#42 — 자기회로: 자기장을 위한 고속도로 설계하기 #42 — 자기회로 해석과 설계 응용 자기장을 위한 고속도로 설계하기: 자기회로(Magnetic Circuit)의 이해 🔑 자기회로(Magnetic Circuit) 란 자속(Magnetic Flux)이 흐르는 통로를 전기회로처럼 모델링하여 분석하는 기법입니다. 전기회로의 전류가 전선을 따라 흐르듯, 자속은 철심(Core)과 같은 강자성체를 따라 흐르려는 성질을 이용합니다. 🎯 왜 알아야 할까요? 실제 인덕터나 변압기를 설계할 때, "코일을 몇 번 감아야 원하는 성능이 나올까?" 혹은 "철심의 크기는 얼마나 커야 할까?"라는 질문에 답하기 위해 반드시 필요합니다. 복잡한 전자기학 수식을 전기회로의 '옴의 법칙' 수준으로 단순화시켜 주는 마법 같은 도구이기 때문입니다. 목차 1. 자기회로 비유: 자기장을 위한 전용 도로 2. 전기회로 vs 자기회로: 놀라운 평행이론 3. 자기저항(Reluctance): 도로의 정체 구간 4. 설계 응용: 공극(Air-gap)의 비밀 1. 자기회로 비유: 자기장을 위한 전용 도로 자기장은 사방으로 퍼지려는 성질이 있지만, 철심(Iron Core) 을 만나면 그 속으로만 흐르려고 합니다. > 고속도로 비유: 자속($\phi$)을 자동차라고 한다면, 공기 중은 울퉁불퉁한 산길이고 철심은 탁 트인 8차선 고...
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엔지니어 로드맵 #18 : PLC 기초: 입력, 출력, 논리 구조
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#18 — PLC 기초: 입력, 출력, 논리 구조
#18 — PLC 기초: 입력, 출력, 논리 구조
산업 현장 PLC 활용 필요성, 센서/액추에이터 결선, 트러블슈팅, 선정 및 배선 실무
💡 PLC는 산업 자동화의 두뇌로, 신뢰성·안정성·유연성에서 타 제어기 대비 압도적 우위를 지닙니다.
① PLC의 탄생 배경과 산업 현장에서의 필요성
PLC(Programmable Logic Controller)는 1960년대 후반, 미국 제너럴모터스(GM)의 생산 라인에서 기계식 릴레이 제어 시스템을 대체하기 위해 처음 개발되었습니다.
당시 릴레이 회로는 수백 개의 접점이 얽힌 복잡한 배선으로 구성되어, 설비 변경이나 유지보수가 매우 비효율적이었습니다.
이에 따라 GM은 “배선을 수정하지 않고도 논리를 바꿀 수 있는 제어기”를 요구했고, 그 결과 ‘소프트웨어로 제어 논리를 바꿀 수 있는 PLC’가 탄생했습니다.
⚙️ PLC를 현장에서 사용할 수밖에 없는 이유
높은 신뢰성과 내환경성 — 산업용으로 설계되어 진동, 온도, 전기적 노이즈에 강함.
실시간 제어 — 마이크로초 단위의 신호 처리로 모터, 밸브, 센서 등을 즉시 제어 가능.
유지보수 용이성 — 회로를 변경하지 않고도 프로그램 수정으로 논리 변경 가능.
확장성 — I/O 모듈을 추가해 간단히 시스템 확장 가능.
표준화된 통신 — Modbus, EtherNet/IP, Profibus 등 다양한 필드버스 통신 지원.
안전 제어 통합 — Safety PLC를 통해 비상정지(E-Stop), 인터록 회로를 통합 관리 가능.
② PLC 선정 과정
PLC를 선정할 때는 단순히 브랜드나 가격만 고려하지 않고, 설비 환경, 사용 인력의 숙련도, 유지보수 정책 등 다양한 요소를 종합적으로 판단해야 합니다.
🏭 주요 제조사별 PLC 특징 요약
제조사
대표 제품군
주요 통신 방식
소프트웨어
특징
Siemens
S7-1200 / S7-1500
PROFINET, PROFIBUS
TIA Portal
산업 표준, 글로벌 점유율 1위, 대형 설비에 강함
Allen-Bradley (Rockwell)
MicroLogix / CompactLogix / ControlLogix
EtherNet/IP, ControlNet, DeviceNet
RSLogix / Studio 5000
미주 중심, EtherNet/IP 통합성이 우수
Mitsubishi Electric
FX / Q / iQ-R Series
CC-Link, Modbus TCP
GX Works2/3
중소형 설비에 강점, 아시아 공장에 광범위한 설치 기반
LS Electric
XGB / XGK / PLC-iG5A
R-NET, Modbus RTU/TCP
XG5000
국내 설비 친화적, 유지보수와 부품 수급이 용이
OMRON
CP1 / CJ2 / NX Series
EtherCAT, FINS, Modbus
CX-Programmer / Sysmac Studio
고속 제어, 로봇·비전 시스템과의 통합에 강점
각 제조사는 고유한 통신 방식(CC-Link, R-Net, PROFINET 등)을 보유하고 있으며, 이는 센서·액추에이터·인버터와의 호환성에 직접적인 영향을 줍니다.
예를 들어, 10m 이상의 거리에서는 RS-232보다 RS-485나 이더넷 기반 통신(Modbus TCP, EtherNet/IP)을 권장하며,
일부 PLC는 장거리 통신 안정성을 확보하기 위해 리피터·아이솔레이터 구성이 필요할 수 있습니다.
최종적으로 PLC를 선정할 때는 단순히 브랜드를 고수하기보다는, 설비 구조·운영 인력의 숙련도·유지보수 정책을 종합적으로 고려하는 것이 핵심입니다.
일반적으로 현장에서는 기존에 사용해왔던 제조사와 호환성을 유지하는 방향을 권장합니다.
③ 입력/출력 모듈과 결선
PLC 제어에서는 입력과 출력 모듈 사양 확인이 필수입니다.
특히 센서 타입(PNP/NPN), 신호 형식(전압/전류/저항)과 액추에이터 구동 방식에 따라 모듈 선정이 달라집니다.
배선 예시 — NPN 센서, 솔레노이드, PLC 입력/출력 모듈
센서 입력 결선
센서의 전원 공통(Common) 단자는 PLC 입력 모듈이 요구하는 +24V DC 라인(PWR +)에 연결합니다.
센서의 출력 신호 단자는 PLC 입력 모듈의 NPN 입력 단자에 연결합니다.
PLC 입력 모듈의 공통(Common) 단자는 센서 전원과 동일한 +24V 라인과 연결됩니다.
⚡ 실무 포인트: 이렇게 하면 센서가 ON 될 때 NPN 입력이 접지(0V)에 연결되어 PLC가 ON 신호를 정확히 인식합니다.
액추에이터 출력 결선
솔레노이드 등 DC 구동 장치의 공통단자(Common)는 +24V 라인에 연결합니다.
PLC 출력 모듈의 출력 단자(NPN 타입)를 액추에이터의 신호 입력 단자에 연결합니다.
PLC가 출력 신호를 활성화하면, NPN 출력이 접지(0V)로 끌어주면서 솔레노이드에 전원이 인가되어 액추에이터(실린더)가 작동합니다.
⚡ 실무 포인트: NPN 출력은 접지 스위칭 방식으로, PLC가 OFF 상태일 때 전류가 흐르지 않으므로 안전하게 동작하며, 소프트웨어 신호와 실제 전류 흐름을 일치시켜 설계합니다.
④ 통신 I/O 및 필드버스
직렬/이더넷 — 통신 규격(RS-232/485, Modbus RTU/TCP, EtherNet/IP)을 양쪽 장치가 지원해야 함.
⚡ 실무 포인트: 10m 이상의 거리에서는 RS-232 통신 권장하지 않음.
필드버스 — CC-Link, Profibus, R-Net 등, 여러 장치를 하나의 네트워크로 연결 가능
⑤ 안전 I/O 설계
비상정지(E-Stop), 인터록 등 안전 I/O는 PLC 제어 설계 시 반드시 고려해야 합니다.
⚡ 실무 포인트: 안전 PLC에서는 PNP 타입 센서를 선호, 단선 시 회로 차단으로 이상 즉시 감지 가능.
NPN 센서 단선 시에는 PLC가 지속 ON 신호로 인식할 수 있어 안전 회로에 부적합.
⑥ 실무 트러블슈팅 포인트
센서 ON/OFF 신호 확인: PNP/NPN 타입에 따른 입력 모듈 매칭
액추에이터 동작 확인: 출력 모듈 NPN/PNP와 공통단자 결선 검증
통신 신호 이상 점검: 장거리 RS-232 사용 금지, 차폐 케이블 사용
PLC 소프트웨어 로직 점검 이전에 배선/모듈 사양 확인 필수
⑦ 센서/액추에이터 I/O 표
센서/액추에이터
출력 타입
필요 입력 모듈
케이블
주의사항
근접센서(24V PNP)
PNP 디지털
DI PNP형 또는 범용
3-core screened
단선/쇼트 검토
온도 RTD(3선)
저항(PT100)
RTD 입력 모듈
4-core shielded
케이블 저항 보상 필요
유량계(4-20mA)
4-20mA
AI 4-20mA
2-core twisted shield
장거리 전송 가능
⑧ PLC 논리 구조 이해
PLC는 입력 → 논리 처리 → 출력의 구조로 동작합니다. 입력 모듈이 센서와 스위치 신호를 읽고,
프로그램 로직에서 조건을 처리하며, 출력 모듈을 통해 액추에이터를 구동합니다.
① 입력(Input)
디지털 입력: ON/OFF 신호 (NPN/PNP 타입)
아날로그 입력: 4~20mA, 0~10V, RTD, 열전대 등
② 논리 처리(Logic)
래더(Ladder) 또는 펑션 블록(Function Block) 방식
기본 논리: AND, OR, NOT, Timer, Counter
실무 포인트: 기존 릴레이 논리를 소프트웨어로 대체하여 배선 변경 없이 설비 로직 수정 가능
③ 출력(Output)
디지털 출력: NPN/PNP, PLC 출력 모듈과 액추에이터 결선 필수
아날로그 출력: 전류/전압 제어
안전 출력: E-Stop, 인터록 회로 관리
⚡ 입력 → 논리 → 출력 예시
센서가 ON → PLC 입력 모듈에서 신호 감지 → 내부 논리 처리(AND/OR 조건 등) → 출력 모듈 활성화 → 솔레노이드 동작 실무 포인트: 논리 구조를 이해하면 하드웨어 배선 오류, 센서 이상, 출력 장치 문제를 신속히 추적 가능
#26 — NPN/PNP 센서 실전 결선과 트러블슈팅 #26 — NPN/PNP 센서 실전 결선과 트러블슈팅 NPN/PNP 센서 실전 결선과 트러블슈팅 💡 NPN과 PNP 센서는 산업 자동화의 기본 센서입니다. 올바른 결선 방식(싱크/소스)을 이해하고, 센서와 PLC의 입출력 모듈 타입을 일치시키는 것이 안정적인 시스템 구축의 핵심입니다. 오토닉스 센서 결선 참고 자료 목차 1️⃣ NPN vs. PNP: 기본 원리와 차이점 2️⃣ NPN/PNP 센서의 실전 결선 (싱크/소스) 3️⃣ PLC 입출력 모듈과의 호환성 4️⃣ 실전 트러블슈팅: 오작동 및 미작동 5️⃣ 센서 결선 시 안전 고려 사항 6️⃣ 3선식 센서 결선 예시 1️⃣ NPN vs. PNP: 기본 원리와 차이점 산업용 센서는 주로 트랜지스터 출력을 사용하며, 크게 NPN 타입과 PNP 타입으로 나뉩니다. 이 두 타입은 센서가 동작했을 때 출력 신호의 전류 방향과 전압 극성에 의해 구분됩니다. NPN (싱크/Sink 타입): 센서가 동작하면 출력선(신호선)이 GND (0V, 마이너스)에 연결되어 부하 쪽으로 전류를 끌어당깁니다. 신호가 ON일 때 저전위(0V)가 나옵니다. PNP (소스/Source 타입): ...
마스터 엔지니어 로드맵 #1 — 전류와 전압 기초 마스터 엔지니어 150일 로드맵 #1 전류와 전압 — 기초 개념 재정립 및 실전 적용 1️⃣ 전류와 전압의 시작 2️⃣ 전류의 본질과 NPN/PNP 센서 결선 3️⃣ 전압의 본질과 스타 접지 4️⃣ 옴의 법칙과 실무 적용 5️⃣ 실무 응용 사례 6️⃣ 마무리 참고 문헌 1️⃣ ‘아는 것 같지만 모르는’ 전류와 전압 “전류는 전자의 흐름, 전압은 전위를 뜻한다.” 이 문장은 너무 익숙하다. 그러나 막상 회로를 설계하거나 제어기를 디버깅할 때, 이 두 개념을 정확히 이해하고 적용하지 못해 문제를 겪는 경우가 많다. 예를 들어, PLC 입력이 정상인데 모터가 반응하지 않는다. 이럴 때 단순히 부품을 의심하기보다, ‘전류가 제대로 흐르고 있는가?’ 그리고 그 전류를 움직이는 ‘전위차(전압)’가 존재하는가?를 분석해야 한다. 2️⃣ 전류의 본질과 NPN/PNP 센서 결선 전류(Current)는 시간당 도체를 통과하는 전하의 양입니다. 전류는 보이지 않지만, 우리가 작동시키는 모든 기계의 생명선입니다. 전류의 방향은 양전하가 이동하는 방향으로 정의되지만, 실제로 흐르는 것은 전자(음전하)입니다. 실전 예시: PLC 센서 결선 PNP(소스형) : 센서 → PLC 입력 C → PLC 입력, E → GND, B → 트리거 신호 NPN(싱크형) : PLC → 센서 C → GND, E → PLC 입력, B → 트리거 신호 이처럼 C/B/E 단자를 정확히 이해하고 연결해야 센서 입력과 PLC가 올바르게 통신할 수 있습니다. 3️⃣ 전압의 본질과 ...
#34 — 전위와 전위차, 전기 에너지 저장 #34 — 전위와 전위차, 전기 에너지 저장 전위(Electric Potential): 전계 속의 '전기적 높이' 🔑 전위($V$)는 전계($E$) 내에서 단위 전하($1\text{C}$)가 가지는 전기적 위치 에너지를 의미하며, 이는 전계의 방향과 상관없이 스칼라 값으로 정의되어 계산을 단순하게 만듭니다. 전위차(전압)는 전하를 움직이는 '힘의 근원'이 됩니다. 목차 1. 전위(V)와 전위차(전압)의 개념 2. 전위의 수학적 정의: '일'과의 관계 3. 전기 에너지의 저장: 축전기(Capacitor) 4. 축전기에 저장된 에너지 1. 전위($V$)와 전위차(전압)의 개념 우리가 살고 있는 세계에 '중력장'이 있다면, 전기에는 '전계'가 있습니다. 전위는 이 전계 내에서 전하가 가지는 잠재적인 에너지 상태를 설명합니다. 💡 전위 비유: 중력과 고도(높이) 전위($V$)는 마치 지구상의 '고도(높이)'와 같습니다. 고도가 높은 곳(높은 전위)에 있는 물체(전하)는 아래로 떨어지려는 잠재적인 힘(에너지)을 가지고 있습니다. 높은 전위에서 낮은 전위로 전하가 이동할 때, 그 잠재적인 에너지를 '일'로 바꾸게 됩니다. ...
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