Alright…let’s go. The Smart Sensor plays a very important role in theSmart FactoryofIndustry 4.0which is considered as the fourth revolution of the manufacturing industry.
TheFirst Revolution brought us steam and water-powered mechanization.
TheSecond Revolution introduced mass production using electricity.
TheThird Revolution established automated manufacturing processes using computers and robotics.
What makes a Base Sensor different than a Smart Sensor?
Before we get to that question, let’s review what a base sensor is, what it does, and how it is integrated into process control loops.
A base sensor is a device that senses something. For many years we’ve had sensors that can see, feel, hear, smell, and even taste.
In the world of instrumentation and process control, we define a Sensor as a device that detects changes in physical properties and produces an electrical output in response to that change.
A Thermocouple is a temperature sensor that will produce an increasing voltage across it when exposed to increasing temperature.
In industry today, thousands of thermocouples are connected to transmitters in temperature process control loops.
In the process control, we condition the thermocouple voltage and convert it to an industry-standard signal that represents our controlled temperature range.
Smart sensor
OK…so…what if we had a sensor that did more than sense singular basic physical properties?
What if we had a sensor that also performs data conversion, digital processing, and can communicate to external devices and the Cloud?
What is a smart sensor?
In very general terms a Smart Sensor has a base sensor, a microprocessor, is communication-capable, and has some form of onboard diagnostics.
Smart Sensors are capable of a variety of functions and options. Smart Sensors can perform self-assessments and self-calibration.
They can detect issues such as sensor contamination, switch failures, and open coils.
Smart sensors with multi-sensing capability
Some Smart Sensors are capable of multi-sensing and can measure pressure, temperature, humidity, gas flow, and more.
Manufacturing intelligence
Smart Sensors play a very important role in the new era of manufacturing intelligence. They will become more and more important as the industry develops increasingly sophisticated and complex processes.
Summary
OK, let’s review…
– The Smart Sensor plays a very important role in Industry 4.0 which is considered as the fourth revolution of the manufacturing industry.
– A Smart Sensor can do more than sense singular basic physical properties
– Smart Sensors can perform data conversion, digital processing, and can communicate to external devices and the Cloud.
– A Smart Sensor has a base sensor, a microprocessor, is communication-capable, and has some form of onboard diagnostics.
– Smart Sensors are capable of a variety of functions and options.
– Some Smart Sensors are capable of multi-sensing and can measure pressure, temperature, humidity, gas flow, and more.
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최근 각광받고 있는 스마트 센서는 자체적인 처리 기능을 포함하고 있는 센서를 의미한다. 네트워크 통신을 통해 정보를 주고받는 ‘똑똑한’ 녀석이기도 하다. 스마트 센서를 어떻게 정의하면 좋을지, 이점으로는 무엇이 있는지, 어떤 분야에서 어떤 형태로 사용되고 있는지 등을 알아본다.
지능형 센서(Intelligent Sensor)라고도 불리는 스마트 센서의 가장 큰 특징은 마이크로프로세서(중앙처리장치)를 포함하고 있다는 점이다.
마이크로프로세서는 센서의 출력 신호를 유지하며, 신호를 통해 낮은 수준의(Low-level) 처리를 수행한다. 스마트 센서는 대부분 통신 인터페이스를 가지고 있어 디지털화한 신호를 제어 네트워크로 전송할 수 있다.
스마트 센서의 좋은 예로 스마트 온도 센서가 있다. 스마트 온도 센서는 원치 않는 잡음(노이즈)을 감지해 걸러내는 것은 물론, 열전대(서모커플) 신호가 디지털화하기 전에 오류를 보상하고, 이 상황을 제어 네트워크로 전송한다. 온도 센서는 또한 감지대상의 온도가 너무 높거나 낮은 상황을 감지해 사용자에게 경고를 보낼 수도 있다.
스마트 센서는 보통 상보형 금속산화 반도체(CMOS)와 초고밀도 집적 회로(Very Large Scale Integration, VLSI), 미세 전자기계시스템(Micro Electromechanical System, MEMS) 그리고 디지털 출력 혹은 반(半)디지털 출력 장치로 구성되어 있다. 반 디지털 출력의 예로는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulated)가 있다.
스마트 센서의 장점 스마트 센서를 사용했을 때 얻을 수 있는 장점은 다양하다.
1. 디지털 센서 신호는 아날로그 센서 신호보다 정확하다. 정확도가 높아 보다 뛰어난 처리 및 공정제어를 실현하며, 연비와 생산량 그리고 생산성 등을 높일 수 있다. (생산량이란 일정한 기간 동안 만들어지는 양을, 생산성이란 투입된 자원과 산출된 생산량 사이의 비율을 말한다. 편집자 주)
2. 스마트 센서는 많은 배선을 필요로 하지 않는다. 특정 제품군마다 동일한 버스를 통해 통신할 수 있기 때문이다. 각 장치 간의 연결이 줄어들면 장치의 신뢰성이 높아진다. 설치를 보다 단순화하고 배선을 줄여 시스템의 무게 및 부피를 줄이는 것도 장점이다.
3. 디지털 출력 방식은 간헐 신호(Intermittent Signal)가 없다. 간헐 신호는 아날로그 센서에서 볼 수 있던 현상이다. 디지털 출력 신호는 있거나(Present) 없거나(Not)의 두 가지 가능성밖에 존재하지 않는다. 이 점을 활용하면 문제를 해결하기까지 걸리는 시간을 줄일 수 있다.
4. 마이크로프로세서를 사용하면 출력 신호에 ‘정보’를 삽입할 수 있다. 여기서 정보란, 센서 및 센서 네트워크를 관찰하고 평가할 수 있는 정보를 말하며, 교정·편차 보상·오류 감지 등에 사용할 수 있다. 장비의 고장 혹은 공정 상의 변형을 조기에 감지하면 유지보수 계획을 세우는 데 도움이 된다. 장비를 수리하기 위한 예기치 않은 정지시간(다운타임)을 낭비하는 것보다야 바람직한 일이다.
5. 스마트 센서 중 일부는 개방적인 디지털 통신 프로토콜을 활용하고 있다. 이를 통해 스마트 센서를 다양한 제어장치와 함께 사용할 수 있다. 또한 I/O를 추가할 필요를 낮춘다.
6. 센서 자체에서 신호를 조절하고, 신호를 사전에 처리할 수 있다. 기존에 신호를 처리하던 제어장치가 다른 작업을 처리할 수 있게 됨을 의미한다. 이를 통해 보다 빠른 처리속도 혹은 보다 많은 처리량을 실현한다.
스마트 센서의 유지보수 제대로 설계 및 설치하기만 했다면, 일반 센서의 유지보수와 동일한 방식으로 관리하면 된다. 보통의 센서보다 더 많은 유지보수가 필요하지는 않다는 뜻이다. 하지만 기술자 및 사용자가 스마트 센서의 정비 및 문제해결에 필요한 교육을 받는 것이 바람직하다.
활용이 증가할 분야 다양한 분야에서 스마트 센서의 활용이 빠른 속도로 늘어날 것으로 보인다. 특히 일부 영역에서는 보다 큰 성장세를 보이고 있다. ▲대테러 분야 ▲안전 관련 응용사례 ▲화물 추적 ▲생물 통계학(Biometrics) ▲자동차 제조분야 등이 대표적이다.
자동차 제조업계에서는 스마트 센서를 통해 사람의 생명을 구할 수 있는 방법을 모색하고 있다. 충돌이 임박했을 때 스마트 센서가 이를 감지하고, 차체 중 어떤 부분에 영향을 받으며, 좌석에는 어린이가 있는지 성인이 있는지 등을 총체적으로 감지한다.
스마트 센서가 얻은 자료는 에어백을 작동시켜야 하는지, 어떤 속도로 작동시켜야 하는지, 얼마나 크게 부풀려야 하는지 등의 전반적인 작업에 쓰인다.
에어백은 센서가 얻은 자료를 기반으로 작동한다. 스마트 센서가 사고로부터 승객을 안전하게 보호하는 셈이다.
사용이 어려운 분야 스마트 센서의 성능을 떨어트리거나 장치를 망가뜨리는 요소는 세 가지가 있다. ▲125℃가 넘는 고온에서 일정 기간 이상 작동하거나 ▲높은 수준의 전자 방해(Electromagnetic Interference, EMI)가 있거나 ▲방사선이 강한 환경 등에서는 스마트 센서를 활용하기 어렵다.
가격적인 이점은 천천히 찾아온다 스마트 센서의 비용은 일반 아날로그 센서에 비해 약간 비싼 것이 사실이다(응용사례 및 제품군에 따라 가격 규모가 달라진다). 하지만 제품 유지보수와 새로운 센서의 추가 그리고 성능상의 이점 등을 변수로 적용하면, 장기간 사용에 따른 총 비용은 일반적인 센서와 비슷하거나 오히려 더 저렴하다.
[테크월드=신동윤 기자] IoT의 대두로 인해 많은 산업 영역에 변화가 일어나고 있으나, 그 중에서는 반도체 분야의 변화 또한 작지 않다. 특히 센서 시장은 엄청난 변화의 한 가운데 서 있다. 지난 2007년 1000만 개에 불과했던 센서 생산량은 오는 2020년에는 연평균 1조 개 규모로 성장할 것이라는 예측이 나오고 있다는 것이 바로 그 증거라고 할 수 있다.
양적인 측면 외에, 기술적인 측면에서도 센서는 단지 감지하고 이를 전달하는 기존의 센서에서 벗어나, 하나의 칩에 메모리와 MCU, 전원, 통신 기능까지 집적된 스마트센서로 발전이 예고되고 있다. 센서가 감지하고 전달하는 것을 넘어, 데이터를 저장하고, 분석한 결과를 전달하는 수준으로 발전하게 된다는 것을 의미한다.
스마트센서란 무엇인가 센서는 측정 대상물로부터 압력, 온도, 가속도, 생체신호 등 정보를 감지해 전기적 신호로 변환시켜 주는 장치로 IoT의 핵심요소 중 하나다. IoT를 통해 구현되는 스마트 환경에서 센서는 매우 중요한 역할을 담당한다. 기존에 센서의 개념은 단지 '검출기'가 어떤 특정한 물질을 '감지'하는 수준에 머물렀으나, 현재의 센서는 감지 신호를 전달해 중앙처리장치가 어떠한 판단을 내리도록 하는 형태로 발전하고 있다. 말하자면 어떤 행동을 유발하기 위한 트리거의 역할을 하는 것인데, 최근에는 사전 설정된 값에 따라 기계적으로 실행하는 것이 아닌, 다양한 데이터를 분석해 맥락을 읽고 이에 따라 실행을 지시하는 수준으로 발전하고 있는 것이다. 스마트 센서는 SoC(System on Chip) 기술을 접목해, 데이터 처리, 저장, 자동보정, 자가진단, 의사결정, 통신 등의 기능을 수행함으로써 대상을 감지하고, 사물이 반응하게끔 한다는 점에서 IoT의 핵심 요소로 주목받고 있다.
[그림 1] IoT 센서의 종류 출처: Postscapes
스마트센서는 특히 스마트팩토리와 같은 IIoT 환경에서 큰 장점을 갖는다. 예를 들면 여러 다른 크기의 제품을 생산하기 위해 잦은 라인 변경이 이뤄지는 유연 생산 운영을 간소화하는데 도움이 된다. 라인으로 들어오는 각 제품을 수동으로 재설정하는 대신, 스마트센서에 각각의 제품 규격에 대한 프로파일을 컨트롤러에 저장하고, 저장된 정보를 필요에 따라 센서로 전송함으로써 다양한 제품을 지원할 수 있다. 이는 센서 설정 시간이 몇 분에서 몇 초 수준으로 대폭 감소되어 유연 생산을 최적화할 수 있다. 장비 한 대에 설치된 센서들을 수동으로 재설정하는데 최대 1시간이 걸릴 수도 있다. 이런 작업에 한 시간이 소요된다는 것도 문제이긴 하지만, 가장 큰문제는 그 한 시간 동안 생산할 수 없다는 것이다. 스마트센서는 이런 생산 손실을 방지하는 것 외에도, 인력 변화로 인한 영향도 최소화할 수 있다. 예를 들면 숙련된 작업자 수준의 풍부한 진단 정보를 센서를 통해 제공할 수 있기 때문에 비숙련 작업자도 숙련된 작업자 수준의 업무 효율을 올릴 수 있게 된다는 것이다. 또한 통합된 스마트 센서 시스템의 자동화 설정 기능이 매번 센서로 일관된 값을 전송해 작업자가 수동으로 파라미터를 변경하는 경우 발생할 수 있는 설정 오류 가능성을 줄여 준다. 이처럼 스마트센서는 장비가 더욱 효율적으로 작동할 수 있게 하는 데이터를 전송한다. 제조업체는 스마트센서를 통해 상황에 맞는 진단 데이터를 수집하고, 이를 제조 환경 전반에 걸쳐 이용할 수 있다.
2023년 200억 달러 이상의 시장 형성 마켓앤드마켓(Markets and Markets)의 조사 결과에 의하면 지난 2018년 IoT 센서 시장은 약 52억 8000만 달러 규모를 기록했으며, 2023년까지 연평균 33.6%의 높은 성장율을 기록하면서 2023년 224억 8000만 달러의 시장을 형성할 것으로 예측됐다. 특히 이 기간 동안 이미지 센서와 압력 센서가 가장 큰 부분을 차지할 것이며, 이미지 센서는 스마트폰이나 가전, 자동차, 로봇 등 다양한 분야에, 그리고 압력 센서는 내연기관 자동차의 온실가스 감축을 위한 규정을 충족시키기 위한 진단용으로 많은 부분이 사용될 것으로 내다봤다.
[그림 2] 2022년 주요 센서별 시장 점유율 예측 자료: 마켓앤드마켓
또 다른 시장조사기관인 오비스 리서치(Orbis Research) 또한 비슷한 예측을 내놓고 있다. 오비스 리서치는 IoT 센서 시장이 2017년 80억 달러 규모를 형성했으나, 2023년까지 연평균 23.9%의 높은 성장세를 유지하면서 277억 달러 규모로 성장할 것이라 예측했다. 특히 이 기간동안 브로드컴, 센시리온, 옴론 등의 업체들이 두각을 드러낼 것이라 예측했는데, 이는 많은 부분이 자율주행과 차량의 안전 기능의 발전, 그리고 배기가스 규제 등의 이유로 센서의 사용이 크게 증가할 것이라고 예상했다. 이외에도 제조업 분야의 유지비 절감, 그리고 스마트 시티의 구축을위한 전 세계 정부의 이니셔티브 등으로 IoT 센서 시장의 성장 잠재력이 매우 크다고 판단했다. IC인사이츠 또한 IoT 시장의 성장으로 센서는 지난 2010년부터 꾸준한 성장세를 이어왔으며, 특히 MEMS(Microelectromechanical Systems) 센서 시장이 지난 2017년에만 18.5% 증가해 116억 달러 규모의 시장을 형성했다고 말한다. 특히 센서 허브 시장은 2017년에서 2023년 사이 20.9%에 달하는 연평균 성장율을 기록하면서 337억 7000만 달러의 시장을 형성할 것으로 예측했다. 센서 허브의 주요 업체로는 텍사스인스트루먼트, ST마이크로일렉트로닉스, NXP, 인피니언, 마이크로칩, 보쉬, 아나로그디바이스, 퀄컴, 브로드컴 등이 있다. 센서 유형별로 사용빈도를 살펴보면 이미지와 압력센서, 바이오센서 순으로 비중이 큰 것으로 나타났다. 가장 큰 비중을 보이는 이미지 센서는 주로 스마트 기기, 디지털 카메라, 드론, 로봇청소기, 의료영상기기 등에 사용되고, 압력 센서는 압력계, 진공계, 소방시설, 급수장치, 냉동기 등에 적용되고 있다. 세 번째로 큰 비중을 보이는 바이오 센서의 경우 특정 원인 검출이나 검사장치로써 주로 혈당(압), 심전도, 임신유무 등의 의료용 장비에 가장 많이 사용되고 있다.
80% 이상 수입에 의존하는 센서 최근 센서기술은 미국, 독일, 일본 등을 중심으로 반도체, MEMS 등의 제조기술이 접목돼 스마트센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 국내 센서 핵심기술 수준은 이들 선진국 대비 매우 낮은 수준으로 스마트센서의 경우 국내 수요의 대부분은 수입에 의존하고 있다. 현재 국내 대기업을 중심으로 빠르게 대응하고 있지만 중소기업의 경우 자발적인 움직임은 미흡한 것으로 나타났다. 또한 국내에서의 센서 시장은 해외 의존도가 높은 시장으로 내수시장의 점유율은 약 10% 수준으로 매우 낮다. 2013년 기준 글로벌 시장에서 우리나라의 점유율은 2.1%로 미국의 31.8%, 일본의 18.6%, 독일의 12.2%에 비해 현저히 낮으며 최근 제조산업에서 고성장을 보이고 있는 중국의 2.9% 보다도 낮은 상황이다. 이 같은 현상은 센서 기술 개발에 있어 대기업의 참여도가 낮고 대부분은 영세한 중소기업에서 생산을 하고 있기 때문이다. 아울러 이들이 개발한 센서의 국내 도입도 쉽지 않은 상황이다. 대기업을 비롯해 중견기업, 그리고 중소 제조기업에서 조차 성능과 신뢰성, 브랜드 등을 이유로 해외 제품을 선호하기 때문이다. 정부는 이런 상황을 타개하기 위해 ‘첨단 스마트 센서 육성사업’에 2015년부터 6년간 1508억 원을 투자하고 있으며, 2020년 기준 42억 달러 생산과 21억 달러 수출달성을 목표로 하고 있다. 또 2025년까지 센서 산업 고도화를 통해 센서 4대 강국에 진입하는 것을 목표로, 핵심 센서 10개 국산화, 세계 센서 시장점유율 5.0%, 세계 최고 수준의 중견 센서 기업 20개 육성을 비전으로 설정한 상태다. 미국과 유럽은 현재 스마트센서 분야를 국가 핵심 산업으로 집중 육성하기 위해 원천기술, 자본, 설비, 인력 등 성장 인프라에 대한 투자 지원정책을 추진하고 있다. 일본 역시 신성장동력 중 하나로 인정하면서 인간 중심의 스마트센서 정책을 전개하고 있다.
반도체와 유사한 공정기술, 아직 기회는 있다 센서와 반도체 산업은 공정기술이 유사하고 공용설비도 많기 때문에 국내 기업들도 충분한 경쟁력을 갖추고 있다고 볼 수 있으며, 빠른 시간 내에 시장 진출이 가능할 것으로 판단된다. 특히 순수 실리콘 외에 실리콘 화합물 재료를 사용한 센서를 개발한다면 신규 시장 선점에 훨씬 유리할 수 있다. 이는 바로 스마트팩토리나 에너지 산업 분야의 고온·고압·다습한 환경 등 극한환경용 센서 시장 공략이 가능하기 때문이다. 순수 실리콘은 가격이 저렴하지만 극한환경을 견디기 어렵다. 반도체 개발과 생산 경험을 활용해 실리콘 화합물 기반의 극한환경 센서 시장에 주목할 필요가 있다. 이 시장은 스마트시티나 스마트팩토리, 그리고 IIoT와 같은 새로운 이니셔티브가 자리잡을 2025년 이후 본격적으로 열릴 것으로 예상된다.
Before the advent of solid-state logic circuits, logical control systems were designed and built exclusively around electromechanical relays. Relays are far from obsolete in modern design, but have been replaced in many of their former roles as logic-level control devices, relegated most often to those applications demanding high current and/or high voltage switching.
Systems and processes requiring “on/off” control abound in modern commerce and industry, but such control systems are rarely built from either electromechanical relays or discrete logic gates. Instead, digital computers fill the need, which may beprogrammedto do a variety of logical functions.
The History of Programmable Logic Controllers
In the late 1960’s an American company named Bedford Associates released a computing device they called theMODICON. As an acronym, it meantModularDigitalController, and later became the name of a company division devoted to the design, manufacture, and sale of these special-purpose control computers.
Other engineering firms developed their own versions of this device, and it eventually came to be known in non-proprietary terms as aPLC, orProgrammableLogicController. The purpose of a PLC was to directly replace electromechanical relays as logic elements, substituting instead a solid-state digital computer with a stored program, able to emulate the interconnection of many relays to perform certain logical tasks.
Ladder Logic and Programming PLCs
A PLC has many “input” terminals, through which it interprets “high” and “low” logical states from sensors and switches. It also has many output terminals, through which it outputs “high” and “low” signals to power lights, solenoids, contactors, small motors, and other devices lending themselves to on/off control.
In an effort to make PLCs easy to program, their programming language was designed to resembleladder logic diagrams. Thus, an industrial electrician or electrical engineer accustomed to reading ladder logic schematics would feel comfortable programming a PLC to perform the same control functions.
PLCs are industrial computers, and as such their input and output signals are typically 120 volts AC, just like the electromechanical control relays they were designed to replace. Although some PLCs have the ability to input and output low-level DC voltage signals of the magnitude used in logic gate circuits, this is the exception and not the rule. Signal connection and programming standards vary somewhat between different models of PLC, but they are similar enough to allow a “generic” introduction to PLC programming here.
The following illustration shows a simple PLC, as it might appear from a front view. Two screw terminals provide connection to 120 volts AC for powering the PLC’s internal circuitry, labeled L1 and L2. Six screw terminals on the left-hand side provide connection to input devices, each terminal representing a different input “channel” with its own “X” label.
The lower-left screw terminal is a “Common” connection, which is generally connected to L2 (neutral) of the 120 VAC power source.
Inside the PLC housing, connected between each input terminal and the Common terminal, is an opto-isolator device (Light-Emitting Diode) that provides an electrically isolated “high” logic signal to the computer’s circuitry (a photo-transistor interprets the LED’s light) when there is 120 VAC power applied between the respective input terminal and the Common terminal. An indicating LED on the front panel of the PLC gives visual indication of an “energized” input:
Output signals are generated by the PLC’s computer circuitry activating a switching device (transistor, TRIAC, or even an electromechanical relay), connecting the “Source” terminal to any of the “Y-” labeled output terminals. The “Source” terminal, correspondingly, is usually connected to the L1 side of the 120 VAC power source. As with each input, an indicating LED on the front panel of the PLC gives visual indication of an “energized” output:
In this way, the PLC is able to interface with real-world devices such as switches and solenoids. The actuallogicof the control system is established inside the PLC by means of a computer program. This program dictates which output gets energized under which input conditions.
Although the program itself appears to be a ladder logic diagram, with switch and relay symbols, there are no actual switch contacts or relay coils operating inside the PLC to create the logical relationships between input and output. These areimaginarycontacts and coils, if you will. The program is entered and viewed via a personal computer connected to the PLC’s programming port. Consider the following circuit and PLC program:
When the pushbutton switch is unactuated (unpressed), no power is sent to the X1 input of the PLC. Following the program, which shows a normally-open X1 contact in series with a Y1 coil, no “power” will be sent to the Y1 coil. Thus, the PLC’s Y1 output remains de-energized, and the indicator lamp connected to it remains dark.
If the pushbutton switch is pressed, however, power will be sent to the PLC’s X1 input. Any and all X1 contacts appearing in the program will assume the actuated (non-normal) state, as though they were relay contacts actuated by the energizing of a relay coil named “X1”.
In this case, energizing the X1 input will cause the normally-open X1 contact will “close,” sending “power” to the Y1 coil. When the Y1 coil of the program “energizes,” the real Y1 output will become energized, lighting up the lamp connected to it:
(푸시버튼(X1)을 누르고 있는 상태에서만 Y1(전등)이 켜져있다. )
It must be understood that the X1 contact, Y1 coil, connecting wires, and “power” appearing in the personal computer’s display are allvirtual. They do not exist as real electrical components. They exist as commands in a computer program—a piece of software only—that just happens to resemble a real relay schematic diagram.
Equally important to understand is that the personal computer used to display and edit the PLC’s program is not necessary for the PLC’s continued operation. Once a program has been loaded to the PLC from the personal computer, the personal computer may be unplugged from the PLC, and the PLC will continue to follow the programmed commands.
I include the personal computer display in these illustrations for your sake only, in aiding to understand the relationship between real-life conditions (switch closure and lamp status) and the program’s status (“power” through virtual contacts and virtual coils).
Control System Behavior
The true power and versatility of a PLC is revealed when we want to alter the behavior of a control system. Since the PLC is a programmable device, we can alter its behavior by changing the commands we give it, without having to reconfigure the electrical components connected to it.
For example, suppose we wanted to make this switch-and-lamp circuit function in an inverted fashion: push the button to make the lamp turnoff, and release it to make it turnon. The “hardware” solution would require that a normally-closed pushbutton switch be substituted for the normally-open switch currently in place. The “software” solution is much easier: just alter the program so that contact X1 is normally-closed rather than normally-open.
In the following illustration, we have the altered system shown in the state where the pushbutton is unactuated (notbeing pressed):
(X1을 B접점(Normal Close)으로 하면, 푸시버튼을 누르지 않는 상태에서 전등(Y1)이 켜져있다. )
In this next illustration, the switch is shown actuated (pressed):
(X1을 B접점(Normal Close)으로 하면, 푸시버튼을 누르면, 전등(Y1)은 꺼진다. )
One of the advantages of implementing logical control in software rather than in hardware is that input signals can be re-used as many times in the program as is necessary. For example, take the following circuit and program, designed to energize the lamp if at least two of the three pushbutton switches are simultaneously actuated:
(And와 Or로 연결된 구성으로, X1, X2, X3중 어떠한 2개의 푸시버튼을 눌르면, 전등이 켜진다. )
To build an equivalent circuit using electromechanical relays, three relays with two normally-open contacts each would have to be used, to provide two contacts per input switch. Using a PLC, however, we can program as many contacts as we wish for each “X” input without adding additional hardware, since each input and each output is nothing more than a single bit in the PLC’s digital memory (either 0 or 1), and can be recalled as many times as necessary.
Furthermore, since each output in the PLC is nothing more than a bit in its memory as well, we can assign contacts in a PLC program “actuated” by an output (Y) status. Take for instance this next system, a motor start-stop control circuit:
(X1은 On 스위치로 사용되고, X2는 Off스위치로 사용된다. )
The pushbutton switch connected to input X1 serves as the “Start” switch, while the switch connected to input X2 serves as the “Stop.” Another contact in the program, named Y1, uses the output coil status as a seal-in contact, directly, so that the motor contactor will continue to be energized after the “Start” pushbutton switch is released. You can see the normally-closed contact X2 appear in a colored block, showing that it is in a closed (“electrically conducting”) state.
If we were to press the “Start” button, input X1 would energize, thus “closing” the X1 contact in the program, sending “power” to the Y1 “coil,” energizing the Y1 output and applying 120 volt AC power to the real motor contactor coil. The parallel Y1 contact will also “close,” thus latching the “circuit” in an energized state:
(X1을 누르면, Y1의 출력이 발생하고, 이와 동시에 Y1의 입력이 발생한다. )
Now, if we release the “Start” pushbutton, the normally-open X1 “contact” will return to its “open” state, but the motor will continue to run because the Y1 seal-in “contact” continues to provide “continuity” to “power” coil Y1, thus keeping the Y1 output energized:
(Y1을 다시 입력으로 사용하면, X1의 버튼을 누르고 있지 않아도, Y1(전등)의 출력을 유지 한다. -자기유지 )
To stop the motor, we must momentarily press the “Stop” pushbutton, which will energize the X2 input and “open” the normally-closed “contact,” breaking continuity to the Y1 “coil:”
(X2를 누르면, Ladder상에서 B접점으로 된 X2로 인해서 Y1이 Off되고, 동시에 Y1입력도 Off가 된다.)
When the “Stop” pushbutton is released, input X2 will de-energize, returning “contact” X2 to its normal, “closed” state. The motor, however, will not start again until the “Start” pushbutton is actuated, because the “seal-in” of Y1 has been lost:
(X2의 푸시버튼을 다시 Release해도, 이미 X1입력 또는 Y1입력이 Off이기 때문에 Y1출력은 Off상태를 유지한다. )
Fail-safe Design in PLC-Controlled Systems
An important point to make here is thatfail-safedesign is just as important in PLC-controlled systems as it is in electromechanical relay-controlled systems. One should always consider the effects of failed (open) wiring on the device or devices being controlled. In this motor control circuit example, we have a problem: if the input wiring for X2 (the “Stop” switch) were to fail open, there would be no way to stop the motor!
The solution to this problem is a reversal of logic between the X2 “contact” inside the PLC program and the actual “Stop” pushbutton switch:
When the normally-closed “Stop” pushbutton switch is unactuated (not pressed), the PLC’s X2 input will be energized, thus “closing” the X2 “contact” inside the program. This allows the motor to be started when input X1 is energized, and allows it to continue to run when the “Start” pushbutton is no longer pressed. When the “Stop” pushbutton is actuated, input X2 will de-energize, thus “opening” the X2 “contact” inside the PLC program and shutting off the motor.
So, we see there is no operational difference between this new design and the previous design. However, if the input wiring on input X2 were to fail open, X2 input would de-energize in the same manner as when the “Stop” pushbutton is pressed. The result, then, for a wiring failure on the X2 input is that the motor will immediately shut off.
This is a safer design than the one previously shown, where a “Stop” switch wiring failure would have resulted in aninabilityto turn off the motor. In addition to input (X) and output (Y) program elements, PLCs provide “internal” coils and contacts with no intrinsic connection to the outside world. These are used much the same as “control relays” (CR1, CR2, etc.) are used in standard relay circuits: to provide logic signal inversion when necessary.
To demonstrate how one of these “internal” relays might be used, consider the following example circuit and program, designed to emulate the function of a three-inputNAND gate. Since PLC program elements are typically designed by single letters, I will call the internal control relay “C1” rather than “CR1” as would be customary in a relay control circuit:
In this circuit, the lamp will remain lit so long asanyof the pushbuttons remain unactuated (unpressed). To make the lamp turn off, we will have to actuate (press)allthree switches, like this:
Advanced PLC Functionality
This section on programmable logic controllers illustrates just a small sample of their capabilities. As computers, PLCs can perform timing functions (for the equivalent of time-delay relays), drum sequencing, and other advanced functions with far greater accuracy and reliability than what is possible using electromechanical logic devices. Most PLCs have the capacity for far more than six inputs and six outputs. The following photograph shows several input and output modules of a single Allen-Bradley PLC.
With each module having sixteen “points” of either input or output, this PLC has the ability to monitor and control dozens of devices. Fit into a control cabinet, a PLC takes up little room, especially considering the equivalent space that would be needed by electromechanical relays to perform the same functions:
Remote Monitoring and Control of PLCs Via Digital Computer Networks
One advantage of PLCs that simplycannotbe duplicated byelectromechanical relaysis remote monitoring and control via digital computer networks. Because a PLC is nothing more than a special-purpose digital computer, it has the ability to communicate with other computers rather easily. The following photograph shows a personal computer displaying a graphic image of a real liquid-level process (a pumping, or “lift,” station for a municipal wastewater treatment system) controlled by a PLC.
The actual pumping station is located miles away from the personal computer display:
스프링에 의해 구동되는 핀에 따라 접점의 개폐가 이루어지는 스위치입니다. 물체의 유무에 따라 핀을 동작시키는 것에 의해 검출합니다.
홀 소자
비접촉
전류가 흐르고 있는 반도체 칩에 전류에 수직인 자기장을 걸면 전류와 자기장에 직각인 방향으로 기전력이 생기고(홀 효과), 그 기전력에 따른 전위차를 측정하여 자기장을 검출합니다. 자기력을 가진 물체의 유무 검출이 가능합니다.
광전 센서
비접촉
광전 센서는 빛을 내는 투광부와 빛을 받는 수광부로 구성되어 있습니다. 투광된 빛이 검출 물체에 의해 가려지거나 반사하거나 하면 수광부에 도달하는 빛의 양이 변화하므로 수광부는 그러한 변화를 검출한 후 전기 신호로 변환해서 출력합니다. 사용되는 빛은 가시광(주로 빨강, 색 판별용으로 초록, 파랑)과 적외광입니다.
유도형 근접 스위치
비접촉
검출 코일에 교류 전류를 흘려 교류 자기장을 발생시켜서, 그 자기장에 의해 생기는 피검출 물체의 과전류에 따른 자기 손실을 임피던스로 측정하여 피검출 물체의 유무를 검출합니다. 피검출 물체는 과전류를 발생시키는 물체이어야 합니다.
정전 용량형 근접 스위치
비접촉
피검출 물체와 센서 사이에 생기는 정전 용량은 거리에 따라 변화합니다. 그 변화하는 정전 용량을 측정하여 피검출 물체의 유무를 검출합니다. 피검출 물체는 금속과 같은 도체뿐 아니라 수지나 물과 같은 물질도 검출할 수 있습니다.
리드 스위치 （자기형 근접 스위치）
비접촉
강자성체 금속이 불활성 가스와 함께 용기 안에 봉지된 구조를 하고 있습니다. 일반적인 상태에서는 접점은 열려 있지만, 외부 자기장이 가해지면 내부의 자성체가 자석이 되어 서로 당김으로 인해 접점이 닫히는 것을 이용하여 자기나 자기를 띤 물질을 검출합니다.
위치, 변위, 치수
퍼텐쇼미터
접촉
구조는 가변 저항기와 같고 각도와 저항값 사이에 상관관계가 있는 것을 이용하여 저항값을 측정하는 것으로 회전각을 검출합니다.
차동 변압기
접촉
1차 코일과 2차 코일, 가동식 코어(철심)로 구성됩니다. 이 가동 코어가 가동 코어가 피측정 물체와 연동하여 움직였을 때 변화하는 유도 기전력을 측정하는 것으로 피측정 물체의 변위를 검출합니다.
리니어 인코더
접촉
인코더란 변위량을 펄스 형태로 출력하여 그것을 카운트하는 것으로 검출하는 센서입니다. 리니어 인코더는 직동형 인코더라고도 하고 직선 변위량을 검출합니다.
압력, 응력, 변형, 토크, 중량
스트레인 게이지
접촉
금속선이나 호일을 변형시키면 단면적이 변화하여 전기 저항이 커집니다. 이러한 특성을 활용하여 피측정 재료에 스트레인 게이지를 접착시키고 저항을 측정하는 것으로 재료의 변형이나 신축을 검출합니다.
감압 다이오드
접촉
pn 접합이나 금속‐반도체 접촉(쇼트키) 다이오드의 접합부에 집중 압력을 가하면 순방향과 역방향 모두 전류가 증가하는 것을 이용하여 압력을 검출합니다. 이러한 현상은 반도체 결정에 압력을 가하면 전기 저항이 변화하는 피에조 효과라고 합니다.
로드 셀
접촉
스트레인 게이지를 이용한 힘 검출기입니다. 검출하는 힘의 방향에 따라 압축형 로드 셀, 인장형 로드 셀, 압축 인장 겸용형 로드 셀이 있습니다.
다이어프램
접촉
다이어프램은 얇은 평면 모양의 막입니다. 압력을 받으면 중앙부에 변위와 변형이 생기고 그것을 측정하여 압력을 검출합니다.
부르동관
접촉
부르동관은 C 모양을 띤 관 형태의 밀폐용기입니다. 용기가 압력에 의해 변형되는 것을 이용하여 압력을 검출합니다.
벨로즈
접촉
벨로즈는 바깥 둘레에 뱀 비늘 모양의 깊은 주름이 있는 얇은 원통입니다. 이러한 원통에 압력을 가하면 신축하는 것을 이용하여 압력을 검출합니다.
각도
리졸버
접촉
유도 교류 서보 모터와 비슷한 구조로 되어 있으며, 회전자와 고정자 양쪽으로 권선 방향이 직교하는 2상 코일이 감겨 있습니다. 고정자 2상 코일에는 교류를 흘려 회전자의 회전에 따라 2상 코일로부터 출력되는 전압의 위상 변화를 측정하여 각도를 검출합니다.
퍼텐쇼미터
접촉
구조는 가변 저항기와 같고 각도와 저항값 사이에 상관관계가 있는 것을 이용하여 저항값을 측정하는 것으로 회전각을 검출합니다.
로터리 인코더
접촉
인코더란 변위량을 펄스 형태로 출력하여 그것을 카운트하는 것으로 검출하는 센서입니다. 로터리 인코더는 회전형 인코더라고도 하고 회전 변위량을 검출합니다.
속도, 회전수
초음파 센서
비접촉
검출 물체에서 초음파가 차단된 경우나 검출 물체의 표면에서 반사되어 나오기까지의 시간을 측정하여 출력 신호를 얻습니다.
레이저 도플러속도계
비접촉
피측정 물체에 레이저 빛을 쬐었을 때의 산란광이 도플러 효과에 의해 속도에 따라 주파수가 변화하는 것을 이용하여 그 변화를 입사광과 산란광의 광비트 신호로 측정하여 속도를 측정합니다.
속도계용 발전기
접촉
속도에 비례하는 회전을 발전기에 접속하여 속도에 따른 발전을 한 후, 그 발전량을 측정하여 속도를 검출합니다.
로터리 인코더
접촉
상기 로터리 인코더의 특징을 참조.
가속도, 진동
압전 소자
접촉
압전체에 압력을 가하면 전압이 발생하는 피에조 효과를 이용해서 진동 등을 전압으로 변환한 후, 그 전압을 측정하는 것으로 진동을 검출합니다.
MEMS 가속도 센서
비접촉
반도체 프로세스 기술을 활용하여 미세 구조체를 만드는 기술인 MEMS(Micro Eletro Mechanical Systems)을 이용해서 제조한 가속도 센서입니다. 감지 기구의 차이에 따라 피에조 저항형, 정전 용량형, 열 감지형이 있습니다.
온도
바이메탈
−
선팽창 계수가 다른 두 개의 금속을 포개어 붙인 구조를 하고 있으며, 그 구조가 온도에 따라 변형되는(휘는) 것을 이용하여 온도를 검출합니다.
열전대
−
서로 다른 금속을 접합할 때 어떤 접합점과 다른 쪽 접합점에 온도차가 있는 경우에 생기는 열기전력(제벡 효과)를 측정하여 온도를 검출합니다.
저항 측온체
−
금속선이 온도에 따라 저항이 변화하는 것을 이용하여 저항을 측정하여 온도를 검출합니다. 금속으로는 백금이 이용되는 경우가 많습니다.
서미스터
−
코발트, 니켈, 망간 등의 금속 화합물 분말과 2개의 도선을 소결하여 제작합니다. 화합물의 혼합비에 따라 특성이 변화합니다. NTC 서미스터는 온도의 상승에 따라 저항이 감소하고 PTC 서미스터는 반대로 저항이 증가합니다. 저항 측온체보다 감도가 높은 특징이 있습니다.
광고온계
비접촉
물체의 열방사를 이용하여 비접촉으로 온도를 측정하는 센서입니다. 구체적으로는 측정기 안의 측정 필라멘트 휘도를 피측온체 휘도와 일치시켜 필라멘트에 흐르는 전류로부터 필라멘트 온도를 측정하고, 그것이 피측온체의 온도와 같다고 합니다.
자기
리드 스위치 （자기형 근접 스위치）
비접촉
상기 리드 스위치의 특징을 참조.
자침
비접촉
자석을 자유롭게 회전시킬 수 있는 구조를 가진 센서입니다. 외부 자기장의 영향으로 자석이 움직이는 것에 의해 자기를 검출합니다. 가장 간단한 예로는 방위 자침(나침반)이 있습니다.
홀 소자
비접촉
상기 홀 소자의 특징을 참조.
자기 저항 소자 （MR센서）
비접촉
자기에 의해 저항값이 변화하는 자기 저항 효과를 이용한 소자입니다. 자기 저항 효과는 보통의 금속에서도 볼 수 있는 성질이지만, 물질과 구조를 연구함에 따라 초거대 자기 저항 효과라고 하는 저항 변화율의 증가가 발생합니다.
빛
포토다이오드 포토트랜지스터 포토사이리스터
비접촉
충분한 에너지를 가진 광자가 pn 접합이나 pin 접합에 들어가면 전자를 들뜬상태로 만들어 자유 전자와 자유 정공 쌍을 생성합니다. 이러한 캐리어는 광전류가 되고, 생성된 광전류로 다이오드 특성을 변화시키거나 트랜지스터나 사이리스터를 동작시키는 소자입니다.
광전자 증배관
비접촉
광전 효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전관을 기본으로 하여 전류 증폭 기능을 추가한 고감도 빛 검출기입니다. 윗부분으로부터 빛이 입사하는 ‘헤드 온’형과 측면에서 빛이 입사하는 ‘사이드 온’형이 있습니다.
CCD 이미지 센서
비접촉
수광 소자에 빛이 닿으면 전하가 발생하고, 그 전하를 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)라고 하는 회로 소자를 이용하여 전송하여 빛을 검출하는 촬상 소자입니다.
CMOS 이미지 센서
비접촉
수광 소자인 포토다이오드에 축적된 전하를 각각의 화소에서 전압으로 변환, 증폭하여 읽기, 빛을 검출하는 촬상 소자입니다. 잡음이 크므로 용도가 한정되어 있지만, 소형이고 저소비 전력의 장점이 재조명을 받아 빈번하게 사용되고 있습니다.
