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[국내] PLC를 이용한 온도 제어 솔루션
2011년 6월 23일 (목) 16:19:49 |   지면 발행 ( 2011년 5월호 - 전체 보기 )



LS산전Automation Control 연구팀선임연구원 신용각

공정 제어는 산업 생산 프로세스를 대상으로 하는 자동 제어의 총칭으로, 간단한 제어 시스템들을 통합해 공장 전체의 최대 생산과 이익을 위해 대규모 제어하는 데 목적이 있다. 온도는 공정 제어 대상인 여러 요소 중 많은 비중을 차지하기에, 온도 제어 기기는 공정 제어 장치의 기본 구성 요소로 다양하게 응용됐다. 온도 제어 기기는 공정 제어 기기 개발 분야 중 선두에 있으며, 이러한 추세는 지금도 마찬가지다.

식품 포장 기계, 각종 공업 요로, 반도체 제조장치, 플라스틱 성형 기계, 이과학기기 등 여러 분야에 걸쳐 온도 제어 기기를 이용한다. 또한, 습도와 압력 등 여러 가지를 입력하고 제어할 수 있어 폭넓은 용도로 사용한다. 최근 고기능 · 소형화 · 저비용화로 진전됨에 따라 생산 시스템의 네트워크화를 구축하고자 통신에 의한 온도 제어기기와 퍼스널 컴퓨터 · PLC와의 연결 용이성과 친화성을 요구하는 추세다. 이와 같은 요구를 충족시키고자 LS산전에서 고성능 온도 제어 모듈 2종을 개발해 상품화했다.

현재 PLC에서 온도 조절을 위한 방법으로 PID제어를 가장 보편적으로 사용한다. PID 제어란, 제어 대상을 목표 값으로 유지하고자 검출부에서 측정된 값(현재 값)과 미리 설정된 값(목표 값)을 비교해 현재 값과 목표 값에 차가 생기면, 컨트롤러가 그 차를 없애고자 출력을 조정해 현재 값이 목표 값이 되게 하는 제어 동작을 말한다. 비례 동작(P) · 적분 동작(I) · 미분 동작(D)을 조합시킨 제어다. 현재 값과 목표 값에 차가 생기는 경우, 그 차를 기본으로 비례 계수 · 적분 계수 · 미분 계수를 산출해 조작 값을 출력한다(<그림 1> 참조).
통상 PLC를 이용해 온도를 조절하려면 온도를 디지털 값으로 변환하는 아날로그 입력 모듈, 변환된 디지털 값으로 PID 연산을 수행하는 PID 제어모듈, 연산을 수행한 PID 값으로 출력하기 위한 아날로그 출력 모듈이 필요했다. 아날로그 입력 모듈은 현재 사용하는 센서가 측온 저항체일 때에는 측온 저항체 모듈을, 열전대일 때에는 열전대 모듈을 선택해 센서 신호를 변환기(Transducer)에 연결해 해당 신호를 전류나 전압으로 바꾸어 주는 응용에서 아날로그 입력 모듈을 사용해야 했다.
이러한 온도 조절을 효율적으로 구성해 별도의 아날로그 변환 모듈을 장착하지 않고, 한 개의 온도 제어 모듈로 열전대 · 측온 저항체 · 전류/전압입력을 모두 처리하고, 입력 신호를 PID 연산하며, 연산을 수행한 PID 값을 아날로그 신호로 출력하는 기능을 가진 제품을 개발했다. 이로써 온도 조절 장치 구성의 비용과 경제성을 높이고, 제어 성능도 함께 개선했다.
기존 구성에서 입력 · 제어 · 출력을 위한 모듈의 입출력 값들은 PLC CPU를 통해 전달되므로, PLC 사용자 프로그램의 스캔 속도는 제어 성능에 영향을 주기도 한다. 즉, PLC 사용자 프로그램의 스캔 속도가 짧으면 제어 주기도 짧아지므로 원활한 성능을 내지만, PLC 사용자 프로그램의 스캔속도가 길어지면 제어 주기도 함께 늘어나므로 제어 성능에 영향을 미칠 수 있다.

PLC 온도제어모듈
온도 제어 모듈은 이러한 구조적인 문제점의 개선과 함께 PLC를 이용해 온도 조절을 목적으로 하는 응용에 적합한 해법을 제공한다. LS산전에서 개발한 온도 제어 모듈은 2종으로, <그림 2>에 나타낸 것과 같이 유니버설 입력 형태의 모델명'XGFTC4UD'와 측온 저항체 입력 형태의 모델명'XGF-TC4RT'가 있다. 그 특징은 다음과 같다.

최적의 온도 제어 가능 | 자체 입/출력 기능 내장으로 PID 연산에 필요한 값을 설정하는 것만으로 온도 제어가 가능.
유니버설 입력 | 열전대, 측온 저항체, 전압, 전류입력을 모두 처리할 수 있음(XGF-TC4UD). 3가지 측온 저항체 입력이 가능(PT100, jPT100, PT1000(XGF-TC4RT)).
입력 채널 간 절연 | 입력 채널 간 간섭 없이 높은 신뢰도의 신호 처리가 가능.
두 종류의 제어 출력 | 제어 출력 형태로 전류 출력과 트랜지스터 출력을 선택할 수 있음(XGFTC4UD). 단, XGF-TC4RT는 트랜지스터 출력.
전용 소프트웨어 패키지에 의한 운전 파라미터 설정/감시 | 기존 명령어에 의한 운전 파라미터 설정을 사용자 인터페이스를 강화한 전용 패키지를 이용해 조작하게 함으로써 사용자의 편의성을 강화.

다양한 제어 형태 제공 | PID 제어, 온-오프 제어, 캐스케이드 제어(XGF-TC4UD).
단선 검출 기능 | 온도 입력 범위, 0~10㎷, 0~100㎷, 0~1V(XGF-TC4UD).
다양한 입력 연산 기능 | 바이어스, 평균 처리, 제곱근 추출(XGF-TC4UD).
오토 튜닝 기능 | 오토 튜닝에 의한 PID 계수 산출이 가능.

XGF-TC4UD는 4채널 입력에 8채널 출력으로 PLC 베이스의 2개 슬롯을 점유한다. 고속 · 고정밀 측정과 제어를 원하는 고객 요구를 반영해 제어 주기는 200㎳/모듈로 최고 수준이며 정밀도도 높은 수준을 만족한다(<표 1> 참조).
XGF-TC4RT는 4채널 입력에 4채널 출력으로 1개의 슬롯을 점유한다. 제어 주기는 400㎳/모듈이며, 정밀도는 ±0.2%를 만족한다(<표 2> 참조).
<표 3>은 온도 제어 모듈의 주요 기능을 XGFTC4UD를 기준으로 제시한 것이다. 온도 제어에 필요한 입력 · 제어 · 출력 · 경보에 해당하는 기능을 많이 구현한 것을 확인할 수 있는데, XGF-TC4RT는 이들 기능 중 캐스케이드 기능과 같이 제어 설정에 해당하는 일부 기능이 들어 있지 않은 차이가 있으나, 기능 대부분은 그 프레임을 같이한다.

온도제어설정을 위한 소프트웨어 패키지
XG-TCON은 LS산전의 XGT PLC 시리즈 온도제어 모듈 동작과 모니터를 위한 기능을 모은 소프트웨어 패키지다. XGT PLC 시리즈의 프로그램을 작성하고 디버깅을 하는 소프트웨어인 XG5000과 별개로 온도 제어 모듈을 독립적으로 운전시키는 기능을 제공한다. XG-TCON에서 운전 파라미터 설정과 데이터 모니터를 쉽고 빠르게 수행하며, 사용자가 래더Ladder 프로그램을 작성하지 않고도 손쉽게 온도 제어를 시작하는 그래픽 환경을 지원한다. 한 프로젝트에 최대 7개의 베이스와 11개의 슬롯을 제공해 최대 48개 모듈을 장착해 운용하며, 동시에 편집 · 모니터 · 관리도 할 수 있다. 또한, 프로그램 편집과 검사 등을 쉽게 할 목적으로 다양한 메시지를 제공한다.


* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

XG-TCON은 PC에서 구동되는 것을 기본으로 하며, LS산전의 XGK · XGI 및 XGR 시리즈의 CPU와 통신을 통해 장착한 온도 제어 모듈의 기능을 쉽고 빠르게 사용하도록 해준다. 지원하는 통신접속 방법으로 RS-232C · USB · Ethernet · Modem · 증설 베이스 USB가 있으며, XG-TCON의 주요 기능은 다음과 같다.

•모듈 파라미터 읽기/쓰기
•모듈 파라미터 편집/저장
•제어 데이터 모니터
•제어 데이터 그래프 작성
•모듈 상태 모니터
•모듈 동작 이력 표시

<그림 3>에 XG-TCON의 실행 화면을 나타냈다. 왼편에 보이는 프로젝트창에 해당 모듈을 등록해 입력 · 제어 · 출력 파라미터를 설정할 수 있다.
각 파라미터 종류별로 설정 가능한 정보는 다음과 같다.

입력 파라미터 | 입력 종류, 입력 처리, 입력 경보, 냉 접점 보상.
제어 파라미터 | 오토 튜닝, 목표 설정, 제어 설정, 제어 계수.
출력 파라미터 | 출력 설정, 가열 출력, 냉각 출력, 출력 경보.

이러한 설정 방식은 온도 제어에 필요한 많은 파라미터를 쉽게 구성하고 파악하게 함으로써 사용 편의성을 크게 높인다.

온도 제어 응용
<그림 4>에 XGF-TC4UD를 이용해 항온 장치를 제어하는 예를 나타냈다. <그림 4>와 같이 온도 제어 모듈은 루프 0에 접속된 T타입 열전대로 항온장치 온도를 입력받으며, 가열/냉각 출력 제어를 통해 200℃의 온도를 ±1.0℃ 오차로 유지시키는 시스템이다. 가열/냉각 출력 형태로 아날로그 출력을 사용했다. 사용자가 원할 때 오토 튜닝을 통해 PID 계수를 추출할 수 있다. LS산전의 오토 튜닝은 총 8단계로 구분되며, 사용자는 오토 튜닝을 동작시킨 후 각 단계의 증가만 모니터하면 된다. <그림 5>는 오토 튜닝 시 상태에 관한 그래프다.

입력 파라미터 설정 | 루프 0의 입력 타입을 열전대 T타입으로 선택한다.

제어 파라미터 설정 | 불감대를 10(1.0℃)으로 설정, SV(제어 목표)를 2000(200.0℃)으로 설정, Kp(비례 계수)를 1000(1.000)으로 설정, Ti(적분계수)를 1000(1.000)으로 설정.
출력 파라미터 설정 | 출력 설정에서 가열/냉각을 선택한다.

*

넓은 제어 범위와 간편한 설정은 온도 제어를 필요로 하는 모든 사용자의 공통 요구이며, LS산전의 온도 제어 모듈은 이러한 요구에 충실한 제품이다.
XGT PLC의 강력한 내장형 PID 기능은 모듈형 온도 제어기의 심장으로 들어왔으며, 온도 제어의 편의성을 위해 오토 튜닝 · 과적분 방지 · 트랜드 모니터 · 캐스케이드 제어와 같은 기능을 제공한다. 온도 제어 모듈의 활용도를 높인 온도 제어 소프트웨어 XG-TCON은 온도 제어기의 조작성뿐만 아니라 모니터와 관리에 필요한 기능까지 사용자의 편의성을 향상시킨 제품이다. PLC와 연결을 통해 완벽하게 데이터를 수집 · 활용하는 온도 제어 모듈은 PLC를 제조하는 업체에서만 제공할 수 있다. 이에 LS산전의 온도 제어 모듈은 광범위한 온도 제어에 적용하도록 개발했으며, XGT PLC의 내장형 PID와 함께 상호 보완적인 위치에서 온도 제어 솔루션을 제공한다.

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