[테마특강] 전문가에게 듣는다;공장자동화의 꽃 PLC기술동향

**안재봉** <>1955년 출생 <>홍익대학교 졸업 <>연세대 대학원 전기공학과 졸업(공학박사) <>국내최초로 PLC개발 <>공장자동화용 SW패키지 개발 <>LG산전연구소 연구위원 <>계측기기 연구조합 전문위원 <>저서:"PLC활용기술"외 다수 흔히 PLC는 "공장자동화의 꽃"으로 불린다. 이는 PLC가 공장자동화에 있어그만큼 필수적이고 핵심적인 장치임을 나타내는 말이라고 생각된다.

이와 같이 자동화 핵심기기인 PLC는 1968년 GM(General Motors)사에서 기존릴레이 제어반을 대체하기 위해서 새로운 전자화 제어기에 대한 10가지 구매 시방서를 제시하고 그에 따라 DEC(Digital Equi-pments Corp.)에서 PDP 14 라는 최초의 PLC를 개발함으로써 탄생하게 된다.

그후 PLC는 전자화 제어기기로서 눈부신 발전을 거듭, 올해 세계시장 규모 약 50억달러의 FA핵심기기로 자리매김하게 되었다.

이러한 발전과정에서 공장제어 애플리케이션 소프트웨어(SW)의 성능이 5년마 다 약 2배로 향상되었는데도 PLC 프로그래밍에 대한 개발노력은 계속 증가해 왔으며 하드웨어(HW)의 성능은 매년 약 25%의 향상을 보여왔다.

또한 프로그램 용량은 지난 80년 평균 2K, 90년 20K이었으나 2000년에는 약3 백K에 이를 것으로 보이며 이러한 2백K 수준의 프로그램은 시퀀스 컨트롤뿐 아니라 MMI(Man Machine Interface)통신, 아날로그제어, 로봇제어 등도 포함하게 될 것이다. 이러한 상황에서 프로그램 방법이 개선되지 않는다면 프로그램을 작성하는데 소요되는 기간이 80년 2주, 90년 2개월에서 2000년에는 무려 2년이 될 것으로 예상되고 있으며 더 나아가서 보다 향상된 프로그램 품질관리 기능이 도입되지 않는다면 2000년의 프로그램 에러발생은 80년의 10배에 이를 것으로 예상된다.

PLC는 메이커에서 제공되는 프로그램 수행용 CPU모듈과 I/O모듈 및 특수기능 모듈 등으로 HW시스템이 구성되며 그 메이커에서 제공하는 언어로 프로그램 을 하여 시스템을 구축하게 된다. 초기의 PLC는 사용자가 작성한 프로그램 코드를 CPU가 해석하여 수행하는 인터프리터(interpreter)방식을 취하였다.

그러나 사용자 프로그램의 용량이 증대함에 따라서 제어의 실시간성이 떨어지게 되었다. 이 문제를 극복하고자 프로그램의 처리속도 향상을 꾀하게 되었고 그 방법으로 각 업체는 자기 고유의 PLC언어처리 전용의 프로세서를 개발하기 시작하였으며 현재는 명령어당 1백nsec대의 처리속도를 갖는 PLC들이 신기종으로 출시되고 있다. 전용 프로세서의 설계에 있어서는 이전의 회로도 schematic diagram)방식에서 HW설계 전용의 고급언어 VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language)를 사용하는 방식으로 전환되고 있다.

또한 PLC의 애플리케이션 영역이 다양해지고 복잡해짐에 따라서 프로그램 및데이터 메모리의 대용량화 추세가 진행되고 있으며 PLC 고유의 프로그램 운전방식인 전체 프로그램의 반복수행(cycle task)외에 정주기(time task), 외부신호동기 interrupt task), 상태변화(status change task), 초기화(initia l task) 및 에러처리(error task) 등 이벤트동기와 관련한 다양한 운전방식 을 제공하고 있다.

또한 CPU의 처리능력 향상을 위해 멀티 CPU모듈 방식을 채용하고 신뢰성 향상을 위해 이중화 시스템도 제공하고 있다.

또한 단순 기계제어에서 위치제어, 프로세스제어 등 다양한 제어를 위한 특수기능 모듈들이 개발되고 있으며 대규모 CIM(Computer Integrated Manfactu ring)이 가능한 고성능 네트워크도 보유하고 있다. 따라서 자동화의 촤하위 층인 액추에이터 컨트롤에서 상위층인 라인관리에 이르기까지 그 기능이 대폭적으로 향상되었다.

그러나 기술의 발전과정에서 각 PLC 메이커들은 자기 고유의 기술을 고집하며 시장 독점을 꾀하였고 사용자 측면에서의 편리는 크게 고려되지 않았다.

따라서현재의 PLC들은 사용언어도 제각각이고 통신네트워크도 서로 달라서 여러 업체의 PLC가 혼합하여 대규모 시스템을 구축하는 경우나 업체를 바꾸는 사용자는 커다란 경제적 손실을 감수해야만 했다. 이러한 문제점을 해소 하여 PLC 사용자의 편리를 도모하고자 PLC의 국제규격이 제정되었다.

PLC의 규격화는 지난 70년대초부터 NEMA(미국), GRAFSET(프랑스), DIN(독 일), MIL(미국) 등 지역별로 진행되어 왔으나 79년 IEC에서 워킹그룹이 결성 되어 규격화 작업이 시작된 이후 IEC에 의해 주도되어 왔으며 현재 상당부분 이규격화되었다. PLC의 국제규격인 IEC 1131은 다섯 파트로 구성되어 있다.

파트1은"일반정보(general information)"로 PLC의 일반적인 요구기능 및 용어를 정의하고 있으며 규격이 완성되어 있다.

파트2는 "장치의 요구기능 및 테스트조건(equipment and test requirements) "에 대하여 정의하고 있으며 규격이 완성되어 있다. 이 부분은 PLC의 신뢰성 보장 및 HW기능의 규격화 등 PLC의 기능 및 품질보증에 중요한 의미를 가지고 있다.

파트3은 "프로그램 언어(programming languages)" 즉 PLC 사용자언어에 대하여 정의하고 있으며 언어의 표준화를 통하여 사용자의 SW 작성기술 및 작성 된 SW의 자산화의 극대화를 도모하고 있다. 이 규격은 IEC 1131중 핵심이 되는 부분으로 92년 완성되어 규격으로 제정되었다.

PART4는 "사용자 지침(user guidelines)"으로 PLC 사용자들이 시스템을 구축 할 때 주의해야 할 점들에 대하여 규격화하고 있다. 현재 CD(Committee Draf t) 도큐먼트가 완성되었다.

파트5는 "통신(messaging service)"에 관한 것으로 PLC시스템의 통일된 네트 워크에 대하여 정의하고 있으며 궁극적으로는 타기기와의 통신도 중간매개체 없이 가능할 수 있도록 규정하고 있다. 현재 CD 도큐먼트가 완성되었다.

또한 IEC 1131규격은 일본에서도 이미 JIS규격(JIS B3500, B3501, B3502)으 로 채용되었다.

IEC 1131규격은 유럽에 본부를 둔 PLCopen이라는 AB, Cegelec, Omron, Tele mecani-que, Yamatake Haneywell 등 세계 굴지의 PLC 제조업체 및 사용자를 멤버로 하는 민간단체를 중심으로 활성화되고 있으며 일본 및 미국에서도 활동을 시작하여 PLC메이커에 대한 강력한 압력단체로 떠오르게 되었다.

PLC는 그 이름에서 볼 수 있듯이 사용자의 프로그램에 의해 기계를 제어하는 기기이다. 따라서 프로그램을 작성하기 위한 언어가 필요하며 이것을 PLC언 어라고 한다. 현재 시판되는 수많은 PLC에서 사용하는 언어는 그 PLC메이커 및 기종만큼이나 다양하다. 따라서 사용자들은 사용하는 PLC기종이 바뀔 때마다 새로운 언어를 배워야 하는데 이 불편함과 시간의 낭비를 없애기 위해 언어의 표준화가 대두되기 시작했다. 93년 마침내 IEC에서 PLC언어의 규격을 발표하였는데 그 언어는 문자기반의 언어로 IL(Instruction List)과 ST(Stru ctured Te.t)가 있으며 도형기반의 언어로 LD(Ladder Diagram)와 FBD(Functi on Block Diagram)가 있다. 또한 프로그램을 구조적으로 표현하기 위한 구조 화 표현방법인 SFC(Sequential Function Chart)를 정의하였다. IL언어는 종래 니모닉이라고 불렀던 언어를 표준화한 것으로 우리나라 및 일본에서 많이사용하는 언어이다. "현재값"이라는 개념을 도입하여 사용자가 어셈블러언어 를 사용하듯 프로그램할 수 있어서 간단한 응용시스템이나 프로그램의 최적 화가 필요한 부분에서 사용한다. LD언어는 PLC가 생긴 이래 가장 많이 사용된 릴레이 로직을 표현하기 위한 표준언어이다. 릴레이 제어반의 여러 요소 를 SW로 대치시켜 접점 및 코일로 표현할 수 있다. FBD언어는 프로그램의 요소를 블록으로 표현하여 그들을 서로 연결하여 로직을 표현하는 것으로제어요소간에 정보나 데이터의 흐름이 있는 시스템에서 사용된다. ST언어는파스칼과 비슷한 높은 수준의 언어로 복잡한 수식계산이 필요한 시스템에서사용된다. 구조화 표현방법인 SFC는 전체시스템을 액션과 트랜지션으로 구조화시 켜 나타낸다. 각각의 표현 액션과 트랜지션은 위에서 설명한 언어로 프로그래밍할 수 있으며 각각의 액션들을 완전히 분리하여 표현하므로 프로그램에 서 오류가 발생할 때 쉽게 디버깅할 수 있다.

IEC에서는 언어의 규격화뿐 아니라 PLC의 HW를 표현하는 방법도 표준화하였다. 즉 PC의 입출력요소와 내부 메모리의 표현방법을 규격화하였으며 프로그램에서 사용하는 변수의 형선언 및 표현법도 규정하였다. 이 모든 규정이 HW와 독립된 SW 환경의 구축이라는 목표를 두고 행해졌다.

IEC표준언어의 두번째 목표인 프로그램의 재사용은 새롭게 도입한 펑션과 펑 션블록으로 실현하였다. 특정기능을 수행하는 프로그램을 펑션이나 펑션블록 으로 작성하여 라이브러리화해 놓고 필요할 때마다 불러 사용할 수 있게 해 한번 작성한 프로그램을 다시 사용할 수 있는 방법을 제공한 것이다.

지금까지의 PLC 통신방식은 각 PLC메이커 독자의 방식을 채택하여 왔다.

그러나PLC가 공장CIM 구조상의 스테이션 레벨을 담당하게 되면서 상위 셀 컨트롤러와의 통신 및 동급의 PLC, 로봇등과의 통신이 가능해야 하고 또한 하위 레벨의 리모트, 액추에이터, 센서 등과의 고속 통신기능을 가져야 할뿐 아니라 개방형, 즉 규격화된 통신 방식을 취하여 이기종, 멀티 벤더의 통신이 가능해야만 한다. 이와 같이 규격화된 대표적 통신방식으로는 미니 맵, 이더넷, 필드버스 등이 있다.

스테이션 레벨보다 하위 레벨인 필드버스는 개별 통신 규격인 기존 Profibu s, FIP 등을 ISA/IEC에서 주관하여 국제규격으로 만들고 있으나 각사의 이해문제가 있어 최종 규격화가 지연되고 있다. 필드버스는 제어기기와 계장기기 를 연결하는 하위 네트워크로 OSI의 7Layer중 3Layer를 채택하며, 3Layer중L ayer1(IEC/ISA SP50PART2)은 H2(1Mbps전기), H1(31.23Kbps전기), 광, 무선(W ireless) 등으로 다양하게 구성되고 Layer2(IEC/ISA SP50.2 Part 3/4)는 Sch eduled 및 Circurated Token bus를 채택하고, Layer7(IEC/ISA SP50.2 Part 5 6 과 필드에서 추가적으로 만든 user layer에서 사용자 응용 규정을 정의하고 있다. 이 네트워크는 다수의 소규모 계장기기를 쉽게 접속할 수 있도록규격이 진행되고 있으며 저비용을 목표로 하고 있다.

향후 PLC통신기술은 고속성.고신뢰성을 목표로 1백Mpbs급(FDDI) 네트워크와 외부 전기적 환경에 강하고 고속으로 전송할 수 있는 광통신 기술, 설치공간 이 자유롭고 이동 제어기기와 통신이 가능한 무선 네트워크의 적용이 주요관심으로 부각되고 있다.

기존 PLC가 시퀀스제어, 디지털제어로 사용영역이 한정되어 있었으나 현재는다양한 기능의 특수기능 모듈의 등장으로 그 응용범위가 넓어졌다. 특히 유럽에서는 고기능 명령사용, 경제적인 가격, 고신뢰성의 HW, 부동소수점 연산 등의 능력을 갖는 PLC가 등장하여 프로세스제어시장을 상당부분 잠식하고 있다. 또한 전용기기(NC, CNC, 루프 컨트롤러 등)의 간이 사용환경을 PLC가 흡수하여 그 사용범위가 더욱 넓어져가는 추세이다. 응용기기 모듈의 기술은 현재여러 분야에서 사용될 수 있는 것들이 나오고 있으며 그 종류로는 위치제어, PID 연산, 퍼지추론, 아날로그 입출력, 음성출력 모듈 등이 있다.

위치제어 모듈에는 아날로그 출력방식과 펄스 출력방식이 있으며, 최고속도2 백KPPS까지 설정이 가능하고, 수동pulser입력과, resolver입력을 받는 모듈 등이 있다.

PID연산모듈에는 최대 64루프의 PID 연산능력이 있으며, 각 루프별로 auto tunning기능이 내장되어 있다.

퍼지 추론모듈에는 입력5CH, 출력 2CH에 대해 최대 2백56룰의 추론이 가능하며 아날로그 입출력 모듈은 현재 모듈당 입출력수가 계속 증가 추세에 있으며 정밀도가 높은 프로세스 제어 등에 많이 사용되고 있다.

또한 온도 센서를 변환기 없이 직접 모듈에 접속하여 온도를 처리할 수 있으며 각종 타입의 온도센서가 사용가능하다.

향후 특수기능 모듈에서는 PLC사용자가 쉽게 운영할 수 있는 SW패키지가 동시에 공급될 것이며 PLC의 풀(full)이중화에 걸맞은 모듈 등이 개발될 예정 이다. 근래 들어 자동화의 의미는 기존 소품종 대량생산시대의 설비 자동화와는 많은 차이를 보이고 있다. 즉 사용자 요구의 다양화에 따른 생산설비의 유연한 대응은 FA현장의 각종 데이터를 얼마나 신속하고 정확하게 처리하느냐가 관건이며 생산현장의 데이터를 생산관리부서에 즉각 전달하고 처리, 감독할 수있어야 한다. 이와같은 상황에서 인간과의 인터페이스를 담당하는 MMI의 중요성이 점점 증대되고 있다.

CIM이 향후 자동화의 근간을 이루는 추세에 비추어 인간과 기기 사이의 편리 하고 조화로운 인터페이스는 필수가 된다. 현장기기와 사람, 상위 컴퓨터와 사람이 사람의 사고와 행동규범에 기반을 두고 접목하는 것이 바로 진정한 MMI이다. 시스템이 전문화.통합화 되어가면서 그 시스템을 운영하고 유지하는 데 더욱 많은 시간과 노력이 필요하게 될 것이다. 현장의 오퍼레이터 인터페이스에서부터 셀 컨트롤러까지 그 응용레벨이나 분야도 다양해지고 있다. 이러한 MMI기기와 SW의 수요나 용도확대에 비추어 어떤 사용자라도 쉽게 조작, 운영할 수 있는 제품 개발이 하루빨리 뒷받침되어야 할 것이다.

자동화의 핵심기기인 PLC를 세계적인 수준으로 개발함으로써 국내 자동화기 술이 세계화될 수 있음은 물론 PLC 자체가 수출전략형 상품이 될 수 있는 기반이 마련되었다.