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

제어부품/PLC소개

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

전기제어 이야기 2025. 4. 10. 18:27

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.