PLC

왜 배우는가: PLC는 건축전기설비의 자동화·감시·제어를 맡는 핵심 제어기이므로, 구성요소와 설치 기준을 알아야 설비 제어 설계와 현장 시공 판단을 할 수 있다. 또한 PLC는 ISO 기준의 제어 장치 개념과 전력선통신(PLC)이라는 동음이의 용어가 함께 출제되어, 두 개념을 구분해 정확히 쓰는 능력이 시험에서 반복적으로 요구된다.

출제 이력: 제113회 2교시 2번, 제93회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 입력 신호를 받아 저장된 프로그램에 따라 출력을 생성하고, 기계·설비를 자동으로 제어하는 산업용 디지털 제어장치이다.

핵심 키워드

• 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)
• CPU(중앙처리장치)
• 입력 모듈
• 출력 모듈
• 포토커플러(절연)
• 전원 모듈
• 스캔 방식(입력 읽기 → 연산 → 출력 갱신)
• 노이즈 대책(접지·차폐·필터)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 PLC는 "조건을 보고 기계를 움직이는 작은 컴퓨터"이다. 스위치와 센서가 보낸 신호를 받아, 미리 써 둔 순서(래더 프로그램 등)에 따라 전동기·전자개폐기·램프를 켜고 끈다.

정식 정의는 다음과 같다. 프로그래머블 로직 컨트롤러는 제조 공정이나 기계의 제어를 위해 견고하게 만든 산업용 컴퓨터이며, 소형은 수십 점의 입출력을 가진 일체형부터 수천 점의 입출력을 가진 랙 장착형까지 있다. 일반 PC와 달리 전기적 잡음, 진동, 충격, 온도 변화에 강하도록 설계된다.

입출력 부(I/O) 는 외부기기와 PLC 내부를 잇는 부분이다. 외부에는 푸쉬버튼 스위치, 리밋 스위치, 센서, 전자개폐기, 솔레노이드, 램프 등이 접속된다. 내부 동작전압은 보통 5V인데 외부 입출력은 다른 전압을 쓰므로, 시스템 안정을 위해 두 영역을 분리한다.

포토커플러 는 빛을 매개로 신호를 전달하는 소자로, 외부기기와 CPU 사이를 전기적으로 절연한다. 외부의 노이즈나 서지가 CPU에 직접 들어가는 것을 줄이는 핵심 부품이다.

스캔 방식 은 PLC가 한 주기 동안 입력 상태를 읽고, 프로그램을 순서대로 연산한 뒤, 출력을 한꺼번에 갱신하는 반복 동작이다. 한 주기의 시간을 스캔 타임이라 한다. 이 방식 때문에 출력 응답은 입력 변화 후 스캔 타임만큼 늦게 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

과거의 자동화는 릴레이와 타이머를 배선으로 엮은 릴레이 반도체 제어반으로 이루어졌다. 제어 조건을 바꾸려면 배선을 다시 해야 했고, 고장 원인을 찾기도 어려웠다. 이 문제를 풀기 위해 조건 논리를 소프트웨어로 바꾸고 변경을 프로그램 수정으로 처리하는 PLC가 등장했다.

건축전기설비에서도 수변전 설비 감시, 조명·공조 제어, 승강기와 펌프의 운전 제어, 비상 전원 절체 같은 기능이 PLC로 구현된다. 설비가 복잡해지고 BEMS나 통합자동제어설비와 연계해야 하므로, 프로그램으로 조건을 바꾸고 통신망으로 상태를 보내는 능력이 필요해졌다.

PLC의 장점은 다음과 같다.

• 제어 로직을 프로그램으로 바꿔 설비 변경에 대응할 수 있다.
• 배선이 줄고 상태 진단과 고장 기록이 가능하다.
• 통신 기능으로 상위 감시 시스템과 연결된다.

한편, 전력선통신(PLC, Power Line Communication)은 같은 약어를 쓰지만 다른 기술이다. 전력선통신은 전력선에 고주파 신호를 실어 통신하는 방식이고, 프로그래머블 로직 컨트롤러는 제어장치다. 답안에서는 두 용어를 명확히 구분해 적어야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

PLC는 입력 신호를 읽고, 저장된 프로그램으로 논리를 처리한 뒤, 출력 신호로 외부 기기를 구동하는 반복 연산 장치다. 기본 구성은 CPU, 입력 모듈, 출력 모듈, 전원부, 프로그래밍 장치와 메모리로 나뉜다. 건축전기설비에서는 자동화 제어반의 중심 제어기로 쓰인다.

이 구성요소 표는 기능과 연결 대상을 함께 정리한 것이다.

표 아래 설명: CPU와 입출력 모듈이 PLC의 핵심이며, 전원부와 메모리는 이를 뒷받침한다. 모듈형 PLC는 이 구성을 랙에 조합하여 입출력 수를 늘린다.

PLC의 기본 동작은 스캔(scan) 사이클로 설명한다. 한 번의 스캔은 입력 읽기, 프로그램 실행, 출력 갱신 순으로 진행되고 이를 무한 반복한다.

• 입력 상태를 입력 이미지 메모리에 일괄 저장한다.
• 사용자 프로그램을 위에서 아래로 실행하여 출력 값을 계산한다.
• 계산된 결과를 출력 이미지 메모리에서 출력 모듈로 한꺼번에 내보낸다.
• 자기진단과 통신 처리를 수행한 뒤 1번으로 돌아간다.

스캔 방식은 입력 변화를 주기 단위로 묶어 처리하므로 응답 지연이 스캔 주기만큼 생긴다. 이 지연이 제어 응답 시간의 기준이 된다.

입출력부는 외부 기기와 내부 CPU를 전기적으로 분리해야 한다. 내부 동작전압(주로 5V)과 외부 기기 전압을 다르게 쓰고, 포토커플러로 신호만 전달하여 잡음과 과전압이 CPU로 들어가지 않게 한다. 입출력 모듈에는 상태를 보이는 LED 표시등을 붙인다.

PLC는 입력 → 프로그램 연산 → 출력을 주기적으로 반복하는 스캔 방식 제어기다.

설치 시에는 인버터와의 노이즈 간섭을 줄여야 한다. PLC는 규정된 접지를 따로 하고, 인버터와 공통 접지선을 쓰지 않으며, 배선은 인버터 배선과 분리한다. 전원 품질이 나쁘면 노이즈 필터와 리액터를 전원 모듈과 입출력 모듈 전원선에 넣는다. 신호선은 차폐선과 트위스트 페어를 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

PLC 자체를 직접 규정하는 법령은 없다. 설치 관점에서는 전기설비 기준과 전자파 적합성(EMC) 기준이 관련된다. 건축전기설비에서는 한국전기설비규정(KEC)에 따른 접지·배선 조건을 따르고, 인버터와 함께 설치하는 경우 EMC 시험 기준으로 고조파 전류 방출을 확인한다.

표 아래 설명: IEC 61000-3-2는 입력 전류 16A 이하 장비의 고조파 한도를 정한다. 16A를 넘는 장비는 IEC 61000-3-12를 따른다. 설치 현장에서는 접지 분리와 노이즈 필터 설치가 실제 점검 항목이 된다.

판별 기준은 두 가지다. 입출력 전압과 CPU 전압의 분리 여부, 그리고 고조파 한도 적용 대상이 16A 기준 위인지 아래인지다.

고조파 한도는 IEC 61000-3-2에서 2차부터 40차까지 정해진다. 이 값은 전력 품질 측면의 판단 기준이므로 설계 단계에서 장비 정격전류로 대상 기준을 먼저 고른다.