PLC 아날로그 모듈은 온도, 압력, 유량, 레벨, 속도 등과 같이 연속적으로 변하는 물리량을 나타내는 아날로그 전기 신호를 PLC 시스템이 처리할 수 있도록 인터페이스하는 장치입니다

1. 정의

PLC 아날로그 모듈은 온도, 압력, 유량, 레벨, 속도 등과 같이 연속적으로 변하는 물리량을 나타내는 아날로그 전기 신호(주로 전압 또는 전류)를 PLC 시스템이 처리할 수 있도록 인터페이스하는 장치입니다. 이는 ON/OFF 상태만을 다루는 디지털 모듈과 구분됩니다.

• 아날로그 입력 모듈 (Analog Input Module, AI): 외부 센서나 트랜스미터로부터 연속적인 아날로그 전압 또는 전류 신호를 입력받아, 이를 PLC CPU가 이해할 수 있는 디지털 데이터 값으로 변환(ADC: Analog-to-Digital Conversion)하여 전달합니다.
• 아날로그 출력 모듈 (Analog Output Module, AO): PLC CPU로부터 디지털 데이터 값을 받아, 이를 외부 액추에이터(조절 밸브, 인버터(VFD), 비례 제어 밸브 등)를 제어하기 위한 연속적인 아날로그 전압 또는 전류 신호로 변환(DAC: Digital-to-Analog Conversion)하여 출력합니다.

2. 기능

• 입력 모듈(AI): 현장의 연속적인 물리량 변화(온도, 압력 등)를 측정하여 PLC가 연산 및 판단에 사용할 수 있는 디지털 정보로 제공합니다.
• 출력 모듈(AO): PLC의 제어 연산 결과에 따라, 가변적인 제어가 필요한 액추에이터(예: 밸브 개도 조절, 모터 속도 조절)에 비례적인 제어 신호를 전달합니다.
• 전기적 절연(Isolation): 디지털 모듈과 마찬가지로, 외부 현장 회로와 PLC 내부 로직 회로를 전기적으로 분리하여 노이즈 방지 및 시스템 보호 역할을 수행합니다.

3. 주요 사양 및 선정 시 고려사항

아날로그 모듈 선정 시에는 디지털 모듈보다 더 많은 기술적인 사양을 고려해야 합니다.

• 모듈 종류 (Module Type): 입력(AI) 또는 출력(AO) 모듈을 선택합니다. 온도 센서(RTD, Thermocouple) 입력을 직접 받을 수 있는 온도 입력 모듈과 같은 특수 목적의 아날로그 모듈도 있습니다.
• 채널 수 (Number of Channels): 하나의 모듈이 처리할 수 있는 아날로그 입력 또는 출력 포인트의 수입니다. (예: 4채널, 8채널, 16채널). 일반적으로 회로 복잡성 때문에 디지털 모듈보다 채널 수가 적습니다.
• 신호 종류 및 범위 (Signal Type and Range): 매우 중요한 사양입니다.
  • AI: 측정하려는 센서/트랜스미터의 출력 신호 종류와 범위를 지원해야 합니다.
    • 전압(Voltage): 0~10V DC, 0~5V DC, ±10V DC, ±5V DC 등
    • 전류(Current): 4~20mA DC, 0~20mA DC 등 (4-20mA는 단선 감지가 용이하고 루프 전원 구성이 가능하여 산업계 표준으로 널리 사용됨)
    • 온도 센서 직접 입력: RTD(Pt100, JPt100 등), Thermocouple(K, J, T, E 타입 등). 이 모듈들은 센서 신호 처리, 선형화, 냉접점 보상(Thermocouple) 기능을 내장하고 있습니다.
  • AO: 제어하려는 액추에이터가 요구하는 입력 신호의 종류와 범위를 지원해야 합니다.
    • 전압(Voltage): 0~10V DC, ±10V DC 등
    • 전류(Current): 4~20mA DC, 0~20mA DC 등
  • 많은 모듈들이 소프트웨어나 하드웨어 스위치 설정을 통해 여러 종류의 신호와 범위를 선택하여 사용할 수 있도록 지원합니다.
• 분해능 (Resolution): 아날로그 신호를 얼마나 잘게 쪼개서 디지털 값으로 표현(AI)하거나, 디지털 값을 얼마나 세밀하게 아날로그 신호로 표현(AO)할 수 있는지를 나타냅니다. 주로 비트(bit) 수로 표현합니다 (예: 12비트, 14비트, 16비트). 분해능이 높을수록 더 정밀한 측정 및 제어가 가능합니다.
  • 예: 12비트, 0~10V 입력 모듈은 10V 범위를 2¹²=4096 단계로 분해 (약 2.44mV 단위)
  • 예: 16비트, 0~10V 입력 모듈은 10V 범위를 2¹⁶=65536 단계로 분해 (약 0.15mV 단위)
• 정확도 (Accuracy): 변환된 디지털 값(AI) 또는 생성된 아날로그 신호(AO)가 실제 값에 얼마나 가까운지를 나타냅니다. 보통 최대 측정 범위(Full Scale)에 대한 백분율(%FS) 또는 오프셋/게인 오차 등으로 표시됩니다. 선형성(Linearity), 온도 드리프트 등의 영향을 받습니다.
• 변환 속도 / 업데이트 속도 (Conversion Speed / Update Rate): 아날로그 신호를 디지털로 변환(AI)하거나, 아날로그 출력을 갱신(AO)하는 데 걸리는 시간입니다. 채널당 변환 시간(ms/channel, µs/channel) 또는 초당 샘플 수(SPS) 등으로 표시됩니다. 빠르게 변하는 신호를 측정하거나 빠른 응답이 필요한 제어에 중요합니다.
• 절연 (Isolation): 채널 간 절연(Channel-to-Channel) 및 채널과 PLC 백플레인 간 절연(Field-to-Logic) 수준을 확인합니다. 노이즈 방지, 안전, 그라운드 루프 문제 해결에 중요합니다.
• 입력 임피던스(AI) / 부하 임피던스(AO) (Input/Load Impedance): 모듈이 센서에 주는 부하(AI) 또는 출력 신호 구동 능력/요구 부하(AO)를 나타냅니다. 연결될 장치와 호환되어야 합니다. (예: 전류 입력은 임피던스가 낮고, 전압 입력은 높음. 전류 출력은 최대 루프 저항 제한이 있음)
• 진단 기능 (Diagnostics Features): 고급 모듈은 단선 감지(특히 4-20mA), 범위 초과(Over/Under Range) 감지, 모듈 상태 표시 LED 등의 진단 기능을 제공할 수 있습니다.
• 결선 방식 (Wiring & Termination): 단자대 형태(나사, 스프링 등)를 확인합니다. 아날로그 신호는 노이즈에 민감하므로 실드 케이블(Shielded Cable) 사용 및 적절한 접지/실드 처리가 매우 중요합니다.
• PLC 시스템 호환성 (Compatibility): 사용하려는 PLC의 CPU, 베이스(랙) 등과 호환되는 모듈인지 반드시 확인해야 합니다.

4. 적용 시 고려사항

• 측정 또는 제어에 필요한 정밀도에 맞춰 분해능을 선택합니다.
• 프로세스 변화 속도 및 제어 응답 요구사항에 맞는 변환 속도를 선택합니다.
• 신호 종류와 범위를 센서/액추에이터와 정확히 일치시켜야 합니다.
• 노이즈의 영향을 최소화하기 위해 실드 케이블 사용 및 접지에 주의합니다.
• 온도 측정 시에는 RTD 또는 Thermocouple 전용 모듈을 사용하면 배선이 간편하고 정확도가 향상될 수 있습니다.

 

결론적으로, PLC 아날로그 모듈은 온도, 압력, 유량 등 연속적인 공정 변수를 측정하고 제어하는 데 필수적인 인터페이스입니다. 따라서 필요한 채널 수, 신호의 종류와 범위, 요구되는 분해능과 정확도, 변환 속도, 그리고 PLC 시스템 및 현장 기기와의 호환성을 신중하게 고려하여 모듈을 선정해야 정밀하고 신뢰성 있는 아날로그 데이터 처리 및 제어 시스템을 구축할 수 있습니다.

 

 

LS산전 아날로그 모듈