절연 타입 아날로그 모듈은 입력 또는 출력 채널이 PLC 내부 회로, 다른 채널, 또는 외부 전원 등과 전기적으로 분리되어 있는 모듈을 의미합니다. 이러한 전기적 분리는 시스템의 안정성, 정확성 및 안전성을 크게 향상시키는 역할을 합니다.

PLC(Programmable Logic Controller) 아날로그 모듈에서 **절연(Isolation)**은 매우 중요한 기능 중 하나입니다. 절연 타입 아날로그 모듈은 입력 또는 출력 채널이 PLC 내부 회로, 다른 채널, 또는 외부 전원 등과 전기적으로 분리되어 있는 모듈을 의미합니다. 이러한 전기적 분리는 시스템의 안정성, 정확성 및 안전성을 크게 향상시키는 역할을 합니다.

 

절연 타입 아날로그 모듈의 상세 정보

1. 절연의 필요성 및 목적
   • 그라운드 루프(Ground Loop) 방지: 아날로그 신호는 매우 작은 전압이나 전류 변화에도 민감합니다. 시스템 내에 여러 장비가 서로 다른 지점에서 접지(Ground)될 경우, 접지 지점 간의 전위차로 인해 신호선에 원치 않는 전류(그라운드 루프 전류)가 흐를 수 있습니다. 이는 신호 왜곡 및 측정 오류의 주요 원인이 됩니다. 절연은 이러한 그라운드 루프 경로를 차단합니다.
   • 노이즈 및 간섭(Noise and Interference) 제거/감소: 산업 현장에는 모터, 인버터, 용접기 등 강력한 전기 노이즈 발생원이 많습니다. 이러한 노이즈가 아날로그 신호선에 유입되면 신호가 불안정해지고 정확도가 떨어집니다. 절연은 외부 노이즈가 PLC 내부 회로나 다른 채널로 전파되는 것을 막아줍니다.
   • 공통 모드 전압(Common Mode Voltage) 제거: 센서나 신호 소스의 공통(Common) 단자와 PLC 아날로그 모듈의 공통 단자 사이에 존재하는 전위차를 공통 모드 전압이라고 합니다. 높은 공통 모드 전압은 신호 측정에 오류를 발생시키거나 모듈을 손상시킬 수 있습니다. 절연 모듈은 이러한 공통 모드 전압의 영향을 효과적으로 제거하거나 줄여줍니다 (높은 CMRR - Common Mode Rejection Ratio).
   • 안전성 향상 (장비 및 작업자 보호): 필드 측(센서, 액추에이터)에서 과전압, 서지(Surge) 등 이상 상황 발생 시, 절연벽이 PLC 내부의 민감한 회로나 CPU, 그리고 연결된 다른 장비들을 보호합니다. 또한, 작업자가 접촉할 수 있는 부분과 고전압 부분 사이를 전기적으로 분리하여 안전사고의 위험을 줄입니다.
   • 신호 무결성(Signal Integrity) 및 정확도 향상: 노이즈, 그라운드 루프 등의 영향을 최소화하여 보다 깨끗하고 정확한 아날로그 신호 값을 얻을 수 있도록 합니다.
2. 절연 방식의 종류 (기술적 구현)
   • 광학적 절연 (Optical Isolation): 포토커플러(Photocoupler) 또는 옵토아이솔레이터(Optoisolator)를 사용합니다. 전기 신호를 빛으로 변환하여 절연 간극을 넘어 전송하고, 수광부에서 다시 전기 신호로 변환합니다. 가장 일반적인 절연 방식 중 하나입니다.
   • 자기적 절연 (Magnetic Isolation): 변압기(Transformer)를 사용합니다. 주로 전원 공급 절연이나 특정 신호의 절연에 사용되며, 신호를 변조하여 AC 형태로 변압기를 통해 전송 후 다시 복조하는 방식을 사용하기도 합니다.
   • 용량성 절연 (Capacitive Isolation): 커패시터(Capacitor)를 사용하여 교류(AC) 신호는 통과시키고 직류(DC)는 차단하는 원리를 이용합니다. 고주파 신호 전송에 유리하며, 최근 고속 디지털 아이솔레이터 기술에 많이 적용됩니다.
3. 절연 레벨/구조에 따른 종류
   • 채널 간 절연 (Channel-to-Channel Isolation)
     • 가장 강력한 절연 방식입니다. 각 아날로그 채널이 다른 모든 채널로부터 완전히 독립적으로 절연되어 있으며, PLC의 내부 버스 및 전원과도 절연됩니다.
     • 한 채널에서 문제가 발생하더라도 다른 채널이나 시스템 전체에 영향을 미치지 않습니다.
     • 서로 다른 전위의 신호 소스를 가진 여러 센서를 하나의 모듈에 연결할 때 이상적입니다.
     • 일반적으로 가격이 가장 비쌉니다.
   • 그룹 절연 (Group Isolation 또는 Bank Isolation)
     • 여러 채널이 하나의 그룹(뱅크)으로 묶여 공통된 절연 회로를 공유합니다. 각 그룹은 다른 그룹 및 PLC 시스템으로부터 절연됩니다.
     • 채널 간 절연보다는 비용 효율적이지만, 같은 그룹 내의 채널 간에는 절연되지 않습니다.
     • 같은 그룹 내 채널들은 동일한 신호 공통(Common)을 사용해야 합니다.
   • 시스템 절연 (System Isolation 또는 Channel-to-Bus Isolation)
     • 모듈 내의 모든 아날로그 채널들은 서로 공통 접지를 공유하지만, 이 아날로그 회로 전체가 PLC의 내부 로직(버스) 및 전원 공급 장치와 절연됩니다.
     • 가장 기본적인 형태의 절연이며, 외부 필드 측과 PLC 내부 로직 간의 보호에 중점을 둡니다.
     • 채널 간의 그라운드 루프나 간섭 문제는 해결하지 못할 수 있습니다.
   • 비절연 (Non-Isolated)
     • 절연 기능이 없는 모듈입니다. 아날로그 회로의 공통 단자가 PLC 시스템의 공통 단자와 직접 연결됩니다.
     • 가격이 저렴하지만, 노이즈나 그라운드 루프에 매우 취약하며, 외부 문제 발생 시 PLC 시스템 전체에 영향을 줄 수 있습니다. 제어된 환경이나 매우 짧은 거리의 단일 접지 시스템에서 제한적으로 사용될 수 있습니다.
4. 절연 타입 아날로그 모듈의 주요 사양 및 고려사항
   • 절연 내압 (Isolation Voltage): 절연체가 파괴되지 않고 견딜 수 있는 최대 전압 (예: 500VAC, 1500VDC, 2500Vrms). 이 값이 높을수록 더 강력한 보호 기능을 제공합니다.
   • 절연 저항 (Isolation Resistance): 절연된 두 지점 사이의 전기 저항값. 높을수록 좋습니다.
   • 공통 모드 제거비 (CMRR - Common Mode Rejection Ratio): 공통 모드 노이즈를 얼마나 잘 제거하는지를 나타내는 지표. dB 단위로 표시되며, 높을수록 좋습니다.
   • 입/출력 신호 종류 및 범위: (예: 0~10V, 4~20mA, ±10V 등)
   • 분해능 (Resolution): (예: 12비트, 16비트) 아날로그 값을 얼마나 세밀하게 디지털 값으로 변환할 수 있는지를 나타냅니다.
   • 정확도 (Accuracy): 실제 값과 측정값 사이의 오차.
   • 변환 속도 (Conversion Speed): 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 데 걸리는 시간.
   • 채널 수: 모듈 당 지원하는 아날로그 입력 또는 출력 채널의 수.
   • 인증 규격: (예: CE, UL, ATEX 등) 사용 환경에 맞는 인증 여부.
5. 절연 타입 모듈의 장점 요약
   • 신호 정확도 및 신뢰성 향상
   • 노이즈 및 간섭에 대한 내성 강화
   • 그라운드 루프 문제 해결
   • PLC 및 연결 장비 보호
   • 시스템 안정성 및 가용성 증대
   • 작업자 안전 향상
6. 절연 타입 모듈의 단점 요약
   • 가격: 비절연 또는 낮은 수준의 절연 모듈에 비해 일반적으로 가격이 높습니다.
   • 크기: 절연 회로 구성 요소로 인해 모듈 크기가 다소 커질 수 있습니다.
   • 전력 소비: 절연 회로 구동을 위해 약간의 추가 전력이 소모될 수 있습니다.
7. 절연 타입 모듈 사용이 권장되는 환경
   • 모터, 용접기, 인버터 등 전기적 노이즈가 심한 산업 현장
   • 센서와 PLC 간의 거리가 멀거나, 여러 장비가 복잡하게 연결되어 그라운드 루프 발생 가능성이 높은 시스템
   • 정밀한 측정과 제어가 요구되는 애플리케이션
   • 센서나 신호 소스가 PLC와 다른 전원을 사용하거나 접지 전위가 다른 경우
   • 높은 전압이나 위험한 환경에 노출될 수 있는 필드 장치와 연결되는 경우
   • 중요도가 높아 시스템 다운타임이 치명적인 설비

결론적으로, 초기 투자 비용이 다소 높더라도 시스템의 장기적인 안정성, 데이터의 신뢰성, 유지보수의 용이성 및 안전을 고려한다면 절연 타입 아날로그 모듈, 특히 채널 간 절연 모듈을 선택하는 것이 바람직한 경우가 많습니다. 시스템의 특성과 환경, 요구되는 성능 수준을 종합적으로 검토하여 적절한 절연 레벨의 모듈을 선택하는 것이 중요합니다.