[PLC] 릴레이와 전자 접촉기 (MC)
역사 (History)
최초의 PLC는 1968년도 제너럴 모터스 회사에 의해 설계되었습니다. PLC 등장 이전에는 아래 그림과 같은 전기기계식 릴레이 (Electromechanical Relay)로 제어 시스템을 구축했습니다.
전기기계식 릴레이로 구성된 시스템을 수정하기 위해서는 릴레이의 물리적 배치 및 배선 재작업으로 인한 비용 및 시간의 낭비를 초래하였습니다. 제너럴 모터스는 이러한 비용 낭비를 줄이는 한 방법으로 PLC를 설계하게 된 것입니다. 이 때 사용된 반도체는 IC (Integrated Circuit) 형태이지만, 1971년도 인텔 (Intel)이 마이크로프로세서를 소개한 이 후 PLC도 덩달아 발전을 거듭하게 됩니다.
제어의 형태
생산 공정들은 선행 공정이 있기 마련입니다. 즉, 한 공정이 끝난 뒤 그 다음 공정이 이어지는 형태입니다. 각 공정에는 세부 공정들이 있으며 여러 가지 장비의 ON/OFF 동작에 의해 작업됩니다. 이러한 장비들을 언제 ON/OFF 할 지 결정할 지는 센서의 ON/OFF와 같은 이산적 정보 (discrete information)를 바탕으로 이루어집니다. 또는 온도, 습도, 압력 등과 같은 연속적으로 변화하는 정보를 활용할 수도 있습니다.
시퀀스 제어 (Sequential Control)
시퀀스 제어란 일련의 액션들이 사전에 정의된 순서데로만 동작하게끔 제어하는 형태를 의미합니다. 이러한 제어를 다른 용어로 이산 제어 (Discrete Control)이라고 하며, 이 때 제어 로직의 데이터로 사용되는 입출력 또한 ON/OFF 형태입니다. (예를 들어, 센서가 무엇을 검출/미검출, 모터가 ON/OFF 등을 의미)
자동 제어 (Automatic Control)
자동 제어란 연속적으로 변화하는 입력정보를 바탕으로 일련의 제어 로직을 거친 뒤 출력값을 연속적으로 변화시키는 형태의 제어를 의미하며 아날로그 피드백 (Analog Feedback Control)이 사용됩니다. 아날로그 피드백에 관여하는 파라미터를 잘 조정하지 않으면 불안정한 시스템이 될 수 있습니다. (입력값에 대한 반응으로 출력값이 목표값에 도달하지 못하고 급격하게 변화하는 현상)
릴레이와 PLC
제어 공학은 오랜 시간을 거쳐 현재에 이르기까지 발전을 거듭하고 있습니다. 과거에는 전기 장치를 구동하기 위해서는 사람이 스위치를 직접 구동시켰습니다. 이 후엔 전기를 사용하여 원격에서 스위치를 간접적으로 구동시키는 방법이 등장했으며, 이 때 스위치를 간접 구동시켜주는 장치가 릴레이(Relay)입니다. 릴레이는 전원을 공급해주는 구동용 릴레이와 복잡한 제어를 구현하기 위한 제어용 릴레이가 있습니다. 구동용, 제어용 모두 초기에는 기계적으로 동작하였습니다. 전자공학이 발전함에 따라 제어용 릴레이는 PLC 내부에서 논리적인 형태로 구현되었으며, 래더 로직 프로그래밍 언어를 통해 제어 프로그램을 기술하고 있습니다.
PLC 시스템의 장점 몇가지가 아래에 기술되어 있습니다.
- 고전적인 기계적 릴레이에 비해 복잡한 시스템을 제어하는데 비용 효율적이다.
- 제어시스템 수정이 매우 빠르고 쉽다.
- 수치연산 기능이 있어 정교한 제어가 가능하다.
- 트러블슈팅 도구를 제공함으로 다운타임(downtime)을 줄일 수 있다.
- 고신뢰성 부품으로 구성되어 있어 장기간 장애 없이 구동 가능하다.
PLC의 등장과 함께 기존 릴레이 기반 제어 시스템을 설계, 유지보수 하던 인력들을 PLC 인력으로 재훈련 하는 과정의 비용을 줄이고자, 래더 로직은 자연스럽게 릴레이 로직 다이어그램을 모방하게 되었습니다.
PLC가 릴레이 기반 제어를 대체했지만, 릴레이 구조와 오늘날의 용도도 알아 두는 것이 좋습니다.
릴레이 (Relay) 구조
릴레이의 구조 및 동작에 대해 설명합니다. 릴레이의 접점의 종류에 대해서 알아보며, 전원의 종류에 따라 접점 정격에 어떤 영향을 미치는지 알아 보겠습니다.
릴레이 기반 제어 시스템에서 가장 핵심인 릴레이에 대해서 알아보겠습니다. 가장 기본적인 전기기계적(Electromechanical Relay) 범용(General-Purpose) 릴레이를 기반으로 설명하겠습니다. 아래 그림은 릴레이 구조적 개념도이며 코일에 전원이 인가되지 않은 상태를 나타내고 있습니다.
코일에 전원이 인가되지 않으면 스프링 장력에 의해 위 그림의 화살표 방향으로 힘이 작용합니다. 결과적으로 COMMON 접점과 N.C.(Normally Closed) 접점이 연결되게 됩니다. 아래 그림은 코일에 전원이 인가된 경우입니다.
전원이 인가된 코일은 전자석이 되어 금속을 끌어 당기게 되고 위 그림에서 화살표 방향으로 힘이 작용하게 됩니다. 따라서 COMMON 접점과 N.O.(Normally Opened) 접점이 연결이 됩니다.
릴레이를 IEC 기호로 나타내면 아래와 같습니다.
A1, A2는 코일의 전원 인가용 점접을 의미합니다. 11은 COMMON 접점, 12는 N.C. 접점, 14는 N.O. 접점을 의미합니다.
제어 릴레이 (Control Relay)
제어 릴레이는 제어용 회로 구성이 주 목적인 릴레이입니다. 저전압 코일을 사용하며 다수의 접점을 내장하는 것이 특징입니다. 접점들은 단일 코일의 동작에 동기화되어 움직이게 됩니다. 즉, 코일에 전원이 비인가 상태인 경우 모든 N.C. 접점이 각 COMMON 접점과 연결되고, 코일에 전원이 인가되면 되면 모든 N.O. 접점이 각 COMMON 접점과 연결되는 형태입니다. 보편적으로 사용되는 제어 릴레이의 정격 전류는 5~10 A, 정격 전압은 220 VAC 또는 24 VDC입니다.
전자 접촉기 (Magnetic Contactor)
전자 접촉기는 좀 더 큰 범위의 전류나 전압을 다루기 위한 릴레이의 한 종류입니다. 현업에서는 통칭 MC라고 합니다.
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전자 접촉기 외형은 아래와 같습니다.
위 그림에서 A1, A2는 코일 전원용 접점이며, 입력부-출력부가 N.O. 접점 3쌍으로 구성되어 있습니다. 코일 좌우에는 필요에 따라 보조접점을 추가할 수 있으며, N.O. 또는 N.C. 타입을 선택할 수 있습니다.
아래는 전자 접촉기 구조 개념도입니다. 코일과 주접점 한 쌍만 표기되어 있습니다.
위 그림에서 스프링의 힘에 의해 COMMON 접점과 N.O. 접점을 이어주는 브릿지용 도체가 위로 밀려나 있습니다. 결과적으로 COMMON 접점과 N.O. 접점은 미연결 상태입니다. 아래 그림은 코일에 전원이 인가된 상태의 전자 접촉기 개념도입니다.
코일에 전원이 인가되면 전자석이 되어 코일 상단의 도체 브릿지를 아래쪽으로 끌어 당기게 됩니다. 결과적으로 COMMON 접점과 N.O. 접점이 연결되는 형태가 됩니다.
전자 접촉기의 IEC 기호는 아래와 같습니다.
A1, A2는 코일의 전원 인가용 점접을 의미합니다. 1-2, 3-4, 5-6은 주접점을 의미하며, 11-12는 N.C. 형태의 보조 접점, 13-14는 N.O. 형태의 보조 접점을 의미합니다.
일반적으로, 전자 접촉기는 제어 릴레이와 연계하여 사용합니다. 즉, 전자 접촉기를 구동시키기 위해 제어 릴레이를 이용하는 형태입니다.
그림 상단 릴레이는 PLC에 의해 ON/OFF 되는 제어 릴레이를 나타냅니다. 그 밑에는 제어 릴레이에 의해 ON/OFF 되는 전자 접촉기를 나타냅니다. PLC 디지털 출력 모듈에 의해 제어 릴레이가 ON 되면 제어 릴레이의 COMMON 접점에서 N.O. 접점을 통해 전자 접촉기에 전원이 인가됩니다. 전원이 인가된 전자 접촉기에 의해 R-S-T 각 접점이 U-V-W 각 접점과 연결이 되고, 결과적으로 전자 접촉기와 연결된 전력기기를 구동하는 형태입니다.
위 그림에서 제어 릴레이를 구동시키기 위해 PLC를 이용하는 것으로 기술되어 있지만, 버튼 등으로 수동 구동하거나, 릴레이 기반 제어 등으로 구동시킬 수도 있습니다. 저전력 직류로 구동되는 전자 접촉기의 경우, 아래 그림과 같이 제어 릴레이 없이 PLC 디지털 출력 모듈에서 바로 구동이 가능하기도 합니다.
위 그림과 같이, PLC 출력 모듈을 이용한 직접 구동 방식은 출력 모듈의 하드웨어 사양에 따라 적용 가능 여부가 결정되므로 PLC 제조사가 제공하는 매뉴얼을 참조하셔야 합니다.
끝.
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