자동화 설비가 스스로 움직이게 하려면 다양한 기기들이 유기적으로 작동해야 합니다. 그중에서도 제어 시스템은 사람의 신경계와 같은 역할을 하죠. 이 제어 시스템을 구성하는 3가지 핵심 요소에 대해 알아보겠습니다.
가. 제어 요소의 3가지 핵심
1. 입력 장치 (Input Device) : 설비의 '감각 기관' 물리적인 신호나 작업자의 조작을 전기적 신호로 변환하여 제어 장치로 전달하는 역할을 합니다. 사람이 눈으로 보고 피부로 느끼는 것과 같습니다.
- 주요 예시: 푸시버튼 스위치, 리밋 스위치, 근접 센서, 광전 센서, 온도/압력 센서 등
- 💡 최신 트렌드: 최근에는 단순한 On/Off 신호를 넘어, 센서 자체에서 데이터를 분석하고 통신하는 '스마트 센서(IO-Link 기술 등)'의 활용이 크게 늘고 있습니다.
2. 제어 장치 (Control Device) : 설비의 '두뇌' 입력 장치로부터 들어온 신호를 바탕으로 정해진 조건(제어 알고리즘)에 따라 판단하고, 출력 장치로 제어 신호를 내보냅니다. 제어 장치는 크게 두 가지 방식으로 나눌 수 있습니다.
- 하드웨어 제어 (종래의 릴레이 제어): 한 번 회로를 구성하여 설치하면 제어 알고리즘이 고정되어 변경하기 어려운 전통적인 방식입니다.
- 소프트웨어 제어 (PLC): 제어 알고리즘을 소프트웨어 형태로 메모리에 저장하여, 언제든 프로그램을 유연하게 수정하고 변경할 수 있는 프로그래머블 제어기(PLC)입니다. 오늘날 스마트 자동화 현장의 핵심 장비입니다.
3. 출력 장치 (Output Device) : 설비의 '근육' 제어 장치에서 판단을 내린 제어 신호를 받아, 실제 기계를 구동시키거나 상태를 표시하는 조작 신호로 변환하는 장치입니다.
- 주요 예시: 모터, 솔레노이드 밸브(공압 실린더 구동용), 릴레이, 램프, 경광등 등
- 💡 최신 트렌드: 에너지 효율을 높이고 더 정밀한 움직임을 구현하기 위해, 단순 구동을 넘어 서보 모터(Servo Motor)와 인버터 제어의 비중이 높아지고 있습니다.
나. PLC의 정의: 릴레이 제어에서 스마트 자동화로의 진화
1. PLC(Programmable Logic Controller)란?
과거 자동화 설비 제어반에서 복잡하게 배선하여 사용하던 릴레이, 타이머, 카운터 등의 하드웨어 부품들을 마이크로프로세서와 반도체 소자로 대체한 장치입니다. 기본적인 시퀀스(순차) 제어 기능에 수치 연산, 데이터 처리 기능을 추가하여, 사용자가 목적에 맞게 소프트웨어를 프로그래밍하고 유연하게 제어할 수 있도록 만든 '산업용 특수 컴퓨터'입니다.
2. NEMA(미국전기공업협회)의 공식 정의
"디지털 또는 아날로그 입·출력 모듈을 통하여 로직, 시퀀싱, 타이밍, 카운팅, 연산과 같은 특수한 기능을 수행하기 위해 프로그램 가능한 메모리를 사용하고, 여러 종류의 기계나 프로세스를 제어하는 디지털 동작의 전자 장치"
3. 💡 [최신 트렌드] 현대의 PLC
단순 제어를 넘어선 스마트 팩토리의 중추 과거의 PLC가 단순히 기계를 정해진 순서대로 움직이게 하는 데 집중했다면, 최신 산업 현장의 PLC는 첨단 IT 기술과 융합하여 그 역할이 크게 확장되었습니다.
- PAC(Programmable Automation Controller)로의 진화: 기존 PLC의 신뢰성에 PC 기반의 강력한 연산 능력과 대용량 메모리가 결합된 PAC 형태로 발전하여, 더욱 복잡하고 정밀한 제어가 가능해졌습니다.
- IIoT(산업용 사물인터넷) 및 통신 융합: 현장 센서에서 발생하는 방대한 설비 데이터를 실시간으로 수집하고, 상위 관리 시스템(MES, ERP)이나 클라우드로 전송하는 '엣지(Edge) 컴퓨팅'의 핵심 게이트웨이 역할을 수행합니다.
- 통합 제어 환경 구축: 단순 로직뿐만 아니라 고도의 모션 제어(Motion Control), 머신 비전(Vision), 안전(Safety) 제어까지 하나의 PLC 시스템 내에서 통합하여 관리하는 추세입니다.
다. PLC의 발달 과정: 릴레이 제어의 한계에서 탄생한 혁신
산업사회의 발전과 함께 제조 공정은 점차 대규모화되고 복잡해졌으며, 이에 따라 더욱 고도화된 제어 시스템이 요구되었습니다. 초기의 자동화 제어반은 수많은 릴레이(Relay), 타이머, 카운터 등을 전선으로 직접 연결하여 구성하는 방식(하드 와이어드 방식)이었습니다.
하지만 이 기존 방식은 여러 가지 치명적인 한계가 있었습니다.
- 복잡한 배선과 공간 차지: 회로가 복잡해질수록 어마어마한 양의 배선 작업이 필요했고, 제어반이 차지하는 공간도 지나치게 컸습니다.
- 어려운 유지보수와 변경: 공정을 조금만 변경하려 해도 전선을 처음부터 다시 연결해야 했기 때문에 막대한 시간과 비용이 소요되었습니다.
- 낮은 신뢰성: 접점 불량 등으로 인한 잦은 고장과 처리 속도의 한계가 뚜렷했습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 1968년, 미국의 자동차 제조사인 제너럴 모터스(General Motors, GM)의 하이드라매틱 사업부는 기존 릴레이 제어반을 대체할 새로운 형태의 제어기에 대한 '10가지 조건'을 발표합니다. 이것이 바로 오늘날 PLC가 개발된 결정적인 계기가 되었습니다.
[표 1-1] GM(제너럴 모터스)이 제시한 PLC의 10가지 조건
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[표 1-2] PLC의 시대별 역사와 발전 과정
| 연대 | 발전 단계 | 핵심 특징 및 변화 |
| 1960년대 말 | PLC의 탄생 | - 1968년 GM의 10가지 조건 발표 - 1969년 최초의 PLC(Modicon 084) 개발 - 릴레이 로직 대체에 초점 |
| 1970년대 | 기능의 고도화 | - 마이크로프로세서 도입으로 연산 처리 속도 급증 - 타이머, 카운터, 아날로그 신호 처리 기능 추가 |
| 1980년대 | 통신의 시대 | - 장비 간 네트워크(LAN) 통신 기능 탑재 - 복잡한 분산 제어 시스템(DCS) 구축 시작 - 소프트웨어(PC 기반) 프로그래밍 방식 도입 |
| 1990년대 | 개방형 시스템 | - 국제 표준 규격(IEC 61131-3) 제정으로 프로그래밍 언어 표준화 - PC 기술을 융합한 PAC(Programmable Automation Controller)의 등장 |
| 2000년대~현재 | 스마트 팩토리 통합 | - IIoT(산업용 사물인터넷) 융합 및 클라우드 데이터 통신 - 빅데이터 수집, 모션 제어, 머신 비전, 안전(Safety) 기능까지 통합 관리하는 핵심 두뇌로 진화 |
라. PLC의 표준화 및 특징
1. IEC 61131 표준과 프로그래밍 언어
과거에는 제조사마다 PLC 제어 언어와 통신 방식이 서로 달라, 엔지니어들이 장비를 다룰 때마다 새로운 방식을 학습해야 하는 불편함이 컸습니다. 이러한 문제를 해결하고 사용자의 편의성을 높이기 위해 국제전기표준회의(IEC)에서는 PLC 국제 표준 규격인 IEC 61131을 제정했습니다.
이 표준 규격은 아래 표와 같이 크게 5가지 핵심 파트로 구성되어 있습니다.
[표 1-3] IEC 61131 PLC 국제 표준 규격 구성
| 구분 | 설명 |
| Part 1 | PLC의 기본 정보, 일반적인 개요 및 용어 정의 |
| Part 2 | 장비의 요구 사항 및 테스트 조건 (하드웨어 규격) |
| Part 3 | 프로그래밍 언어 (가장 핵심적인 소프트웨어 표준, IEC 61131-3) |
| Part 4 | 사용자 가이드라인 및 지침 |
| Part 5 | 통신 규격 및 네트워크 메시지 서비스 |
이 중 소프트웨어와 관련된 'Part 3 (IEC 61131-3)'에서 도입한 가장 중요한 특징들은 다음과 같습니다.
- 다양한 데이터 타입 지원: 현장의 복잡한 데이터를 처리하기 위해 다양한 형태의 변수와 데이터 구조를 사용할 수 있습니다.
- 구조화된 프로그래밍: 펑션(Function), 펑션 블록(Function Block) 등의 모듈식 구성 요소가 도입되어, 프로그램을 체계적으로 설계(상향식 및 하향식)할 수 있습니다.
- 코드 재사용성 극대화: 사용자가 직접 작성한 프로그램을 라이브러리로 만들어 다른 장비나 환경에서 쉽게 재사용할 수 있어 개발 시간이 단축됩니다.
- 유연한 언어 선택: 표준화된 5가지 언어 중, 공정의 특성과 개발자의 편의에 맞춰 가장 효율적인 언어를 선택해 혼용할 수 있습니다.
2. IEC 61131-3의 5가지 표준 프로그래밍 언어
표준 언어는 형태에 따라 크게 도형 기반 언어, 문자 기반 언어, 그리고 순차 제어 언어로 나뉩니다.
[도형식 (Graphic) 언어]
- LD (Ladder Diagram) : 미국의 사다리형 릴레이 논리 회로에서 기원한 언어입니다. 직관적인 입력과 출력의 조합으로 이루어져 있어 현장 자동화 엔지니어들에게 가장 익숙하고 널리 쓰입니다.
- FBD (Function Block Diagram) : 특정한 기능을 가진 블록들을 서로 선으로 연결하여 프로그램의 데이터 흐름을 시각적으로 표현하는 언어입니다.
[문자식 (Text) 언어]
- ST (Structured Text) : 파스칼(Pascal)이나 C 언어를 기반으로 한 고급 프로그래밍 언어입니다. (💡 최신 트렌드: 최근 스마트 팩토리 도입으로 복잡한 수식 연산과 데이터 처리의 중요성이 커지면서, 산업 현장에서 가장 각광받으며 사용 비중이 급증하고 있는 언어입니다.)
- IL (Instruction List) : 어셈블리어 형태의 텍스트 명령어 방식 언어입니다. (💡 최신 트렌드: 최신 IEC 61131-3 개정판에서는 사용을 권장하지 않는 폐지 예정(Deprecated) 언어로 분류되었으며, 점차 ST 언어로 대체되는 추세입니다.)
[순차 제어 언어]
- SFC (Sequential Function Chart) : 전체 공정의 흐름이나 조건에 따른 동작을 순차적인 다이어그램으로 표현하는 언어입니다. 시간과 이벤트에 따른 제어 순서를 한눈에 파악하기 좋아 공정 흐름 설계에 매우 유용합니다.
3. PLC의 특징 및 제어장치와의 비교
PLC는 기존의 하드웨어 중심 제어 방식(릴레이 패널)과 일반 컴퓨터(PC)의 단점을 보완하고 장점만을 결합하여 탄생한 산업용 제어 장치입니다.
자동화 현장에서 사용되는 대표적인 제어장치들(릴레이 제어반, 디지털 로직 회로, 산업용 컴퓨터, PLC)을 비교해 보면, PLC가 가진 독보적인 현장 적응성과 효율성을 한눈에 확인할 수 있습니다.
[표 1-4] 주요 제어장치별 특징 비교
| 구분 | 릴레이 제어반 | 디지털 로직 (IC Board) | 산업용 컴퓨터 (IPC) | PLC |
| 초기 구축 비용 | 저렴 (단순 회로 시) | 저렴 (대량 양산 시) | 고가 | 적정 (시스템 규모 대비 가성비 우수) |
| 크기 및 공간 | 대형 (수많은 배선 차지) | 매우 소형 (기판 형태) | 소형 ~ 중형 | 소형 (모듈형 컴팩트 구조) |
| 처리 속도 | 느림 (기계적 접점 동작) | 매우 빠름 | 매우 빠름 | 빠름 (실시간 제어 특화) |
| 노이즈 / 내환경성 | 우수 (기계식) | 취약 (전기적 노이즈에 오작동) | 보통 (전용 IPC 활용 시 양호) | 아주 우수 (산업용 노이즈 차단 설계) |
| 제어 변경 / 유연성 | 매우 어려움 (전면 재배선) | 어려움 (회로 재설계 필요) | 보통 (고급 프로그래밍 필요) | 아주 쉬움 (소프트웨어 수정만으로 가능) |
| 복합 기능 (연산/통신) | 없음 | 제한적 | 아주 우수 | 우수 (시퀀스, 연산, 모션, 통신 통합) |
| 유지보수 및 진단 | 매우 어려움 (선로 추적 고됨) | 어려움 | 보통 | 아주 쉬움 (실시간 모니터링/자가진단) |
◈ PLC의 핵심 특징 정리
1) 높은 신뢰성과 강력한 내환경성
- 온도 변화, 진동, 습기, 전기적 노이즈 등 악조건의 공장 환경에 견디도록 하드웨어가 특수 설계되었습니다.
- 기계적 접점 접촉 방식이 아닌 반도체 소자 중심 제어로 마모가 없어 고장률이 매우 낮습니다.
2) 유연한 로직 변경과 프로그램의 고기능성
- 복잡한 하드웨어 배선 없이 컴퓨터 소프트웨어(LD, ST 등) 수정만으로 제어 순서나 조건을 자유롭게 변경할 수 있습니다.
- 단순 On/Off 시퀀스 제어부터 PID 제어, 위치 제어(서보/스테핑), 고속 카운터, 수치 연산 등 고도화된 기능이 내장되어 있습니다.
3) 공간 절감 및 설치의 간편성
- 복잡했던 전선 연결이 PLC 내부 메모리의 프로그램으로 대체되므로, 제어반의 크기와 부피를 획기적으로 줄일 수 있습니다.
4) 조작 및 유지보수의 편리성
- 입출력 상태와 프로그램 동작 과정을 HMI 모니터나 PC 화면을 통해 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.
- 상태 표시 LED 및 자가 진단(Self-Diagnosis) 기능이 내장되어 있어 가동 중 발생한 오류나 센서 이상을 빠르게 파악해 정비 시간을 줄여줍니다.
5) 💡 [최신 트렌드] 높은 확장성 및 정보화 통합 (IIoT 연동)
- 필요한 입출력 점수나 특수 기능 모듈(아날로그, 통신, 모션 등)을 슬롯 형태로 손쉽게 확장할 수 있습니다.
- 최신 PLC는 EtherNet/IP, PROFINET, Modbus, OPC UA 등 다양한 산업용 표준 통신을 지원하여 상위 관리 시스템(MES, ERP, 클라우드)과 실시간 데이터 연동이 매우 쉽습니다.
마. PLC의 선정 및 적용 분야: 스마트 팩토리를 위한 최적의 선택
1. PLC의 선정 기준
PLC를 선정할 때는 단순히 제어할 기계만 보는 것이 아니라, 향후 공장 자동화 확장성, 상위 시스템과의 통신 호환성, 그리고 유지보수의 편의성까지 종합적으로 고려해야 합니다.
① 입출력(I/O) 점수의 파악 및 여유 확보
- 입력 점수: 조작반의 푸시버튼, 리밋 스위치, 근접/광전 센서 등 외부에서 들어오는 신호의 총합을 계산합니다.
- 출력 점수: 램프, 부저, 솔레노이드 밸브, 전자 접촉기 등 PLC가 구동시켜야 할 기기들의 총합을 계산합니다.
- 💡 최신 실무 팁 (Spare 확보): 딱 맞게 I/O 점수를 산정하기보다는, 향후 설비 개조나 센서 추가를 대비하여 실제 필요한 점수보다 약 10~20%의 여유(Spare) 점수를 두고 모듈을 선정하는 것이 필수적입니다.
② 출력 모듈 방식의 선택
출력 방식에는 크게 릴레이(Relay), 트랜지스터(TR), SSR 출력이 있습니다. 사용 전압과 부하 특성에 맞춰 선택해야 합니다.
- 💡 최신 실무 팁: 과거에는 전압 제약이 적은 릴레이 방식이 널리 쓰였으나, 기계적 수명 한계가 있습니다. 최근에는 서보 모터 등 고속 응답과 잦은 스위칭이 요구되는 정밀 제어가 많아지면서 반영구적인 수명과 고속 처리가 가능한 트랜지스터(TR) 출력 모듈의 사용 비중이 압도적으로 높아졌습니다.
③ CPU 성능 및 특수/통신 모듈 지원 여부
- 단순한 디지털 입출력(Digital I/O) 외에도 온도/압력 제어를 위한 아날로그 모듈, 고속 카운터(HSC), 위치 결정 모듈(Motion Control), PID 제어 등 필요한 특수 기능 지원 여부를 확인해야 합니다.
- 💡 최신 실무 팁 (통신 호환성): 스마트 팩토리 구축을 위해서는 다른 장비나 상위 서버(MES, ERP)와의 연결이 필수입니다. 따라서 EtherNet/IP, EtherCAT, PROFINET, CC-Link, OPC UA 등 산업용 표준 네트워크 통신을 원활하게 지원하는지가 최신 CPU 선정의 가장 중요한 기준 중 하나입니다.
2. PLC의 적용 분야
과거 PLC가 대형 릴레이 제어반을 대체하는 데 그쳤다면, 현재는 초고속 처리와 정밀 모션 제어, 빅데이터 수집 기능을 무기로 초정밀 첨단 산업부터 생활 밀착형 자동화까지 그 영역이 무한히 확장되고 있습니다.
[표 1-5] 최신 트렌드를 반영한 PLC 주요 적용 분야
| 산업 분야 | 주요 제어 대상 및 시스템 |
| 반도체 및 디스플레이 | 웨이퍼 반송 장치(OHT), 진공 챔버 제어, 클린룸 환경 제어, 디스플레이 세정/코팅 라인 |
| 2차 전지 (배터리) | 전극 공정, 조립 공정, 충/방전(화성) 공정 설비, 롤투롤(Roll-to-Roll) 정밀 제어 |
| 자동차 공업 | 차체 자동 용접 라인, 전기차(EV) 배터리 조립 라인, 도장 공정, 프레스 공정 |
| 스마트 물류 및 유통 | 자동화 창고(AS/RS), 무인 운반차(AGV) 및 자율주행 로봇(AMR) 제어, 고속 분류 컨베이어 시스템 |
| 기계 및 로봇 산업 | 산업용 다관절 로봇, CNC 공작기계 제어, 사출 성형기, 자동 포장기 |
| 식음료 및 제약 | 위생 포장 및 멸균 라인, 원료 정량 주입(배칭) 제어, 식음료 병입(Bottling) 라인 |
| 환경 및 스마트팜 | 대규모 수처리 및 하수 처리 설비, 소각로 자동 제어, 스마트팜 온/습도 및 양액 자동 제어 시스템 |
| 인프라 및 설비 | 빌딩 엘리베이터/에스컬레이터 제어, 송/배수 펌프, 산업용 대형 압축기 및 보일러 제어 |