사용되는 bit수를 분해능이라 합니다. 일반적으로는 16bit 길이가 사용됩니다. 다시말해 4-20mA 사이의 16mA를 16bit로 쪼개어 표현한다는 의미입니다. 따라서 분해능에 사용된 bit수가 많을수록 더 세밀한 단위를 취급할 수 있습니다.
아래 그림은 4-20mA 출력을 가지는 온도 트랜스미터(temperature transmitter)의 예입니다. 온도 트랜스미터와 온도센서가 연결되어 있습니다. 온도 정보는 트랜스미터에서 섭씨 0~100도로 계량화(calibrated) 됩니다. 즉, 섭씨 0도는 4mA, 섭씨 100도는 20mA가 되는 것입니다.
아날로그 입력 모듈의 결선법은 입력 신호가 전압인지, 전류인지에 따라 다릅니다. 전압/전류은 저항과 연관되어 있습니다. 저항은 전압을 나누고, 전류의 양을 제한하는 역할을 합니다. 그리고 전류를 측정하는데 사용되기도 합니다.
전압 신호 입력
우선 전압 형태의 신호의 결선법을 알아 보겠습니다.
전압 신호는 두가닥 선만 연결하기 때문에 자주 사용됩니다. 전압 신호의 입력은 아래와 유사한 두개의 터미널을 가지고 있습니다.
AGND: 입력 신호의 그라운드(ground)
AIN: 입력 신호
전압 소스(voltage source)에 연결하는 경우 AIN은 +극, AGND는 -극에 연결될 것입니다.
전압 소스의 두 선만 AIN, AGND에 연결하면 외부의 영향에 신호가 변조될 가능성이 높습니다. 따라서 차폐기능이 있는 쉴드선을 사용하며, 위 그림처럼 쉴드를 그라운드에 연결합니다. 쉴드의 그라운드는 AGND와 연결되지 않고 접지와 연결되는 점 유의합니다. 쉴드에 의해서 외부 환경에 의해 유도된 전류는 쉴드선을 타고 접지로 나갑니다.
전압 신호는 전압강하(voltage drop)에 유의해야 합니다. 모든 전선은 저항을 가지고 있고, 전선의 길이가 길어질수록 저항값이 커지게 됩니다. 이 저항값은 전압을 떨어트리게 되고, 결과적으로 트랜스미터에서 출력한 전압 신호에 영향을 미치게 됩니다. 따라서 전압 신호를 사용하는 경우, 전선의 길이를 짧게 하거나, 전선의 굵기를 굵게 하여 전선에 의한 저항을 최소화 해야 합니다.
전류 신호 입력
전압 신호 대신 전류 신호로 사용할 수 있습니다. 배선은 전압 신호보다 복잡해도, 전압 방식보다 안정적입니다.
전류 신호로 주로 사용하는 범위는 4-20mA입니다. 이 범위보다 적은 값은 측정이 힘들고, 이 범위보다 높은 값은 위험합니다.
우선 전류 신호를 입력받기 위해서는 폐회로(closed loop)를 구성해줘야 합니다.
Shunt Resistor
PLC는 전류를 직접 측정하기 보다는 저항을 이용하여 간접적으로 측정합니다. 양극(AI)와 음극(AGND) 사이를 저항으로 연결합니다. 저항은 폐회로를 만드는 동시에 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 기능을 합니다.
이때 사용되는 저항을 shunt resistor라 하며, 고정 저항값을 가지고 있습니다.
Voltage (V) = Resistance (R) x Current (I)
위 옴의 법칙과, 측정된 전압, shunt resistor의 고정 저항값을 이용하면 전류값을 알수가 있습니다.
전류 신호식 아날로그 입력은 아래와 같은 배선 종류가 있습니다.
- 2선식
- 3선식
- 4선식
트랜스미터에서 나오는 전선 수에 따라 2, 3, 4선식으로 분류됩니다. 전선 수에 따라 결선방법이 달라집니다.
2선식 입력 결선법
2선식은 아날로그 입력카드가 구동용 전압을 공급해주는 형태입니다. 위 그림에서는 양전압이 A+에서 나오고 트랜스미터를 거쳐 AIN을 거쳐 전류가 흐릅니다.
2선식에서 외부 전원을 이용하여 배선할 수도 있습니다. 전원 공급장치의 V-를 AGND에 연결하고 V+는 트랜스미터를 거쳐 AIN으로 연결하여 폐회로를 구성해 줍니다.
3선식 입력 결선법
3선식은 전원용 회로와 신호용 회로의 그라운드를 공유하는 방법입니다.
결과적으로 2개의 폐회로가 구성되었으며, 트랜스미터는 신호용 회로에 영향을 주지 않고 보다 많은 전류를 소비할 수 있게 되었습니다.
4선식 입력
4선식 트랜스미터는 신호선과 구동용 전압용 선이 분리되어 있습니다. 따라서 구동용 전압에 의한 노이즈를 피할 수 있습니다.
전압 출력
전압 출력은 전압 입력과 마찬가지로 2개의 선만 결선하면 되므로 간단합니다. 아날로그 입력과는 반대로 전압원이 출력카드쪽에 있고, 저항이 출력신호를 받는 쪽에 있습니다.
전압 입력과 마찬가지로, 전압 출력 또한 전선의 자체 저항으로 전압강하가 발생합니다.
전압 출력을 수신하는 쪽에는 부하 임피던스라 불리는 저항이 존재합니다. AOUT-AGND 간 단락이 되는 것을 막기 위함이며, 대개 500-1KΩ 값을 가집니다.
전류 출력
대부분의 전류 출력 카드는 아래와 같은 형태로 동작합니다. 출력 카드 자체 전압을 위한 회로와 신호선을 위한 회로가 분리되어 있습니다.
전압 출력과 전류 출력의 큰 차이점은 부하 임피던스에 있습니다. 전압 출력은 최소한의 부하 임피던스를 요구하지만 전류 출력은 최대한의 부하 임피던스를 요구합니다.
일반적인 전류 출력 타입은 300-500Ω 정도의 최대 부하 임피던스를 가집니다.
끝.
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