PLC CPU는 PLC 시스템의 중앙 처리 장치로, 사람의 두뇌에 해당하는 핵심 부품입니다

1. 정의

PLC CPU는 PLC 시스템의 중앙 처리 장치로, 사람의 두뇌에 해당하는 핵심 부품입니다. PLC의 모든 연산, 제어 로직 실행, 입출력 관리, 통신 처리, 자체 진단 등 가장 중요한 기능들을 수행합니다. 본질적으로 산업 환경의 혹독한 조건을 견딜 수 있도록 설계된 특수한 마이크로프로세서 시스템입니다.

 

2. PLC CPU의 주요 기능

PLC CPU는 다음과 같은 핵심적인 역할들을 수행합니다.

• 사용자 프로그램 실행: 사용자가 작성한 제어 로직(래더 다이어그램, SFC, ST 등)을 프로그램 메모리에서 읽어들여 순차적으로 해석하고 실행합니다.
• 입력 스캔 (Input Scan): 입력 모듈에 연결된 센서, 스위치 등의 상태를 읽어들여 PLC 내부 메모리 영역(입력 이미지 메모리)에 저장합니다.
• 프로그램 연산 (Program Scan / Logic Execution): 입력 스캔 단계에서 읽어들인 입력 상태와 내부 메모리 값(타이머, 카운터, 변수 등)을 바탕으로 사용자 프로그램을 연산하여 출력 코일이나 내부 메모리의 상태를 결정합니다.
• 출력 스캔 (Output Scan): 프로그램 연산 결과를 내부 메모리 영역(출력 이미지 메모리)에서 실제 출력 모듈로 보내 액추에이터(램프, 솔레노이드 밸브, 모터 등)를 제어합니다.
• 통신 처리 (Communication): 프로그래밍 도구(PC), HMI, 다른 PLC, 상위 시스템(SCADA 등), 필드 장치 등과의 데이터 통신을 관리하고 실행합니다.
• 자체 진단 및 관리 (Diagnostics & Housekeeping): PLC 시스템의 상태(메모리, 배터리, 동작 모드 등)를 스스로 진단하고 오류를 감지하며, 운영체제 관리, 인터럽트 처리 등 시스템 유지를 위한 작업을 수행합니다.

3. 주요 성능 지표 및 특성

PLC CPU의 성능과 특성을 나타내는 주요 지표는 다음과 같습니다.

• 스캔 타임 (Scan Time): CPU가 입력 스캔, 프로그램 연산, 출력 스캔, 자체 진단 및 관리까지 한 사이클의 작업을 완료하는 데 걸리는 시간입니다. 보통 밀리초(ms) 또는 마이크로초(µs) 단위로 표시하며, 프로그램 1K 스텝당 처리 시간 등으로 표현하기도 합니다. 스캔 타임은 제어 시스템의 응답 속도를 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이며, 고속 제어가 필요할수록 짧은 스캔 타임이 요구됩니다. CPU 클럭 속도, 프로그램 크기 및 복잡도, I/O 점수, 통신 부하 등에 따라 달라집니다.
• 처리 속도 / 클럭 속도 (Processing Speed / Clock Speed): CPU 내부 마이크로프로세서의 동작 속도(MHz, GHz 등)입니다. 일반적으로 클럭 속도가 높을수록 명령어 처리 속도가 빨라져 스캔 타임 단축에 기여합니다.
• 메모리 용량 (Memory):
  • 프로그램 메모리 (Program Memory): 사용자 제어 로직을 저장하는 공간입니다. 용량이 클수록 더 복잡하고 큰 규모의 프로그램을 저장할 수 있습니다. (단위: K steps, KB, MB)
  • 데이터 메모리 (Data Memory): I/O 상태 값, 타이머/카운터 설정 및 현재 값, 각종 변수, 레시피 데이터, 버퍼 등을 저장하는 공간입니다. 데이터 처리 및 저장 요구량에 맞는 충분한 용량이 필요합니다. (단위: K words, KB, MB)
  • 정전 유지 메모리 (Retentive Memory): PLC 전원이 꺼졌다 켜져도 저장된 내용이 유지되는 메모리 영역입니다. 주로 운전 상태 정보, 중요 설정값 등 전원 차단 시에도 보존되어야 하는 데이터를 저장하는 데 사용됩니다. (배터리 백업 RAM 또는 비휘발성 메모리 사용)
• 명령어 집합 (Instruction Set): CPU가 처리할 수 있는 내장 명령어의 종류와 기능 수준입니다. 기본 논리 연산 외에 산술 연산, 데이터 처리, 통신, PID 제어, 고속 카운터, 위치 결정 등 다양한 고급 명령어를 지원할수록 복잡한 제어를 효율적으로 프로그래밍할 수 있습니다.
• 실시간 시계 (RTC - Real-Time Clock): 현재 시간 정보를 제공하여 이벤트 발생 시각 기록, 예약 운전, 데이터 로깅 등에 활용됩니다.

4. PLC CPU의 종류 (구조적 분류)

• 일체형/블록형 PLC CPU (Compact/Brick Type): CPU, 전원부, 일정 수의 I/O가 하나의 본체에 통합된 형태입니다. 비교적 저렴하고 소규모 제어에 적합하며, 일부 확장 모듈을 추가할 수 있습니다.
• 모듈러/랙 타입 PLC CPU (Modular/Rack Type): CPU가 독립된 모듈 형태로 제공되며, 베이스(랙)에 전원 모듈, I/O 모듈, 통신 모듈, 특수 기능 모듈 등과 함께 장착하여 시스템을 구성합니다. 유연성과 확장성이 뛰어나 중대규모 시스템에 적합하며, 고성능 CPU 옵션이 많습니다.
• 소프트 PLC / PC 기반 제어 (Software-based / PC-based): 산업용 PC(IPC) 또는 임베디드 PC에서 PLC 로직 실행 소프트웨어를 구동하는 방식입니다. PC의 높은 성능과 다양한 기능을 활용할 수 있으나, 운영체제 환경에 따른 실시간성 및 안정성 확보가 중요합니다.

5. 선정 시 고려사항 (CPU 관점)

PLC 전체 선정 시 고려사항 중 CPU와 직접 관련된 주요 내용입니다.

• 제어 대상의 응답 속도 요구사항에 맞는 스캔 타임/처리 속도를 가진 CPU를 선택합니다.
• 현재 및 미래의 확장성을 고려하여 충분한 프로그램 및 데이터 메모리 용량을 확보합니다.
• 필요한 통신 기능(프로토콜, 포트 수)을 CPU가 직접 지원하는지, 또는 별도 통신 모듈이 필요한지 확인합니다.
• 고장 시 시스템 중단을 최소화해야 하는 경우 CPU 이중화(Redundancy) 옵션 지원 여부를 검토합니다.
• 개발 환경(프로그래밍 소프트웨어, 지원 언어)과의 호환성을 확인합니다.
• 문제 발생 시 원인 파악에 도움이 되는 진단 기능을 평가합니다.
• 제조사의 기술 지원 및 제품 단종 계획 등 수명 주기를 고려합니다.

 

결론적으로, PLC CPU는 자동화 시스템의 성능과 기능을 결정하는 핵심 두뇌입니다. 따라서 제어하려는 시스템의 규모, 복잡도, 속도 요구사항, 통신 및 데이터 처리 필요성 등을 면밀히 분석하여, 이에 가장 적합한 성능(스캔 타임, 메모리 등)과 기능을 갖춘 CPU를 신중하게 선택하는 것이 성공적인 자동화 시스템 구축의 첫걸음입니다.

 

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