PLC Hardware
1 . PLC 의 기본구조
PLC 는 기본적으로 사람의 두뇌에 해당하는 CPU(Central Processing Unit:중앙 처리장치)와 장치 사이의 신호를 주고 받는 입출력부(Input/Output Unit), Sequence 회로의 내용 프로그램을 기록, 저장하는 기억부(Memory), 그리고 PLC 의 각 부에 전원을 공급하는 전원부(Power Supply Unit)와 PLC 의 용이한 취급 및 기능 향상을 위한 주변기기 등으로 구성되어 있다.
PLC 는 릴레이 제어 System 과 같이 배선을 하지 않고, 그 대신에 제어회로에 해당하는 프로그램을 작성하고, 작성된 프로그램을 주변기기를 통해 메모리에 기록 저장된다. 이 조작을 “Write”라고 한다. 불러낸 프로그램의 내용을 해석하 고 그것을 따라 입력부의 상태를 조사하여, 그 결과에 따라 출력부로 동작을 명 령하게 된다.
이와 같은 일련의 동작은 매우 빠른 속도로 이루어지며 메모리에 기록되어 있 는 모든 내용이 순차적으로 실행되게 된다. 이와 같이 하여 출력부에 접속되어 있는 출력기기가 작동하며, 기기나 장치가 프로그램에 따라 제어된다. 다음은 PLC 기본구성이다.
( P L C 본체)
- Internal Counter/ Timer - Internal Relay
- Data Storage
Input Circuit Output Circuit
C P U Memory
Field Input Field Output
Power Supply Unit
주변기기
M M I ( M a n - M a c h i n e I n t e r f a c e )
- 공정 Operation 및 Emergency Shutdown Logic Monitoring 용등 다양하게 사용되며 Intouch, RS-View, Fixdymacs 등 여러가지 종류가 있다.
１) 제어연산부분 ( C P U )
중앙처리장치(Central Processing Unit)라고 부르며 논리적 연산기능, 자기진단 기능(Self Diagnosis) 등을 가지며 시스템 전체의 활동을 제어하고 지배하는 역 할을 한다. CPU 는 Memory 안의 프로그램을 정한 순서로 꺼내서 그 명령어의 의미를 해독하며 명령어의 내용에 따라 입력부분의 Data 인출, Processor 에 의 한 연산, 출력 부분에 대한 Data 송출등의 처리를 하게 된다.
２) M e m o r y
Programmable Logic Controller 라는 말은 어떤 데이터들의 Sequence 나 명령 문, 프로그램등이 임의의 장소에 저장되어져야 한다는 것을 의미하며 이러한 것 들의 저장 장소를 메모리(Memory)라고 부른다.
３) I n p u t C i r c u i t ( I n p u t R e l a y 혹은 I n p u t C o n t a c t )
실제의 Field Input 계기들과 직접 연결되는 부분으로서 Switch, Sensor, Transmitter 등의 Field Input Signal 을 수신하는 Part 를 말한다.
４) O u t p u t C i r c u i t ( O u t p u t R e l a y 혹은 C o n t a c t )
실제의 Field Output 계기들과 직접 연결되는 부분으로서 Solenoid, Lamp 등의 Field Output 계기들로 On/Off 및 Analog Signal 을 전송하는 Part 를 말한다.
５) P o w e r S u p p l y U n i t ( A C / D C )
PLC 의 전원을 담당하는 부분으로 Memory 와 Processor 에 전력을 공급하는 외에도 입/출력 Module 에 전력을 공급하는 데도 사용되고, 처리부와 Remote 의 입/출력 Module 사이의 통신을 위해서도 사용되며 적절한 AC/DC 전압을 제 공하는 부분을 말한다.
６) 주변기기
PLC 의 Programming 및 Monitoring 을 위해 사용되는 것들로 Programming Devices, 통신을 위한 Modem, Printer, M M I ( M a n - M a c h i n e I n t e r f a c e ) 등 이 있다.
사 례 연 구
2 . P L C 구성요소별 기능
1 ) C P U ( C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t )
PLC 의 연산기능은 매우 작은 Microprocessor 에 의해서 이루어진다. 이 Microprocessor 는 Relay Processor 나 Hardwired Processor 에서는 불가능한 자기진단 기능을 갖고 있다. CPU 의 주요기능은 시스템 전체의 활동을 제어하고 지배하는 것이며 시스템 프로그램을 해석하고 수행하게된다
CPU 내 구성요소 및 각 구성요소별 동작은 아래와 같이 설명될 수 있다.
메모리 내용을 읽어내자면 먼저 Memory Address 를 지정하여야 한다. 이 Address 지시기를 Program Counter(PC)라 한다. 이 PC 에는 연산을 위하여 입출력 번호를 표시하는 입출력 번호부와 연산내용을 나타내는 연산 코드부가 있다. 그리고 연산부에 읽은 메모리의 내용을 해독하여 연산종류(AND, OR 등)를 결정하게 된다.
또한 Memory 내용의 입출력 번호는 연산부에서 입출력부에 나와 해당 입력 Address 나 출력 Address 를 결정하게 된다. 즉 많이 접속된 입력 신호 속에서 이 번호로 지정된 입력 상태만을 받아들이는 일을 한다. 받아들여진 Data 는 Decorder 로 지시된 연산 내용에 따라 연산 처리부에서 처리되는 것이다. 연산 내용이 ‘출력하라’는 명령이면 출력 Part 속에서 할당된 Address 를 찾아서 거 기에 출력신호를 준다. 이와 같이 하나의 명령으로 지시된 내용을 모두 실행했으 면 PC 내용을 하나 증가 시켜 다음 명령을 읽어 그 내용을 실행하게 된다.
C P U 구성도 ADDRESS
연산처리부 PROGRAM
DECORDER Program
Counter
연산부
입 출력 번호
입력 DATA 출력 DATA
(1) 스캔(Scan)
프로그램이 실행되는 동안 Microprcessor 는 모든 데이터 입력을 받아들이고 제 어L o g i c 에 따라 출력을 송출 또는 중지시키게된다. PLC 의 경우에는 Ladder Network 를 해석하게 되는데, 한 번 모든 Logic 이 해석되면 CPU 는 모든 출력 을 그에 맞추어 갱신하게 된다. 이와 같이 프로그램 수행을 위하여 입력을 해석 하는 과정과 출력을 갱신 하는 과정을 SCAN 이라고 한다. 다음 그림은 PLC SCAN 에 관한 개략을 보여준다.
S T E P 1 ( 입력상태 판독) : 먼저, PLC 는 각 Input 의 상태(On / Off 등)를 판독한 다. 각 Input point 에 연결된 Sensor 혹은 Switch 등 입력기기의 상태가 On 인 지 Off 인지 판독한 후 다음 Step 에 이용하기 위하여 이 Data 를 Memory 내부 에 저장시키게 된다.
S T E P 2 ( 제어프로그램 실행) : 다음에 PLC 는 입력된 Input 상태에 따라 Program 을 실행시키게 된다. 예를 들어 “1 번 Input 과 2번 Input 이 On 이므로 3번 Output 을 turn-on 시켜야 한다”든지 하는 프로그램의 해석결과를 다음 Step 을 위해 Memory 에 저장시키게 된다.
S T E P 3 ( 출력상태 갱신) : 마지막으로 PLC 는 출력상태를 Step 1의 입력상태와 Step 2 의 프로그램 실행결과에 따라 갱신하게 된다.
이러한 Scan 실행에 걸리는 시간을 Scan Time 이라고 부르며, Scan Time 은 STEP1,2,3에 나타난 것과 같이 프로그램 Scan Time 과 입출력 갱신 Time 으로 구성되게 된다.
입력상태 판독
제어프로그램 시행
출력상태 갱신
STEP 1
STEP 2
STEP 3
(2) Sub System 통신
PLC 의 Processor 는 Local 및 원격 Sub system 과 항상 Communication 을 하게 된다. Sub System 은 CPU 에 근접해 있거나 또는 원격의 현장장치 근처에 있을 수 있으며, 매 프로그램의 Scan 종료 시점에서 CPU 는 I/O Sub System 에 출력과 관련한 최신 정보를 보내고 입력기기의 현재 상태에 대한 정보를 수집하 게 된다. CPU 와 Sub System 간의 실제적인 통신은 CPU Rack 에 위치해 있는 Sub System 간의 Communication Module 을 통해서 이루어진다. 다음 그림은 대표적인 PLC 의 Sub System 의 구성 예다.
CPU 와 Sub System 간의 거리는 Controller 의 종류에 따라 다양하며 1,000 ~ 1,500ft 의 범위에 이른다. 일반적으로 사용되는 통신 Cable 은 PLC 및 거리에 따 라서 Twisted Pair cable, 동축 Cable 혹은 광통신 Cable 등이 있다.
(3) 에러점검
Processor 는 보조시스템과 주변기기 사이의 Communication Link, 자체 메모 리 상태의 점검등 기능수행상의 Error 여부를 스스로 점검하는데, 이러한 Error 점검기술로는 Checksum 과 Parrity 고 불리는 진단기능이 주로 사용되고 있다.
C P U
In/Output Module
Sub Sys’
Comm’
Module
In/Output Module
원격 I/O Comm’
Module
In/Output Module
원격 I/O Comm’
Module
In/Output Module
원격 I/O Comm’
Module
In/Output Module
원격 I/O Comm’
Module
(4) PLC 자가진단
Processor 는 시스템 운전 시 발생되는 고장의 검출 기능을 가지고 있으며, 이 러한 오 동작 발생시 그 동작 또는 시스템 자체의 상태를 변경시켜야 하는 경우 가 있다. 따라서 Memory, Processor, Battery, 전원공급장치 등의 상태를 파악 하고 CPU 상의 상태지시기로 그 상태정보를 운용자가 알아볼 수 있도록 해야 한 다.
2 ) M e m o r y
Memory 는 PLC 자체의 Operating System 이 사용하는 영역과 사용자가 작성한 Application Program 을 저장하는 영역으로 나뉘어 진다. 이들의 Memory 에는 사용하는 목적에 따라 ROM(Read Only Memory)과 RAM 이 적절히 사용되고 있 다. ROM 은 읽기 전용 Memory 이며 특별한 경우를 제외하고는 간단하게 기억을 변경하거나, 새롭게 기억시키는 작업을 할 수 없도록 구성되어 있다. 이와는 다 르게 RAM 은 Random Access memory 로서, Write 와 Read 를 자유롭게 할 수 있는 Memory 이다. PLC 그 자체가 이용하는 O/S(Operating System)는 PLC 기 능과 성능을 결정하는 중요한 Program 이다. 즉, Sequence Program 작성의 용 이, 점검의 편의, 기능의 고저, 조작성의 편리함등은 이 프로그램 방식과 짜임새 에 좌우되게 된다. O/.S 는 각 PLC Maker 가 작성하여 ROM 에 저장되게 되며,.
만약 그 기능을 변화시키려 할 경우 Maker 에 ROM 을 송부하여 내부 Program 을 변경하여야 한다. 따라서 사용자로서는 가장 Need 에 맞는 제품을 선택하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 사용자가 입력 가능한 Application Program 은 흔 히 Ladder 라고 말할 수 있는데 RAM 에 저장되며, 필요 시 수시로 수정할 수 있 다.
(1) 기억장치 기본원리
Digital 기억장치는 1 과 0 의 조합으로 만들어 지는 2 진 정보를 받아 들일 수 있 다. 가장 작은 저장 단위인 1 Bit 를 저장할 수 있는 것을 Storage Position 이라 한다. 이러한 Storage Position 이 모여 메모리 Cell 을 형성하여 Data Word 를 만들고 이러한 Data Word 가 모여 Data Block 를 받아 들일 수 있도록 되어있다.
Storage Position 의 list 는 외부에서 찾아낼 수 있고 그 값을 0 또는 1 로 확정 하는 과정을 Writing 또는 Storage 라고 하고 저장위치의 값을 확인하는 과정을 Reading 이라 한다.
보통 Computer 의 Hard Disk 기억용량를 나타낼 때 1K(kilo) 나 1 기가 (Giga)와 같은 단어는 Byte(8 Bit) 혹은 word (8 Bit, 12 bit,16 bit, 32 bit)의 수를 나타내는 것이다. 즉 1 K byte 기억용량은 210 = 1024 bytes 이며 bit 로는 1024 X 8 Bits 이다.
사 례 연 구
또한 흔히 사용되는 Access Time 은 기억장소로부터 명령어가 CPU 에 도달하 는 시간을 말하며 PLC 에 표시된 Cycle Time 과는 무관하다.
(2) 기능별 Memory 종류
가. R A M ( R a n d o m A c e s s M e m o r y )
Memory 에 Access 가능하고 그 시간이 일정하며, 전원이 끊어지면 내용이 지워지는 소멸성 Memory 를 RAM 이라 한다. 이러한 이유로
전원 차단시 PLC Memory 에 내장된 내용을 유지하기 위해서는 CPU 내에 Back-up 용 배터리가 있다.
나. R O M ( R e a d O n l y M e m o r y )
제조과정에서 Program 되며 수정할 수 없으며 이것은 Data 나 명령이 쉽게 바뀌지 않는 곳에 사용된다. 물론 응용된 ROM 형태로 PROM, EPROM, RPROM, EEROM, EAROM 이 있다.
다. M e m o r y 의 T y p e 별 특징
T y p e o f M e m o r y 삭제 방법
P r o g r a m 작성
P o w e r F a i l 시 R A M R a n d o m A c c e s s
M e m o r y
전기 전기 V o l a t i l e
( 휘발성)
R O M R e a d O n l y M e m o r y 제작자
P R O M P r o g r a m m a b l e R O M
삭제 불가 E P R O M
R P R O M
E r a s a b l e P R O M R e p r o g r a m m a b l e R O M
U V L i g h t E E R O M
E A R O M
E l e c’ E r a s a b l e R O M E l e c’ A l t e r a b l e R O M
전기
전기
N o n - v o l a t i l e ( 비휘발성)
(3) Memory 구성(MAP)
PLC 의 Memory 는 크게 System Memory, Input/Output Status Memory 그리 고 Application Memory 로 나눌 수 있다. System 프로그램은 실행동작을 시키고 실행 시 일시적으로 Data 를 저장하는 곳이며 Application Memory 는 미리 지 정된 값을 가지고 또한 사용자에 의해 접근 가능하고 프로그램 가능이라는 PLC 의 고유특성을 제공하는 곳이다.
