무접점 릴레이는 기계적 접점을 사용하지 않는 릴레이로, 반도체를 이용해 전기 신호를 제어하는 솔리드 스테이트 릴레이(SSR, Solid State Relay)라고 부릅니다. 기계적인 릴레이를 대체하기 위해 개발된 SSR은 반도체 소자를 사용해 고속 스위칭이 가능하고, 내구성과 신뢰성이 높아 여러 산업 분야에서 널리 사용되고 있는데요. 무접점 릴레이의 동작 원리, 장점 및 단점, 그리고 응용 분야에 대해 알아볼테니 두눈 크게 뜨고 공부해보시기 바랍니다.

1. 무접점 릴레이(SSR)의 동작 원리

무접점 릴레이는 기계적인 동작 없이 반도체 소자를 통해 전기를 스위칭하는 방식으로 동작합니다. SSR은 입력 회로, 구동 회로, 출력 회로로 구성되어 있으며, 전자기적 접촉을 하지 않기 때문에 기계적 손상이 발생하지 않고 빠르고 안정적으로 동작합니다.

SSR의 동작 원리는 매우 단순하지만, 반도체 기술을 기반으로 한 고도화된 메커니즘을 가지고 있습니다. 다음은 SSR의 동작 과정을 간략히 설명한 것입니다.

• 입력 회로: 스위치가 ON되면 **발광다이오드(LED)**에 전류가 흐르며, 이 빛이 광학적으로 결합된 포토트랜지스터를 활성화시킵니다.
• 구동 회로: 활성화된 포토트랜지스터는 제로 크로스 회로를 동작시킵니다. 이 회로는 전류가 0[V]에 가까울 때 스위칭을 실행하여, 스위칭 시 발생할 수 있는 고전압 스파크를 방지합니다.
• 출력 회로: 트라이악(Triac)을 통해 부하로 전류가 흐르게 됩니다. 스위치가 OFF되면 SSR은 트라이악의 특성에 따라 부하 전류의 제로점 근방에서 자동으로 차단됩니다.

이 과정을 통해 SSR은 전원을 효율적으로 스위칭하며, 기계적 릴레이에 비해 소음과 마모가 발생하지 않는 장점이 있습니다. 특히 Zero Crossing 기능이 탑재된 SSR은 전기적 충격을 줄여 스위칭 시 안전성을 높여줍니다.

2. SSR의 장점

무접점 릴레이는 기계적인 릴레이에 비해 여러 가지 중요한 장점을 가지고 있습니다.

1. 높은 수명과 신뢰성: SSR은 기계적인 움직임이 없기 때문에 접점 마모나 손상이 없으며, 반도체 소자를 사용해 오랫동안 안정적으로 작동합니다. 이러한 특성 덕분에 SSR은 유지보수 비용이 적게 듭니다.
2. 높은 감도와 낮은 제어 전력: SSR은 매우 적은 제어 전력으로도 동작할 수 있습니다. 이로 인해 민감한 제어가 가능하고, 작은 신호로도 쉽게 제어할 수 있습니다.
3. 우수한 전자기 호환성: 기계적 접점 대신 반도체를 사용하기 때문에 전자파 간섭이나 노이즈를 최소화할 수 있어, 전자 기기에 보다 안전하게 사용할 수 있습니다.
4. 빠른 스위칭 속도: SSR은 전자기 스위치보다 빠르게 스위칭할 수 있습니다. 이는 높은 주파수에서 안정적으로 동작할 수 있음을 의미합니다.
   
   

3. SSR의 단점

무접점 릴레이에도 몇 가지 단점이 존재합니다.

1. 전압 강하: SSR은 동작 후 전류가 흐를 때 일정한 전압 강하가 발생합니다. 이로 인해 전력 손실이 발생할 수 있습니다.
2. 누설 전류: SSR은 반도체 소자를 사용하므로 기계적 릴레이에 비해 전류가 완전히 차단되지 않고 미세한 누설 전류가 발생할 수 있습니다. 완벽한 절연이 어려울 수 있습니다.
3. 발열 문제: 전압 강하로 인해 전력 소비와 발열이 발생합니다. 특히 고출력 SSR은 기계적 릴레이보다 크기가 더 커질 수 있으며, 발열을 줄이기 위해 별도의 냉각 시스템이 필요할 수 있습니다.
4. 비용: SSR은 기계적 릴레이보다 상대적으로 고가입니다. 이는 반도체 기술이 사용되기 때문에 초기 비용이 더 많이 들어갈 수 있습니다.
   
   

4. SSR의 응용 분야

무접점 릴레이는 그 뛰어난 성능과 높은 신뢰성 덕분에 다양한 산업 및 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 주요 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 온도 조절 및 가열 시스템: SSR은 전기로 가열 장치나 온도 조절 시스템에서 온도 센서와 함께 사용되어 정밀한 온도 제어가 가능합니다.
• 모터 제어: 모터 속도나 출력 제어에도 사용되며, SSR은 기계적 릴레이보다 더 빠르게 모터를 제어할 수 있습니다.
• CNC 기계 장치: 고속 스위칭과 높은 신뢰성 덕분에 CNC 기계와 같은 산업용 장비에 사용됩니다.
• 의료 장비: 높은 안전성과 전자기 간섭 방지 성능 덕분에 의료 기기에서도 많이 사용됩니다.
• 자동화 시스템: 공장 자동화, 산업 자동화 시스템에서 빠르고 안정적인 스위칭을 위해 SSR이 자주 사용됩니다.
• 전력 제어: SSR은 전력 커패시터 스위치나 신호등, 조명 제어 시스템 등에서도 널리 사용되며, 방폭, 방습, 방진 등의 기능이 요구되는 환경에서도 사용할 수 있습니다.
  
  

정리

무접점 릴레이(SSR)는 기계적 릴레이를 대체하는 반도체 기반의 스위칭 장치로, 다양한 산업 분야에서 필수적인 역할을 하고 있어요. 기계적 접점 없이 반도체 소자를 통해 동작하기 때문에 높은 신뢰성과 긴 수명을 자랑하며, 빠르고 안정적인 스위칭이 가능하기도 하죠. SSR은 온도 제어, 모터 제어, 의료 장비, 산업 자동화 등 여러 분야에서 활용되고 있으며, 앞으로도 기술 발전과 함께 그 활용 범위가 더 넓어질 것으로 많은 사람들은 아주만은 기대를 하고 있답니다.

1. DC 24V를 사용하는 이유

산업용 PLC에서는 일반적으로 DC 24V를 사용합니다. 이는 주로 노이즈 저항성 때문입니다. 노이즈는 전기 회로에 간섭을 일으키고, 특히 낮은 전압을 사용하는 시스템에서는 디지털 신호에 변조가 발생할 가능성이 큽니다. 예를 들어, DC 5V 시스템에서 4~5V 정도의 노이즈가 발생하면 신호 변조가 일어날 수 있지만, DC 24V 시스템에서는 그 정도의 노이즈가 있어도 신호에 큰 영향을 주지 않습니다. 이 때문에 높은 전압을 사용하면 전자기 간섭(EMI)을 줄일 수 있고, 안정적인 신호 전송이 가능합니다.

또한, 과거에는 DC 48V도 많이 사용되었지만, 기술의 발전으로 DC 24V가 표준으로 자리잡았습니다. 차폐기술과 케이블 성능이 발전하면서 DC 24V가 충분한 안정성을 제공하게 되었기 때문입니다. 현재는 자동차 등에서는 DC 12V를 사용하는 경우도 많지만, 산업 현장에서는 여전히 DC 24V가 널리 사용됩니다.

2. Digital Input (DI)

**Digital Input (DI)**는 PLC가 외부 장치로부터 On/Off 신호를 수신하는 방법입니다. 쉽게 말해, 스위치와 같은 장치의 상태를 감지하는 기능입니다. 접점의 개폐 상태를 인식하여, PLC가 이에 따라 작동을 제어하게 됩니다.

예를 들어, 스위치가 열려 있으면 회로가 끊겨 PLC에 신호가 들어오지 않지만, 스위치가 닫히면 전류가 흐르면서 PLC가 이를 감지합니다. 이를 통해 PLC는 외부 입력 신호를 기반으로 특정 작업을 수행하게 됩니다.

산업 현장에서 DI는 레벨 스위치, 압력 스위치, 리미트 스위치 등 다양한 장치와 연결됩니다. PLC의 DI 포인트는 외부 전원을 사용할 수도 있고, PLC 내부 전원을 사용할 수도 있습니다. DI 회로에서 Sink(싱크) 타입과 Source(소스) 타입으로 나뉘며, 이는 전류가 흐르는 방향에 따라 결정됩니다.

• Sink 타입: 플러스(COM)에 연결된 스위치로 마이너스 전류를 스위치가 차단하거나 흐르게 합니다.
• Source 타입: 마이너스(COM)에 연결된 스위치로 플러스 전류를 스위치가 차단하거나 흐르게 합니다.

각 PLC 제조사에 따라 DI 결선 방식이 다를 수 있으므로, 항상 PLC 카탈로그를 참조하는 것이 중요합니다. 예를 들어, LS산전 모델은 Sink 타입과 Source 타입 모두를 지원하여 더 다양한 결선 옵션을 제공합니다.

3. Digital Output (DO)

**Digital Output (DO)**는 PLC가 외부 장치에 신호를 보내 부하를 작동시키는 역할을 합니다. 즉, PLC가 스위치 역할을 하여 전기 장치를 작동시키는 기능입니다. DI가 PLC로 신호를 수신하는 것이라면, DO는 PLC가 신호를 출력하여 장치를 제어하는 방식입니다.

DO는 크게 세 가지로 나뉩니다:

1. Tr 출력 Sink 타입: 마이너스 전원이 PLC로 들어가고, PLC가 부하로 마이너스 전원을 출력하여 부하를 작동시킵니다.
2. Tr 출력 Source 타입: 플러스 전원이 PLC로 들어가고, PLC가 부하로 플러스 전원을 출력하여 부하를 작동시킵니다.
3. 릴레이 출력: 릴레이가 부하에 전원을 공급하고, PLC는 릴레이를 제어하여 부하의 On/Off를 조절합니다. 릴레이 출력은 AC나 DC 전원 모두 사용할 수 있으며, 고출력에도 적합합니다.

릴레이 출력을 사용할 때는 외부 릴레이를 추가하여 시스템의 안정성을 높일 수 있습니다. 외부 릴레이를 사용하면, 외부에서 발생한 전기적 사고가 PLC 내부로 영향을 미치는 것을 방지할 수 있어, 장비 보호에 매우 유리합니다.

4. Sink 타입과 Source 타입의 차이

PLC에서 Sink와 Source 타입은 전류가 흐르는 방식에 따라 구분됩니다.

• Sink 타입은 마이너스 전류가 스위치를 통해 흐르며, 전원 공급원에서 스위치로 전류가 이동합니다. 이는 전류가 흐를 때 플러스를 접지하는 방식으로 생각할 수 있습니다.
• Source 타입은 플러스 전류가 스위치를 통해 흐르며, 전원이 스위치로부터 부하로 이동합니다. 이는 마이너스를 접지하는 방식으로 이해할 수 있습니다.

PLC의 결선 방식은 Sink 타입과 Source 타입 중 어떤 것을 사용하는지에 따라 달라집니다. 결선 도면을 통해 이를 확인하고, 적절한 방식으로 연결해야 합니다.

정리

PLC 회로 설계에서 DI, DO의 역할과 DC 24V의 사용은 매우 중요한 요소라고 할 수 있어요. DI는 외부 신호를 PLC로 전달하여 장치의 상태를 모니터링하고, DO는 PLC에서 장치를 제어하는 출력 역할을 한답니다. 높은 전압을 사용하는 DC 24V는 노이즈 저항성이 뛰어나 산업 현장에서 신뢰할 수 있는 신호 전달을 보장하기도 하죠.

PLC를 사용한 자동화 시스템을 설계할 때, DI와 DO의 기능을 명확히 이해하고, 각 장치에 적합한 전원 공급 방식을 선택하는 것이 중요하다는 사실을 이제는 알수있을거라고 생각합니다. 게다가, PLC의 Sink 및 Source 타입에 대한 이해는 결선 작업을 정확하게 수행하는 데 중요한 역할을 한다는 사실도 배웠고요.

PLC 래더 프로그래밍을 하는 과정에서 반복적인 회로가 필요할 때가 있습니다.

제목에 '인덱스 레지스터'라는 생소한 용어가 하나 보일텐데,

이 레지스터는 값을 저장하는 레지스터가 아닌 메모리의 위치를 저장하는 레지스터라고 할 수 있겠습니다.

대충 PC 계열의 프로그래밍에서는 '포인터'라는 개념과 상당히 유사합니다.

이 '포인터'라는 개념만큼 어렵지는 않지만, 나름 사람에 따라 난이도가 있다고 느낄 수도 있습니다.

하지만 알아두면 프로그래밍이 상당히 간결해지고 편리해지는 장점이 있죠.

인덱스 레지스터는 총 IR0~IR15까지 넉넉하게 제공이 되고,

태스크마다 IR/DR을 공유할 것인지, 별도로 사용할 것인지에 대한 부분을 PLC 설정에서 바꿀 수 있습니다.

간단하게 예를 들기 위해서 예제 회로 하나를 준비했습니다.

반복 회로 (사진 1)

위 사진을 보시면 똑같은 형태의 회로가 반복되고 있습니다.

이 회로를 인덱스 레지스터와 반복문을 이용하여 다음과 같은 형태로 줄일 수 있습니다.

인덱스 레지스터를 사용한 반복 회로 (사진 2)

처음부터 각 렁(Rung)마다 하나씩 설명드리자면...

Rung 0 : IR0 (첫번째 인덱스 레지스터)에 0.00의 주소값을 대입합니다. (MOV가 아닌 MOVR을 사용합니다.)

Rung 1 : IR1 (두번째 인덱스 레지스터)에 W0.00의 주소값을 대입합니다.

Rung 2 : FOR 명령어를 이용해 회로를 반복합니다. 반복 횟수는 11번으로 지정해줍니다. (0.00 ~ 0.10까지 총 11개)

Rung 3 :

인덱스 레지스터의 핵심입니다. 회로의 모양은 사진 1과 같은 회로입니다.

다만 여기서 '콤마(,) 기호'를 통해서 IR0이 가리키는 주소값을 받아옵니다.

따라서 ,IR0는 IR0가 가리키는 주소값을 불러오게 됩니다.

여기서 맨 뒤에 '더하기(+) 기호'를 추가하여 오토 인크리먼트(Auto Increment; 자동 증가) 옵션을 사용하면 ,IR0에서 값을 불러온 후 IR0가 다음 주소값을 가리키도록 할 수 있습니다.

따라서 ,IR0+는 IR0가 가리키는 주소값을 불러오고 다음 주소값을 자동으로 가리키게 됩니다.

Rung 4 : ++L 명령어를 사용해 IR1의 주소값을 하나 증가시킵니다.

Rung 5 : FOR 명령어 반복의 마지막을 나타내는 NEXT 명령어입니다.

여기서 모두들 왜 IR0는 오토 인크리먼트로 다음 주소값을 가리키면서, IR1은 따로 ++L 명령어를 사용하여 다음 주소값을 가리키냐가 가장 궁금하실 것이라고 생각이 됩니다.

래더 프로그램의 특성 상 순차적으로 실행이 되고, 필요없는 부분은 건너뛰기 때문에 ,IR0 ,IR1 모두 꺼져있거나, 리셋 스위치가 켜져 있는 경우에는 출력부인 [OUT ,IR1]이 실행되지 않습니다.

출력부 자체가 실행되지 않으므로 오토 인크리먼트를 적용할 경우에는 IR1은 증가하지 않고 IR0만 증가하게 되어 회로가 꼬이게 됩니다.

RS-485 2선식 연결과 4선식 연결 방식 (RS485 4w to 2w)

RS-485는 Full Duplex 방식(4wire)과 Half Duplex 방식(2Wire)을 통해서 통신을 할 수 있습니다. 결선하는 방법에 따라서 RS-485를 이용한 통신 방식이 달라짐을 결정할 수 있습니다. 

그럼 먼저 Full Duplex와 Half Duplex에 대한 의미를 알아보도록 하겠습니다. 

RS-485의 결선 방식 중 2선식 와이어(2-Wire)방식이 표준 방식입니다. 하지만 2선 방식은 송수신 되는 데이터가 충돌하고, 반이중 통신 방식이 가지는 단점을 가지고 있기 때문에 이를 개선하기 위해서 나온 방식이 4선식 와이어(4-Wire) 방식입니다. 

그럼 2선식과 4선식에 대한 결선 방법(결선도)에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

1) RS-485 2-Wire 방식

2선식 방식은 TX+와 RX+, TX-와 RX-를 쌍으로 연결하여 사용하는 방식으로 모든 디바이스가 Master가 되는 반이중 통신을 베이스로 통신하는 방법입니다. 

아래의 그림처럼 TX+와 RX+를 상대방 디바이스의 TX+와 RX+에 연결을 하고, 반대로 -선도 하나의 선으로 두개의 라인에 결선을 하게 됩니다. 

2) RS-485 4-Wire 방식

4선식 방식은 아래의 표처럼 Master와 Slave간에 결선을 하는 방법을 말합니다. 

위에서 설명한 바와 같이, 4선식 방식은 2선식 방식이 가지는 단점을 보완하고 반이중 통신이 아닌 전이중 통신 방식으로 통신을 합니다. 또한 4선식 방식은 Master-Slave 개념을 가지는 Network 형성이 가능합니다. 

2선식과 4선식의 방식의 그림을 살펴보면 끝부분에 저항이 달려있는것을 확인할 수 있습니다. 이를 종단저항(Termination Resistor)라고 합니다. 

This article is from a series of articles looking at some of the popular Serial Communication Protocols. These will cover a few of the more popular protocols and standards in use today. After this series, we will review and compare their advantages and disadvantages. We aim to provide helpful information that you can cross-reference next time you need to choose the best serial communication bus for your design.

In this article, we will be looking at the popular RS-485 protocol standard.

RS-485 (the RS standing for Recommended Standard) is also known as TIA-485 (Telecommunications Industry Standard) or EIA-485 (Electronics Industries Alliance). It is an electrical protocol standard (rather than a protocol), which was approved in 1983. It defines the electrical characteristics of the transmitter and receiver drivers of serial communication systems. It is a multi-point system standard that uses a balanced differential pair data transmission line.

RS-485 is a successor to the RS-422, which also uses a balanced differential pair, but only allows one driver per system. The RS-485 standard allows up to 32 drivers in one system, supporting communications over distances of up to 1200 meters, and can keep baud rates from 110 Baud to 115200 Baud.

The RS-485 has several transmission line configurations. The first one is RS-485 2-Wire, also known as a Half-Duplex configuration, that uses one differential pair transmission line with a ground reference, as shown in the figure below.

RS-485 2-wire

The second configuration uses 4-Wire and is also known as a Full-Duplex configuration, which uses two differential pairs: labeled TR (transmit) and RX (Receive), along with a ground reference, as shown in the figure below.

RS-485 4-wire

In the 4-Wire configuration, the master transmitter is connected to the slave receiver connections, while the master receiver is connected to the slave transmitter connections.

The main difference between 2-Wire and 4-Wire is that the 2-Wire configuration can at any one time either receive or transmit, while the 4-Wire configuration can simultaneously receive and transmit.

The 2-Wire configuration is generally more popular; however, the configuration you may need to employ will depend on the devices you are using and the drivers they have.

The RS-485 differential pair characteristic impedance is 120 Ω. While you can theoretically connect up to 32 devices (or even more by using an RS-485 repeater), the actual number of nodes will depend on the chosen communication speed or baud rate. The greater the speed, the fewer nodes you can connect, and also, the maximum distance over which you can communicate will decrease. At a full speed of 10 Mbps, the RS-485 can only operate over about 12 meters, while distances of 1200 meters can be achieved at 100 kbps. The figure below shows the relationship between the transmission rate and transmission distance.

RS-485 data rate and cable length dependency

The best layout type for connecting devices using RS-485 is a daisy chain. The other topologies, like Star, T-Drop, or Ring, are not recommended. This is because RS-485 is a high-speed transmission line and is significantly affected by signal reflections. It is also recommended that shielded twisted-pair cables wire an RS-485 connection because it increases differential pair immunity from electromagnetic effects and noise.

The standard RS-485 cable and its parameters

For the daisy chain topology, the use of termination resistors with a 120 Ω value is required at each end of the network to minimize reflections. 

120 Ω Termination Resistors

Some RS-485 transmitters and receivers have these termination resistors built internally. Sometimes, in a noisy environment, the 120 Ω resistors need to be replaced by 60 Ω low pass filters to provide standard noise filtering, as shown in the diagram below:

Low pass filter termination

The use of high precision resistors (maximum 1% tolerance) is recommended for the termination.

An important consideration is that the ground reference can differ significantly across interconnected devices, damaging their RS-485 ports. The RS-485 interfaces have an additional standard signal wire to minimize any ground potential difference. This wire provides a typical reference potential level for all the RS-485 nodes.

Also, the wire shielding should only be grounded at one point. If the shielding is grounded at several points, ground loops could appear within the network, which can adversely affect the ground reference and induce noise in the shielded wires.

A useful tip. If you need to use a 2-Wire RS-485 device with 4-Wire ones, you just need to simply tie the two positive cables together and the two negative cables together,  as shown below:

RS-485 2-Wire connection in a 4-Wire network

The signal levels the RS-485 drives deliver a differential output of 1.5 V across a 54 Ω load, while the receivers can detect differential inputs down as low as 200 mV. This provides a generous margin giving reliable data transmissions even under high levels of signal degradation.

RS-485 driver minimum voltages and receiver voltage sensitivity

It’s important to note that no device will be driving the bus during the idle condition, and the receiver output is undefined. This could cause problems, such as random data appearing during idle periods, which could cause false start bits, interrupts, and framing errors. If this should occur when used in the manufacturing industry, automation, or any other critical application, there could be severe consequences. A combination of pull-up and pull-down resistors can be added at the bus’s termination point to eliminate this risk. A suggested circuit is provided below.

Fail-safe biasing circuit

The resistor values can be calculated by using the following formula (assumes that the termination resistor Rt = 120 Ω):

The biasing resistors will establish a fail-safe mode where only a tiny portion of the voltage region is left undefined. This is because the nodes will have an offset of known voltage, and the noise would not drive them.

The undefined region in RS-485 without and with biasing

Also, drivers that have this fail-safe mode already implemented are readily available.

The RS-485 standard has been implemented in several industrial and automation communication protocols, like Modbus, Profibus DP, OPTOmux, and DH-485.

Summary

This article has looked at some of the popular RS-485 protocol standard features and discussed some of its advantages and implementation details. In the following article in this series, we will look at some of the alternate serial communication protocols available. Check out this series's previous articles: Serial Communications Protocols - Introduction, Serial Communications Protocols - Part Two: UART and Serial Communications Protocols - Part Three: RS-232.

내가 부족한것이 무엇인지 곰곰히 생각해 보는 책이다. 

자기계발의 한계가 무엇인지 보여주는 것 같다. 

가족간의 문제의 이유도 여기서 엿볼 수 있었다. 

1부 의도성: 기본에 초점을 맞춰라
   1장 이것이 관계다!
   2장 자기 계발의 함정
   3장 멀리 바라보라
   4장 조직 문화의 중요성

2부 겸손: 관계를 차곡차곡 쌓아가라
   5장 정상적인 사람은 없다
   6장 4단계 성장 나선
   7장 얼굴은 백 마디 말보다 더 많은 것을 알려준다
   8장 두려움을 극복하라

3부 책무성: 대담한 관계를 구축하라
   9장 노를 저어라
   10장 갈등 해소를 위한 교전규칙
   11장 날것의 대화를 하라
   12장 자신 너머에서 의미를 찾아라

4부 지속 가능성: 리더십을 재설계하라
   13장 자기 이익을 초월하는 리더십
   14장 인재 유출을 막아라
   15장 사랑의 리더십
   16장 관계를 동력으로 성장하라

PLC 프로그래밍 순서

PLC의 제어동작은 시퀀스 프로그램이 격납되어 있는 메모리의 내용을 제어연산부가 차례로 읽어 내면서 실행함.
 

기호나 심볼을 이용하여 작성한 프로그램은 PLC에서 사용되는 마이크로 프로세서가 이해할 수 있는 머신코드로 변화되어 격납됨. 이 작업은 프로그램 입력장치와 PLC의 시스템 프로그램의 동작으로 이루어진다. 따라서 시퀀스 프로그램은 시스템 프로그램이 변역할 수 있는 약속에 따라 설계함과 동시에 메모리에의 격납도 규칙이나 제약사항을 반드시 지켜야 함.

1. 제 1단계 : 기계동작의 사양작성

 제 1단계로 제어대상의 기계나 장치의 동작 내용을 파악하여 다음 사항들을 결정함.

작업내용의 구체적 공정도를 작성함.
액추에이터의 종류와 수량을 결정함.
센서의 종류와 수량을 결정함.

2. 제 2단계 : PLC의 하드웨어 선정

제 2단계로는 적용할 PLC를 선정해야 되는데, PLC의 하드웨어부 선정에 관련한 사항들에 대해서는 앞서 설명한 대로임. 기본부의 검토항목으로는 프로그램 메모리의 용량, 처리속도, 명령의 종류와 연산기능, 데이터 메모리의 종류와 점수, 정전유지 기능의 필요성, 입출력 점수 등임.
 

입력부에 대해서는 PLC에 접속할 입력기기의 종류와 수를 조사하여 적절한 입력형식과 그 점수, 절연방식, 정격전압, 응답시간, 표시장치의 유무 등이 검토항목임.
 

출력부도 접속할 출력기기의 종류와 수를 조사하여 필요한 출력형식과 출력점수, 절연방식, 정격전압과 전류, 응답시간, 표시장치의 유무 등이 검토항목임.

3.  제 3단계 : 입출력 할당

입출력 할당이란 조작패널 상의 각종 명령스위치, 검출스위치, 제어대상의 조작기기, 표시등 등의 입출력기기를 PLC의 입력유닛과 출력유닛의 몇 번째 입력점과 출력점에 접속하여 사용할 것인가를 정하는 것임.

1) 입력 할당

PLC의 입력기기는 크게 조작반에 설치된 명령지령용의 각종 스위치와 액추에이터의 동작상태 등을 검출하는 검출기기나 장치를 보호하기 위한 보호용 기기 등으로 구별되며, 입력할당은 이들 기기들을 PLC의 입력유닛 종류에 따라 각각 몇 번에 입력할 것인가를 결정하는 것으로 몇 가지 사항을 지켜서 할당을 하고 그 결과를 표로 정리해 두는 것이 좋음. 이것은 다음 단계의 코딩 작업시에 반드시 필요하며 프로그램이 완료되어 기계가 정상운전 후에도 기계의 보수유지를 위해 꼭 필요한 것임.

동일 전압마다 정리하여 할당함.
동일 종류의 기기마다 정리하여 할당함.
제어 시스템의 작동 블록으로 정리하여 할당함.
무접점 입력기기의 경우는 접속형식을 확인함.
예비접점을 할당함.
입력점수 절약대책을 강구함.

2) 출력 할당

출력할당도 입력할당과 같이 몇 가지 원칙을 지켜가며 출력기기를 할당하고 이것을 표로 정리해 둔다.

동일 전압마다 정리하여 할당함.

• 동일 종류의 기기별로 정리하여 할당함.
• 관련 기기는 연번으로 할당함.
• 예비접점을 할당함.
• 출력점수의 절약대책을 강구함.

4. 제 4단계 : 제어배선도의 작성

제어배선도의 작성은 시퀀스도 작성시 사용하는 표시기호를 사용하여 입출력 할당에서 결정한 입출력 번호에 해당기기의 접속과 전원의 구분, 콤먼라인과의 접속관계 등을 한 눈에 파악할 수 있도록 정리하여 작성함.

제어배선도를 작성하는 것은 PLC 프로그래밍을 위해 반드시 필요한 작업은 아니고, 입출력기기와 PLC와의 접속을 명확히 하여 입출력 할당을 검토하여 배선작업시 실수를 방지할 수 있고, 보수유지에 있어서도 배선점검에 유용하기 때문에 작성해 두는 것이 좋음.

작성방법은 PLC의 외관형태가 단독형인 경우는 그림 3-4와 같이 좌측에 입력기기를 우측에 출력기기의 배선관계를 나타내면 좋음. 그러나 입출력 점수가 많은 빌딩블록 방식의 경우는 이와 같이 표현하는 것은 곤란하므로 그림 3-5와 같이 입력유닛과 출력유닛을 구분하여 작성하는 것이 좋음.

5. 제 5단계 : 시퀀스 프로그램의 작성

프로그래밍 작업중 어느 제어방식에 있어서도 시퀀스 프로그램을 작성하는 것이 제일 중요하며, 또한 제일 어려운 작업임.

통상 PLC의 시퀀스 프로그램은 릴레이 심볼식의 래더 다이어그램에 의해 작성하는 것이 대부분이며, 이상적인 프로그램 작성을 위해서는 사용하는 PLC의 명령어를 충분히 이해하고 있어야 하며, 전동기나 전자밸브를 제어하는 기본회로의 숙지도 반드시 필요함.

6. 제 6단계 : 데이터 메모리의 할당

시퀀스 프로그램에 기초해서 내부 릴레이(일시기억 메모리), 타이머, 카운터, 레지스터 등의 데이터 메모리를 할당함. 내부 릴레이는 신호의 상태 기억이나 중계, 펄스발생기능을 위해 사용되어진다. 내부 릴레이 할당에 있어서 중요한 점은 시스템의 특성에 따라 정전시 동작상태 유지가 필요한 기능에는 래치 릴레이를 할당하여야 함는 것에 주의하여야 함.

타이머나 카운터의 할당에 있어서는 기종에 따라 타이머와 카운터를 공용으로 사용하는 기종도 있는데 이 때는 타이머에 할당한 고유번호는 카운터로 사용할 수 없음는 점에 유의해야 함. 또한 타이머의 경우는 최소시간 설정단위와 설정범위를 반드시 확인하여야 하고, 카운터 할당에 있어서도 카운터의 기능과 설정치를 확인한 후 할당하여야 함.

내부 릴레이나 타이머, 카운터 등의 할당은 표를 작성하고, 프로그램 작성중에 사용한 보조릴레이나 타이머에 표를 해 놓거나 코멘트를 기입해 두면 나중에 알기 쉽고, 중복하여 사용할 우려도 없음.

7. 제 7단계 : 프로그램 메모리의 할당

PLC 1대로 기계 1대를 제어하는 경우는 메모리 할당이 의미가 없으나, 플렉시블한 기계에서 여러 가지 패턴제어를 실행하거나, 집중제어와 같이 PLC 1대로서 복수의 기계를 제어하는 경우 또는, 제어프로그램 이외에 여러 가지 부가 기능의 프로그램이 있는 경우는 전 메모리를 몇 개의 블록으로 분할해야 함.
  

• 동일 기계에서 복수의 가공이나 조립패턴이 있는 경우 
• 복수의 기계를 1대의 PLC로 제어하는 집중 시스템의 경우
• 2차 기능의 프로그램을 부가하는 경우

8. 제 8단계 : 코딩(coding)

시퀀스 프로그램을 PLC의 메모리에 격납하기 위해 시퀀스 프로램의 내용을 PLC 명령어로 변환하는 작업을 코딩이라 함. 이 코딩작업은 니모닉방식의 언어를 사용하는 기종에 한정되며 릴레이 심볼릭어를 사용하는 기종에서는 의미가 없음.
 

코딩을 하기 위해서는 사용하는 PLC의 명령어를 충분히 익히고 시퀀스 프로그램과 입출력 할당표, 데이터 메모리 할당표 등을 보면서 차례대로 실시함. 코딩의 결과는 코딩표를 작성하고, 다음 사항에 주의하여 실시함.
  

• a, b접점 상태에 유의함.
• 접점의 블록간 접속을 포함하여 직렬, 병렬 접속에 유의함.
• 접점, 코일, 입출력 할당번호 등을 확인하면서 실시함.
• 타이머나 카운터의 설정치에 유의함.
• 스텝(어드레스)수 절약방법 등을 강구하면서 실시함. 
• 이것은 스캔(scan)타임을 단축시킬 수 있기 때문에 가능한 한 실시하는 것이 좋음.

9. 제 9단계 : 로딩(loading)

9단계로 프로그램 입력장치를 이용하여 시퀀스 프로그램의 내용을 PLC의 메모리에 격납함. 이 작업을 로딩이라하며, 로딩을 하기 위해서는 기존의 PLC 메모리에 있는 내용을 소거시킨 후, 로직 심벌릭어를 사용하는 PLC에서는 코딩표를 보고, 릴레이 심볼릭어를 사용하는 PLC에서는 시퀀스 다이어그램을 보면서 메모리에 격납함.
 

프로그램 입력방법은 메이커마다 각각 다르므로 사전에 사용법을 충분히 숙지해야 되며, 특히 기존의 릴레이 회로를 그대로 사용할 경우는 주의해야 함.

10.  제 10단계 : 시뮬레이션(simulation)

간단한 제어 시스템인 경우 로딩이 완료되면 곧바로 시운전에 들어가도 사고를 일으킬 가능성이 적어 문제시되지 않지만, 비교적 제어 난이도가 높거나 대형의 제어 시스템의 경우, 처음부터 완벽하게 논리를 성립시키는 것이 곤란하고, 또한 논리가  불완전한 시스템을 곧바로 시운전에 들어갔을 경우 사고를 일으키거나 시스템에 치명적인 상처를 줄 수도 있음. 이러한 이유에서 시운전에 앞서 강제 입출력 명령을 이용하거나 모의 입력에 의한 방법 등으로 시뮬레이션을 함.
  

• 조작스위치 등을 이용한 모의 입력에 의한 시뮬레이션  
• 강제 입력기능을 사용한 시뮬레이션
• 강제 출력기능을 사용한 시뮬레이션

FIVE STEPS TO PLC PROGRAM DEVELOPMENT

Programming a PLC can sometimes be a daunting task. The best method is to break the task into some smaller steps. These are the steps that I have used for years to develop PLC programs. We will apply them to a die stamping application.

Step 1 – Define the task:

What has to happen? This is written down and summarized. You may have to ask several different people how the machine is to operate. Going back to individuals when there is a conflict on specific aspects of the operation. This step is number one for a reason with PLC program development.

A master switch is used to start the process and to shut it down. Two sensors: an upper limit switch that indicates when the piston is fully retracted and a lower limit switch that indicates when the piston is fully extended. When the master switch is turned on the piston reciprocates between the extended and retracted positions. This is achieved with an up and down solenoid. When the master switch is turned off, the piston returns to the retracted position, and all solenoids are off.

Step 2 – Define the Inputs and Outputs:

Based on the information in step 1, you determine the inputs and outputs to the PLC required to develop what has to happen.

Inputs:
Master Switch – On/Off
Upper Limit Switch – On/Off
Lower Limit Switch – On/Off

Outputs:
Down Solenoid – On/Off
Up Solenoid – On/Off

Step 3 – Develop a logical sequence of operation:

This is where the majority of time is spent in PLC program development. Steps 1 and 2 allow you to systematically express what has to happen in the PLC program. Based on the logic, you may have to modify the inputs/outputs or sequence of the program. This is the easiest place to make changes.

This can be done with the use of a flow chart or sequence table. You can use anything to fully understand the logic of the operation before programming. Many people do not use this step and jump straight to programming.

Fully understanding the logic before starting to program can save you time and frustration.

Sequence Table: The following is a sequence table for our die stamping application. I usually review this sequence with the person with the most knowledge of the machine. This can be the designer and/or the machine operator.

How to read the Sequence Table: Follow the steps from left to right, top to bottom. Inputs and outputs are labeled as 1 (ON), 0 (OFF) or X (Does not Matter). Step 1 indicates that it does not matter the upper and lower limit switch positions. The master switch is off, so the up and down solenoids are off. Steps 3 and 4 repeat themselves as long as the master switch is on.

Note: You will notice that at step 2 after the master switch turns on the up solenoid will be activated. So the piston always retracts when the master switch is first turned on.  This operation was picked up in the development of our logical sequence.

Step 4 – Develop the PLC program:

Utilizing the above steps, we will now actually write the plc program. This can be in several different languages. In our case, ladder logic will be used.

Look at the sequence table with respect to the following logic. I have used Set and Reset conditions so it is easily followed by the sequence table. When the master switch turns on the up solenoid is activated. Notice the first rung is a direct correlation. Follow the rest of the sequence table with this ladder logic.

Document, Document, Document This is a vital part of every program, which will save you time and money when you have to return to the program years later.

Step 5 – Test the program:

Test the logic that you have developed. Once again the previous steps are helpful in this process. PLC program development testing is an important step to test for all conditions of the logic. (Power Cycle, Sensors Fail, Safety, etc.)

Test the program with a simulator or actual machine. Make modifications as necessary. Check with the people most knowledgeable on the machine, to see if it is doing what they expect. Do they need anything else? Follow up after a time frame to see if any problems arise that need to be addressed.

These five steps will help you in your PLC program development.

1. Define the task
2. Define the inputs and outputs
3. Develop a logical sequence of operation
4. Develop the PLC program
5. Test the program

The five steps form the basis of all PLC development. You will notice that the actual programming does not occur until the second last step. Usually, more time is spent on understanding the task and sequence of operation.