시퀀스 제어의

기초에서 응용까지

(PLC 프로그래밍 실습)

최교호 저

내하출판사

머리말

스위치나 버튼을 사용한 전기회로의 부하 운전, 부하 운전 상태나 고장상태의 알림 등 자동화 기술의 하나로 공장에서부터 가정에 이르기 까지 현대에 사용되는 전기회로의 대부분은 시퀀스 제어 회로로 구성되어 있다. 각종 시스템에서 시퀀스 제어 회로를 채용함으로써 인간은 단순 노동과 힘든 일을 모두 기계에게 맡기고 고도의 사고를 요하는 일만을 분담하게 되었을 뿐만 아니라 생산 제품의 품질 향상, 생산 속도, 능률 및 경제성을 향상시키게 되었다.

시퀀스제어에 사용되는 기기들의 발전과정을 살펴보면 1960년 이전까지는 릴레이(relay)를 이용한 유접점 릴레이 시퀀스(relay sequence)가 그 주류를 이루었으며 1960년대 들어서 IC(Integrated Circuit : 집적회로)의 개발에 힘입어 유접점 릴레이 시퀀스에서 무접점 로직 시퀀스(logic sequence)로의 변화가 시작되었고, 1970년대 들어와서 급격한 산업사회의 발전에 따른 대규모, 고도화, 복잡화에 따라서 다양한 형태의 제어 시스템이 요구되면서 제어시스템의 변경에 손쉽게 대응할 수 있는 PLC(Programmable Logic Controller)가 출현하게 되어 기존의 하드웨어(hardware)적인 시퀀스에서 소프트웨어(software)적인 시퀀스 시스템으로 탈바꿈하게 되었다.

이러한 시퀀스제어 기술의 적용 분야로는 기계산업, 식료산업, 제철산업, 섬유․화공산업, 자동차산업, 선박․조선산업, 가전산업 뿐 아니라 물류산업에 이르기까지 시퀀스 제어 기술자의 직업 능력을 요구하는 분야는 전 산업분야라 해도 과언이 아니다.

이러한 시대적 요구에 부응하는 해당 기술을 터득하고자 하는 학생, 자격증 취득 수험생 및  해당 산업 종사자에게 보다 손쉽게 접근할 수 있도록 다음과 같은 내용으로 구성하였다.

●시퀀스 제어의 기초학습을 위해 먼저 제어회로에 사용되는 시퀀스 제어용 기기 에 대하여 종류와 시퀀스 기호, 실물 사진을 덧붙여 손쉬운 이해를 돕고자 하였다. 기본 논리 회로/시퀀스 제어의 기본회로/응용회로를 각 장으로 나누어 진도별 학습이 가능하도록 하였다.

●해당 전공 저학년 대학생의 시퀀스 제어의 개념 정립과 더불어 기사자격증의 취득에 도움을 주고자 시퀀스 이론 위주의 장(chapter) 뒤에는 예상 시험 문제를 덧붙였다.

●대학 졸업예정자나 PLC 실무 초보 종사자에게는 실습을 통한 PLC 프로그램밍 실력을 향상시킬 수 있도록 이 책에 수록된 시퀀스 제어 회로의 LD(Ladder Diagram) 프로그래밍에서부터 PLC 회로 결선도까지 덧붙여 상세히 설명하였다.

비록 어려운 상황 속에서도 진취적 기상으로 밝은 미래를 갈망하는 젊은 청년들에게 이 한 권의 책이 희망 등대와 같은 안내자가 되길 소망해 봅니다.

끝으로 수많은 날들을 밤늦게까지 편안한 마음으로 연구할 수 있게 해준 아내와 우리들의 보배 세 아이와 이 자그마한 매듭의 결실을 같이 나누고 싶습니다. 그리고 항상 많은 조언과 지도편달 아낌없이 해주시는 동료 교수님들과 이 책의 출간에 많은 도움을 주신 내하출판사 모흥숙 사장님 및 직원 여러분에게 심심한 감사의 뜻을 전합니다.

2006. 2

저자 씀.

제1장 시퀀스 제어의 개요

1.1 자동 제어

1.1.1 자동 제어의 정의

먼저 제어란 영어로는 컨트롤(control)이라 하며 ‘조절하다’ 또는 ‘억제하다‘등의 의미를 가지고 있다. 즉, 제어란 어떤 물리량을 원하는 상태로 조절하는 것을 의미하며, 제어공학으로서 제어의 의미는 기계, 기구 또는 생산설비 등 각종 장치에 있어서 그 동작이나 상태를 필요에 따라 가감 조절하는 동작을 뜻한다.

이러한 제어를 인간의 힘으로 하지 않고 특별히 고안된 기기 등을 통하여 수행할 수 있는 것을 말하며, 시퀀스제어는 자동제어의 한 분야이다.

+

1.1.2 자동제어의 분류

자동제어란 제어를 자동적으로 행하는 것을 의미하며 분류방법에 따라 여러 종류로 나뉜다.

1. 되먹임(궤환, feedback) 유무에 따른 분류

자동제어를 되먹임의 유무에 따라 개루프 제어(open loop control)와 폐루프 제어(closed loop control)의 두 가지로 분류된다. 그림 1.1은 이들을 나타낸다.

제어기

제어대상

기준입력

출력

제어기

제어대상

기준입력

출력

+

-

(a) 개루프 제어

(b) 폐루프 제어

그림 1.1 개루프 제어와 폐루프 제어의 블록선도(Block Diagram)

그림의 상자부분은 하나의 기능을 표현하고 연결선의 화살표시는 신호의 흐름을 나타내고 있다. 즉 제어기에서 나온 신호는 제어대상을 통하여 진행된다. 제어기는 제어대상에 조작량을 가하는 것으로 제어를 행하는 장치를 말한다. 제어대상이란 제어의 대상이 되는 것으로 기계, 플랜트(plant), 프로세스(process) 혹은 시스템 일부 또는 전부를 가리킨다. 개루프 제어에서는 오른쪽의 상자에서 왼쪽의 상자로의 역류는 없으며 시간이 경과됨에 따라 왼쪽에서 오른쪽으로만 진행할 뿐이다. 이에 반해서 폐루프 제어에서는 왼쪽상자에서 오른쪽으로 진행할 뿐만 아니라 루프를 통해서 역으로 오른쪽 상자에서 왼쪽 상자로 흐르게 된다.

개루프 제어에서는 시퀀스제어(sequence control)가 있고, 폐루프 제어에서는 피드백 제어(feedback control) 등이 있다. 표 1.1은 시퀀스 제어와 폐루프 제어를 비교 설명하고 있다.

표 1.1                    시퀀스 제어와 폐루프 제어의 비교

제어의 종류	정 의	제어의 예
시퀀스 제어	미리 정해진 순서 또는 일정한 논리에 의해 정해진 순서에 따라 프로세스 제어의 각 단계를 차례로 진행하는 제어
	(1) 순서 제어 기기를 정해진 순서로 동작시키는 제어	․모터나 기계의 순서기동 ․네온사인
	(2) 조건 제어 정해진 조건이 성립되면 기기를 동작시키는 제어	․일반적인 기계 제어
	(3) 시간 제어 어떤 기기의 동작에서 정해진 시간 이후에 다음의 기기를 동작시키는 제어	․교통신호기 ․세탁기
피드백 제어	제어계의 출력이 기준입력과 일치하는가를 항상 비교하여 일치 않을 때에는 그 차이를 보정하여 그 오차를 없애도록 하는 되먹임루프를 갖는 제어	․속도 제어 ․위치 제어 ․온도 제어 ․압력 제어 ․유량 제어

2. 목표값(기준입력)에 따른 분류

목표값(기준입력)의 특성에 따른 분류로 정치 제어, 추종 제어, 비율 제어, 프로그램 제어 등이 있다.

정치 제어(constant value control)란 목표값 즉 출력을 기준 입력과 같도록 유지하는 것을 목적으로 하는 제어이다. 이때 기준입력은 시간에 따라 변화하지 않는 특성이 있다.

추종 제어(follow up control)라고 하는 것은 기준입력이 시간에 따라 변화하는 것으로 출력도 이에 따라가게 변동하도록 하는 즉, 출력이 기준입력을 추종하도록 하는 제어로써 군사용의 미사일 제어 등이 여기에 속한다.

비율 제어(proportion control)는 다른 것과 일정 비율 관계를 가지고 기준입력이 있을 때 이 기준입력에 따라가게 하는 제어를 말하며, 화학공정에 주로 이용된다.

프로그램 제어(program control)는 미리 정해진 프로그램을 기준입력으로 하여 출력이 이를 따라가게 하는 제어방식으로 선박이나 항공기의 자동항법시스템 등이 여기에 속한다.

3. 제어량의 성질에 따른 분류

제어하고자 하는 제어량의 특성에 따라 프로세스 제어, 서보 제어, 자동조정 제어 등으로 구분할 수 있다.

물리적 혹은 화학적 처리를 행하여 제품을 만드는 과정을 프로세스(생산공정, process)라 하며, 온도, 유량, 압력, 액위, 농도, 밀도 등을 프로세스량이라 한다. 이 프로세스량을 제어량으로 처리하는 제어를 프로세스 제어(process control)라고 한다. 이 프로세스제어에는 제철공정, 화학공정, 전력공정 등이 있다.

서보 제어(servo control)는 제어량이 기계적인 변위(혹은 각도), 위치 또는 속도(가속도)인 제어를 말한다. 이 제어에는 플로터(plotter) 제어, 로봇자세 제어 등이 있다.

자동조정제어(automatic regulation control)은 제어량이 전압, 전류, 주파수, 회전속도 등인 제어를 말하는 것으로 이 제어계의 주된 목적은 외란 등이 작용하더라도 출력이 목표값에 일치하도록 유지해 주는 것이다. 발전소의 자동전압 조정시스템, 가정용 실내 냉/난방시스템 등이 여기에 해당된다.

1.2 시퀀스 제어(sequence control)

1.2.1 시퀀스 제어란

시퀀스 제어란 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계를 점차로 진행해 나가는 제어라 정의하고 있으며, 불연속적인 작업을 행하는 공정제어 등에 널리 이용된다. 피드백 제어시스템과 비교하여 명령에 의한 되먹임이 없는 것이 가장 큰 특징이다.

시퀀스 제어는 일종의 스위치나 버튼을 사용하여 전기회로의 부하를 운전하기도 하고, 부하의 운전 상태나 고장상태를 알리기도 하는 일련의 제어를 말하는 것으로 근래에 사용되는 전기회로는 대부분은 이러한 시퀀스 회로로 만들어져 있다.

1.2.2 시퀀스 제어의 응용

시퀀스제어를 위해 사용되는 기기들은 반도체의 기술 혁신에 힘입어 날로 발달함과 동시에 시퀀스 제어 응용 범위도 또한 급속도로 넓어져가고 있다.

지금까지는 시퀀스 제어용 장치를 위한 시퀀스 제어반이 제조되었는데, 최근엔 PLC(Programmable Logic Controller)의 출현으로 자유로운 회로 구성과 변경이 가능하게 되었다.

종래 널리 사용되었던 시퀀스 제어 장치는 릴레이(relay), 타이머(timer), 카운터(counter), 무접점 릴레이 등을 이용하여 배선하여 구성되었지만, 오늘날 PLC는 컴퓨터처럼 기억능력을 가지고 있어 시퀀스 내용을 프로그램화하여 기억, 저장시킬 수 있으며 또한 시퀀스 내용의 변경을 프로그램 수정으로 간단히 할 수 있게 되었다.

이들 시퀀스 제어기기의 발달과정 순으로 대별해 보면 다음과 같으며 이들에 대해서는 제6장에서 더 상세히 다뤄본다.

유접점 릴레이 시퀀스

(relay sequence)

무접점 로직 시퀀스

(logic sequence)

PLC

(programmable logic controller)

시퀀스 제어가 활용되고 있는 분야는 매우 광범위하다. 선반, 밀링 등의 공장기계, 컨베이어 시스템 등의 기계시스템과 엘리베이터, 교통신호, 광고탑, 자동판매기, 가정용 기기(세탁기, 냉장고, 전기밥솥 등), 기타 운동용 기구 등의 일상 생활에 사용에 사용되는 각종 시스템 및 물품 운송관리, 창고관리, 송배전관리, 분뇨처리장치 등 각종 공업 프로세스에 이르기까지 거의 모든 자동화 시스템에 채용되고 있는 실정이다.

1.2.3 시퀀스 제어의 필요성

산업의 발달과 더불어 단순 노동과 힘든 일을 모두 기계에게 맡기고 인간은 고도의 사고를 요하는 일만을 분담하려는 추세로 가고 있으며 이것을 실현하기 위하여 모든 산업의 공정 및 기계가 자동화 되고 있다.

자동화에는 필수적으로 시퀀스 제어가 필요하다. 그리고 시퀀스 제어로 인한 장점을 나열하면 다음과 같다.

① 인력 절감

② 제품의 품질 향상

③ 생산 속도 및 능률의 향상

④ 경제성 향상

⑤ 운전의 확실성 확보

1.2.4 시퀀스 제어계를 표현하는 방법

시퀀스 제어계를 표현하는 방법은 여러 종류가 있으며 그 종류와 특징은 다음과 같다.

1. 블록선도(block diagram)

제어계의 신호 전달방식 등을 블록과 화살표로 그려놓은 도면으로 플로차트(흐름도)도 일종의 블록선도라 할 수 있고 시퀀스도는 이 플로차트를 기초로 이루어진다.

2. 시퀀스도(sequence diagram)

가장 많이 사용하는 방법으로 전개 접속도 라고도 하며, 시퀀스제어를 사용한 전기장치 및 기기 기구의 동작을 기능 중심으로 전개하여 표시한 도면이다. 시퀀스 제어기호를 사용하여 작성한다. 여기에는 주회로와 제어회로, 표시회로로 구성된다.

주회로는 전원을 부하에 공급하기 위한 회로이며, 제어회로는 주회로의 개폐 및 표시회로의 동작 등의 모든 제어동작이 이루어지는 제어의 핵심 회로이다. 표시회로는 제어의 동작을 알아 볼 수 있도록 표현하는 부분이다. 실제의 현장에서는 주회로와 표시회로가 작업장에 있고, 제어회로와 표시회로는 제어실에 있는 경우가 많다.

3. 타임 차트(time chart)

제어계의 각 접점 및 제어장치의 시간적인 동작 상태를 그림으로 표현한 것으로, 제어요소간의 동작 상황을 비교할 수 있다.

4. 논리회로도

논리 기호를 사용하여 신호처리회로를 그림으로 나타낸 것이다.

5. 표면 접속도

제어반의 제작 및 점검 등에 사용하기 위하여 기구나 부품의 실제 배치를 그려놓은 도면이다.

[단원정리]

시퀀스 제어(sequence control)와 궤환 제어(feedback control)

․시퀀스 제어 ⇒ 정성적 제어(0 아니면 1의 값을 내어주는 제어)

․궤환 제어 ⇒ 정량적 제어(제어량을 목표값에 일치시키는 제어)

※궤환 제어는 피드백 제어라고도 함.

시퀀스 제어(sequence control)

․정의 : 미리 정해진 순서 또는 일정한 논리에 의해 정해진 순서에 따라 각 단계를 차례로 진행하는 제어

․종류 : 순서제어, 조건제어, 시간제어

․순서 제어 : 네온사인 제어 등

․조건 제어 : 일반적인 기계 제어(엘리베이터 제어 등)

․시간 제어 : 교통신호기, 세탁기, 전기밥솥 등

시퀀스 제어(sequence control)의 장점

․인력 절감

․제품의 품질 향상

․생산 속도 및 능률 향상

․경제성 향상

․운전의 확실성 확보

목표치에 따른 자동제어의 분류

․정치 제어 : 어떤 일정한 목표값을 유지하는 것

․추종 제어 : 임의 시간적 변화를 하는 목표값에 제어량을 추종하는 것

․비율 제어 : 목표값이 다른 것과 일정 비율 관계를 가지고 변화하는 것

․프로그램 제어 : 정해진 프로그램에 따라 제어량을 변화 시키는 것

제어량의 성질에 따른 자동 제어의 분류

․프로세서 제어 : 제어량이 온도, 유량, 압력, 액위, 농도, 밀도 등 생산공정 상태제어

․서보 제어 : 제어량이 기계적 변위, 위치 또는 속도 등인 제어

․자동조정 제어 : 제어량이 전압, 전류, 주파수, 회전속도 등인 제어

온오프 제어(on-off control)

․개폐 제어라고도 함.

․조작량이 1 이나 0, 즉 목표값을 증가시키거나 감소시키는 두 가지 정보에 의해 서 제어하는 방식

․경보용, 조절용으로 사용

[기사시험 대비 예상문제]

1. 시퀀스 제어의 정의에 대한 설명으로 맞는 것은?

가. 폐회로 제어로서 자기 스스로 반성하는 기능이 있다.

나. 자동조정의 기능 있으며 프로세스 제어가 여기에 해당한다.

다. 제어량을 목표값에 일치시키는 제어로서 정량적 제어라고도 한다.

라. 미리 정해진 순서에 따라 각 단계가 차례로 진행하는 제어를 말한다.

2. 기준 입력과 주피드백 신호의 차로써 제어기에 입력되는 신호는?

가. 조작량        나. 외란       다. 제어량      라. 동작 신호

해설)

H

G

x

y

-

C

k

m

n

․신호 : x(기준 입력),  y(출력 혹은 목표값),  k(동작 신호),  m(조작 신호),

n(주피드백 신호)

․이득 :  G(플랜트), C(제어기), H(센서)

3. 다음 중 ON-OFF 제어가 아닌 것은?

가. 압축공기 탱크의 공기압 제어

나. 위생수 탱크의 압력 제어

다. 연료의 점도제어

라. 음료수 탱크의 압력 제어

4. 선박용 압축공기탱크의 공기압력제어로 가장 널리 사용되고 있는 것은?

가. 비율 제어

나. 서보 제어

다. 프로그램 제어

라. ON-OFF 제어

5. 보일러의 증기압 제어는?

가. 추치 제어                          나. 개회로 제어

다. 비율 제어                         라. 정치 제어

6. 다음 제어계에서 판단기능이 없는 것은?

가. 개회로 제어계

나. 서보 기구

다. 추치 제어

라. 폐회로 제어계

7. 선박의 보조보일러 자동제어장치에서 증기 압력을 상한 및 하한으로 설정하여 연소제어를 한다면 이러한 제어는 다음 중 어디에 해당하는가?

가. 피드백 제어

나. 개회로 제어

다. ON-OFF 제어

라. 추종 제어

8. 다음 중 정치 제어가 아닌 것은?

가. 디젤기관에서 조속기의 작용

나. 자동조타장치

다. 자동 주파수 제어장치

라. 타각지시장치

9. 제어 요소로부터 제어 대상에 전달되는 신호는?

가. 기준 입력

나. 조작 신호

다. 주피드백 신호

라. 동작 신호

10. 제어량이 온도, 압력, 유량 및 액면 등과 같은 일반 공업량일때의 제어계를 무엇이라 하는가?

가. 프로그램제어

나. 시퀀스제어

다. 추종제어

라. 프로세스제어

제2장 시퀀스 제어용 기기

2.1 조작용 스위치

2.1.1 수동 스위치

사람이 수동 조작으로 제어장치에 입력 신호를 넣어 주는 기기로 작업 명령 및 명령 처리 방법의 변경 등에 사용되며, 여기에는 복귀형(non lock type)과 유지형(lock type)이 있다.

1. 복귀형 수동 스위치

복귀형 수동 스위치로는 누름버튼스위치(Push Button Switch, PBS, PB, BS 이하 PBS)가 있으며 수동동작 자동복귀 접점이라고도 한다. 즉, 사람이 수동으로 누르고 있을 동안만 회로가 닫히거나(ON, close, 폐로) 혹은 열리게(OFF, open, 개로) 되고 손을 떼면 즉시 복귀하는 스위치를 말한다. 접점의 종류로는 눌러서 ON 되는 것을 a접점(make contact)이라 하고 역으로 누르면 OFF 되는 것을 b접점(break contact)이라 한다. 그리고 a접점과 b접점이 1개의 가동접점을 공유해서 조합된 구조의 접점인 c접점(changeover contact)이 있다. 그림 2-1은 누름버튼스위치(PBS)의 외형과 접점기호를 나타낸 것이다. 접점의 구성은 1a1b, 2a2b로 표현되며 여기서 1a1b라는 것은 a접점 한 개, b접점 1개라는 의미이다.

a접점

b접점

c접점

그림 2-1 누름버튼스위치(Push Button Switch)의 외형과 접점기호

그림 2-2는 누름버튼스위치의 a접점과 b접점, c접점의 내부회로도이다.

폐

(a) a접점              (b) b접점              (c) c접점

그림 2-2 누름버튼스위치 내부회로도

그림2-2(a)는 a접점의 열려있는(개로) 상태를 나타낸 그림이다. 그림에서 점선은 회로가 열려있음을 말해주고 누름버튼을 누르면 위쪽의 가동 접점이 아래쪽의 고정 접점에 붙게 되어 회로가 닫혀서 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 그림2-2(b)는 b접점의 닫혀있는(폐로) 상태를 나타내고 있으며 실선은 회로가 닫혀 있음을 말해준다. 그림2-2(c)는 c접점을 나타낸 것으로 위쪽에 b접점, 아래쪽에 a접점이 1개의 가동접점을 공유하고 있어 평상시 b접점에서 누름버튼을 누르면 a접점으로 접점이 전환되는 접점(전환접점: transfer contact)이다.

표 2-1은 접점의 종류를 나타내고 있다.

표 2-1                            접점의 종류

접점의 종류	접점의 상태	별 칭
a 접점	열려있는 접점	메이크 접점(arbeit contact, make contact) 상개접점(no 접점, normally open contact)
b 접점	닫혀있는 접점	브레이크 접점(break contact) 상폐접점(nc 접점, normally close contact)
c 접점	전환 접 점 (a접점+b접점)	전환 접점(change-over contact) 브레이크-메이크 접점(break-make contact)

2. 유지형 수동 스위치

유지형 수동 스위치는 사람이 수동 조작하면 반대로 조작할 때까지 접점의 개폐상태가 유지되는 것으로 그 종류에는 토글 스위치(toggle switch), 선택 스위치(select switch), 회전 스위치(rotary switch) 등이 있는 수동동작 수동복귀 접점이다.

토글 스위치는 상하 또는 좌우로 움직여 ON/OFF를 할 수 있는 것이고, 선택 스위치는 손잡이를 좌우 회전하여 접점을 전환하며 주로 2단(ON/OFF), 3단 등 저단의 것이 있다. 회전 스위치는 손잡이를 회전하여 접점을 접속하는 것으로 3단에서부터 10단 이상의 고단의 접점을 가지는 특징이 있다.

그림 2-3은 여러 종류의 유지형 수동 스위치들을 보여주고 있다.

(a) 토글 스위치                  (b) 선택 스위치(3단)

(c) 로터리 스위치

(d) 수동스위치와 선택스위치의 접점 기호

(a접점)              (b접점)            (선택스위치)

그림 2-3 유지형 수동 스위치의 외형과 접점 기호

2.1.2 검출 스위치

제어 대상의 상태나 변화 등을 검출하기 위한 것으로 접촉, 액면,  빛, 온도, 압력, 위치 그 밖의 여러 제어량을 검출(센서 : sense)하는 데에 사용되고 있다. 인간의 5감(눈, 코, 귀, 입, 손)과 같이 기기의 주변상태나 환경을 감지하는 기능을 가진다고 하겠다. 검출 스위치에는 리밋 스위치(LS, Limit Switch), 근접 스위치(PxS, Proximity Switch), 플로트 스위치(FS, Float Switch),  광전 스위치(PhS, Photo electric Switch), 온도 스위치, 압력 스위치, 위치검출 스위치 등이 있다.

1. 리밋 스위치(LS, Limit Switch)

기계적 접점의 하나로 시퀀스 제어의 촉각 작용을 하는 것이다. 제어대상의 위치 검출, 기계의 구동 거리 제한 및 공정의 변환 등을 위한 검출용 스위치의 대표적인 것으로 기계적인 신호를 전기적 신호로 변환한다. 동작은 검출할 부분에 스위치의 액추에이터(접촉부)가 닿으면 접촉자가 움직여 접점이 개폐된다. 역시 a접점과 b접점이 있다. 스위치 종류로는 액추에이터의 형태에 따라 롤러레버형, 롤러플런저형, 힌지레버형 등이 있다. 그림 2-4는 롤러레버형과 가변롤러레버형의 리밋 스위치의 외형도와 기계적접점의 기호를 나타내고 있다.

a접점

b접점

그림 2-4 리밋 스위치(limit switch)

스위치의 구조면에서 리밋 스위치(limit switch)와 마이크로 스위치(micro switch)는 매우 흡사하나 리밋 스위치는 물, 기름, 먼지 등으로부터 보호될 수 있도록 금속이나 수지로 된 견고한 케이스에 봉입된 구조로 되어 있어 봉입형 마이크로 스위치라고도 한다. 즉, 기계적 보호가 필요한 생산 설비와 공장 자동화 설비 등에 사용된다

.

2. 근접 스위치(PxS, Proximity Switch)

자동화용 센서로서 근접 스위치는 광전 센서와 함께 가장 많이 사용되고 있는 센서중의 하나이다.

근접 스위치는 이전의 마이크로 스위치나 리밋 스위치의 기계적 접촉부를 없애 접촉하지 않고도 검출 물체의 유무를 검출할 수 있고, 고속 응답성과 내환경성이 뛰어나므로 광범위한 용도에 적용되고 있다.

근접 스위치는 동작원리에 따라 고주파 발진형, 정전 용량형, 자기형, 차동 코일형 등 다수가 있고, 기계적인 스위치에 비해 고속 응답, 긴 수명, 고신뢰성, 방수, 방유, 방폭 등의 구조이어서 공작기계, 섬유기계, 물류 및 포장 시스템, 자동차 및 항공산업 등 전 산업 분야에 걸쳐 이용되고 있으며 그림 2-5는 근접 스위치의 외형도와 접점기호를 나타내고 있다.

a접점

PxS

b접점

PxS

그림 2-5 근접 스위치(proximity switch)

근접 스위치는 이용하는 물리현상에 따라 검출코일의 인덕턴스 변화를 이용하는 고주파 발진형 근접 스위치와 커패시턴스의 변화를 이용하는 정전용량형 근접 스위치가 있다. 고주파 발진형은 물체의 유무 검출, 재질 판단도 가능하며 정전용량형은 검출 대상의 재질이나 색에 의한 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다.

고주파 발진형 근접 스위치는 검출면 내부에 발진용 검출코일이 있으며, 이 코일 가까이에 금속체가 존재하거나 접근하면 전자유도 작용으로 인해 금속체 내에 유도전류가 흘러 검출코일의 인덕턴스 변화가 발생되는 것을 검출하여 출력신호를 발생시키는 형식으로 검출대상은 금속에 한한다.

정전 용량형 근접스위치는 금속체를 포함하여 나무, 종이, 플라스틱, 물 등 거의 모든 물체의 검출이 가능하다. 그림 2-6은 고주파 발진형 및 정전 용량형 근접스위치의 개념도를 나타내고 있다.

검출

회로

검출물체

검출코일

개폐소자

검출

회로

검출물체

전극

개폐소자

(a) 고주파 발진형                         (b) 정전 용량형

그림 2-6 고주파 발진형 및 정전 용량형 근접 스위치의 개념도

근접 스위치는 검출면, 검출회로, 증폭회로, 동작표시등, 출력회로로 구성되어 있다. 응용 예를 살펴보면 조립 제품의 나사못 조립 상태 검출,  인덱스 테이블의 정위치 정지제어, 볼트 수량 검출, 병마개 유무 검출, 탱크의 액면 검출 등이 있다.

3. 플로트 스위치(FS, Float Switch)

레벨 스위치라고도 하며 레벨 신호를 원격으로 전송할 필요가 없고 단순히 펌프의 구동 혹은 경보 발생 등의 ON/OFF 신호 발생을 위한 것이다.

액면이 올라가면 액면에 떠있는 플로트가 리밋스위치를 밀어 접점을 개폐되는 것으로서 액면의 높이를 검출하는 것이다. 액면이 내려가면 플로트도 내려가 리밋스위치는 스프링의 힘에 의해 원상 복귀된다.

a접점

FS

b접점

FS

그림 2-7 플로트 스위치(float switch)

4. 광전 스위치(PhS, Photo electric Switch)

광전 스위치란 빛을 내는 투광부와 그 빛이 대상물에 의해서 반사, 투과, 흡수, 차광 등의 변화를 받는 것을 수광부에서 수광하여 ON/OFF 신호를 내는 것을 말한다. 즉, 전기 에너지를 빛으로 변환시키는 발광 소자(GaAs, GaAsP, GaP 등의 발광다이오드)를 사용하여 빛을 내는 발광부에 의해 검출 대상을 향해 빛을 조사하고, 검출 대상에 의해 변화된 빛을 수신한 다음 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor)에 의해 전기적 신호로 변환 및 증폭시키는 수광부를 갖춘 일명의 센서를 광전 스위치라 한다.

광전 스위치에는 광기전력 효과를 이용하는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터와 광전도 효과를 이용하는 황화카드뮴 셀(CdS 셀)과 집전효과를 이용하는 적외선 센서  및 포토 IC(photo IC), 태양전지(solar battery), 이미지 센서(image sensor) 등이 있다.

광전 스위치는 물체의 유무나 통과 여부 검출에서부터 크기의 대소, 색상의 차이 판별 등 고도의 정밀 검출까지 할 수 있어 자동화된 기계나 설비의 자동 제어, 계측, 안전장치, 감시장치, 검사 등의 여러 산업분야에 폭넓게 이용되고 있다. 명칭에서도 광전 스위치, 광전 센서, 빔 스위치, 포토 센서, 포토 스위치, 광 센서 등 여러 가지 이름으로 불리고 있지만 광전 스위치가 가장 일반적인 명칭이다. 그림 2-8은 광전 스위치의 외형도와 접점 기호를 나타내고 있다.

a접점

PhS

b접점

PhS

그림 2-8 광전 스위치(photo-electric switch)

광전 스위치의 특징으로는 빛을 매체로 비접촉식 검출을 하기 때문에 검출대상물이나 스위치의 손상이 없다. 또한 검출 거리가 0～30여 미터 이상으로 검출 거리가 길다. 대부분의 대상물을 검출 할 수 있고 응답 속도가 빠르지만, 수광면의 렌즈부분이 먼지에 쌓이면 검출에러 발생 우려가 있으므로 이를 충분히 고려해야 한다.

5. 온도 스위치

온도 스위치란 온도가 예정치에 달했을 때 동작하는 검출스위치를 말하며 온도의 변화에 대해서 전기적 특성이 변화하는 소자 즉 열전대 등을 측온체에 이용하여 그 변화에 의해서 미리 설정된 온도를 검출하여 동작하는 스위치이다. 온도 스위치로 많이 이용되고 있는 열전대(thermocouple), 서미스터(thermistor) 및 바이메탈(bimetallic thermometer) 온도 스위치에 대하여 간략하게 알아본다.

가. 열전대 (thermocouple)

열전대는 서로 다른 두 종류의 금속 접합부에서 나타나는 제에벡(Seebeck effect) 효과를 이용한 온도 스위치(센서)이다. 즉, 두 종류 금속선의 접합점 양단의 온도차에 의해서 열기전력이 발생하여 열전류가 흐르게 되는 것을 이용하여 철강, 발전소, 중화학 등 공업용으로 많이 사용되고 있다.

A

B

기준점

측정점

그림 2-9 열전대(thermocouple)

나. 서미스터(thermistor)

온도에 따라 저항치가 변하는 특성을 이용한 것으로 NTC(Negative Temperature Coefficient :부온도특성) 서미스터, PTC(Positive Temperature Coefficient :정온도특성) 서미스터로 나눈다.  현재 온도센서로 가장 널리 사용되고 있으며 값이 싸고 소형이지만 직선성, 감도, 기준온도 등이 문제가 된다. NTC 서미스터는 주로 온도 감지, 온도 보상, 액위/풍속/진공검출, 돌입전류방지, 지연소자 등으로 사용되고 있으며 PTC 서미스터는 모터 기동, 자기 소거, 정온 발열, 과전류 보호용으로 사용된다. 최근에는 기술개발의 진보로 극저온, 저온, 고온용의 서미스터들이 개발되어 사용중에 있으며 응용범위도 폭넓게 확대되고 있다.

다. 바이메탈(bimetallic thermometer)

열팽창 계수가 큰 금속과 작은 금속의 판을 접합시키면, 온도 변화에 따라서 변형 또는 내부 응력을 발생하여 접점을 개폐할 수 있는 온도 스위치이다. 전자개폐기의 과부하계전기의 동작부는 바이메탈로 구성되어 있다. 그림 2-9는 바이메탈의 동작 원리를 나타내고 있다.

구리,아연합금

니켈,철합금

그림 2-9 바이메탈(bimetallic thermometer)

6. 압력 스위치

압력스위치(pressure switch)는 명칭과 같이 일정한 압력에 이르면 스위치가 ON/OFF되는 것이다. 저압인 것은 벨로즈(bellows)와 다이어프램(diaphragm)의 신축을 이용하고 유압, 수압과 같이 고압인 것은 부르동관(Bourdon tube)의 신축을 이용하여 스위칭(switching)동작을 하게 하는 것이다.

7. 위치검출 스위치

변위는 위치, 길이 , 각도, 변형 검출할 때 기준 상태와 비교해서 나타나는 차이의 양이며 이 변위를 검출하는 것이 위치 검출 스위치이다. 여기에는 직선 변위를 검출하는 차동 변압기(differential transformer)와 각도, 회전 변위를 검출하는 포텐셔미터(potentiometer)에 대해서 간략하게 알아본다.

가동철심

2차코일

1차코일

그림 2-10 차동 변압기(differential transformer)와 포텐셔미터(potentiometer)

2.2 전자계전기(Electro-magnetic Relay)

전자계전기(Electro-magnetic Relay)는 전자석 코일의 여자 및 소자에 의하여 전기 회로를 개폐하는 기기를 말하며 초소형의 보조 릴레이(auxiliary relay)와 대용량의 전력을 제어하는 전자접촉기(MC, Magnetic Contact), 전자개폐기(MS, Magnetic Switch) 그리고 과부하 보호용 열동계전기(Thr, thermal relay) 등이 있다.

2.2.1 보조계전기(Auxiliary Relay, 릴레이)

릴레이(relay)는 누름버튼스위치와는 달리 사람의 손으로 동작되는 것이 아니라 계전기 내의 전자석에 의해 동작되며, 전자석 코일에 전류가 흐르는 동안에만 접점이 동작하는 스위치의 일종으로 코일부와 접점부로 나누어지고 기호로 나타낼 경우에도 코일부와 접점부로 나누어 표시한다.

접점은 a접점과 b접점을 공유하고 있는 접점을 주로 사용하며 이를 c접점이라 한다. c접점은 a접점, b접점을 동시에 사용할 수도 있고 별도로 한 접점만 사용할 수도 있다. 특히 c접점에서 a접점, b접점을 동시에 사용할 경우에 c접점(공통접점)으로 인하여 회로가 단락되는 경우가 있으니 반드시 공통 접점부가 회로에서 공통으로 사용되고 있는지 확인하고 사용하여야 한다. 그림 2-10은 릴레이의 외형을 보여주고 있다.

그림 2-10 릴레이 외형도

그림 2-11(a)은 릴레이의 a접점을 보여주고 있다. 코일 단자를 통해서 전기를 흘러주면 코일이 여자되고 코일 주변으로 자속이 생기면서 가동 접점부를 끌어당기게 되고 고정 접점과 붙게 되어 배선은 서로 연결되어 전류를 흘러주게 된다. 코일에 흘려주는 전기를 차단하면 가동 접점부는 스프링 힘에 의해 고정접점부에서 떨어지게 되어 전류는 흐르지 않게 되는 것이다. 그림 (b)는 b접점을 그림 (c)는 a접점과 b접점이 같이 있는 c접점의 릴레이를 나타내고 있다.

(a) a접점             (b) b접점                (c) c접점

X

그림 2-11 릴레이 작동원리

2.2.2 전자접촉기(MC, Magnetic Contact)

전자접촉기는 릴레이(Relay)와 같이 전자석의 동작에 의해 접점을 개폐하는 기구이지만 전동기 등의 동력부하에는 필수적으로 사용되고 있다. 접점은 주접점과 보조접점으로 나뉘어 있어 주접점은 부하의 전원을 개폐하며 보조접점은 릴레이와 동일하게 제어회로에 사용된다.

그림 2-12 전자접촉기의 내부 구조도

2.2.3 열동계전기(Thr, Thermal Relay)

열동계전기는 열동형 과부하계전기 또는 서말릴레이라고도 하며 주로 과부하 보호에 사용된다. 정격 전류 이상의 전류(과부하 전류)가 흐르면 내부에서 발생된 열에 의해 바이메탈이 동작하여 접점이 차단되고 전자접촉기의 회로를 차단하여 부하와 전선의 과열을 방지하는데 사용한다. 열동계전기 접점은 동작한 후 수동으로 복귀를 시켜야만 원상태로 된다.

그림 2-12 과부하 계전기의 내부 구조도

2.2.4 전자개폐기(MS, Magnetic Switch)

전자개폐기는 전자접촉기와 과부하계전기가 일체화 된 것으로, 전자접촉기에 의한 부하의 ON, OFF 조작과 열동계전기에 의한 과부하 보호 기능을 함께 갖는 기구이다.

Thr

Thr

MC

MC-a

MC-b

MC-a

MS

RL

GL

PBS1

PBS2

MC

MCCB

그림 2-13  전자 개폐기의 외형도 및 접점 기호

2.3 타이머(Timer)와 카운터(Counter)

2.3.1 타이머(T, Timer, 한시계전기)

일반적으로 전자계전기(Electro-magnetic Relay)는 전자석 코일에 전류가 흐르게 되면 접점은 순간적으로 닫히거나 혹은 열린다.  하지만 전자계전기와는 달리 타이머(T, Timer)는 계전기에 전압이 들어오면 이미 정해진 시간이 경과한 후에 그 접점이 개폐되는 것으로 인위적인 시간지연을 만들어내는 계전기이다.

타이머의 종류에는 동작시간을 계산(counting)하는 방식에 따라 구분할 수 있는데 가장 많이 사용되는 것으로 기계식 타이머와 전자식 IC 타이머가 있다. 기계식에는 전동기식 타이머, 공기식 타이머 및 오일식 타이머로 나눌 수 있으며, 전자식 IC 타이머는 전자회로의 RC 시정수를 이용하여 동작시간을 조절할 수 있는 것이다.

타이머의 접점은 그 동작형식에 따라 한시동작(순시복귀)접점, (순시동작)한시복귀접점 및 한시동작한시복귀접점으로 나눌 수 있다. 한시동작접점은 계전기가 여자(전압이 인가)될 때에는 일정시간이 경과한 후에 접점이 동작되고 계전기가 소자(전압이 차단)될 때에는 순간적으로 접점이 복귀되는 접점으로 On Delay Timer라 한다. 이에 반해서 한시복귀접점은 계전기가 여자될 때에는 순간적으로 접점이 동작되고 소자될 때에는 일정시간이 경과한 후에 접점이 복귀되는 접점으로 Off Delay Timer라 한다. 또한, 한시동작한시복귀접점은 계전기가 여자될 때 일정시간이 경과한 후에 접점이 동작되고 소자될 때에도 일정시간이 경과한 후에 접점이 복귀되는 접점으로 On-Off Delay Timer라 한다.  표 2-2는 타이머 접점의 종류를 나타내고 있다.

표 2-2                         타이머 접점의 종류

종 류	심 벌	타임차트(a접점 경우)
한시계전기	T
한시동작 접 점
한시복귀 접 점
한시동작 한시복귀 접 점

소자

여자

소자

여자

t

t

t

t

그림 2-14는 타이머의 외형도 및 내부구조도를 나타내고 있다.

그림 2-14 타이머의 외형도 및 내부구조도

2.3.2 카운터(C, Counter)

기본적으로 수를 헤아리는 기기를 말한다. 종류에는 기계식, 전자식, 광전식, 회전식이 있고 이들을 조합한 형도 있다. 시퀀스 회로에 응용되는 경우 적산계수용인 것과 계수 제어용인 것으로 나누어진다. 기계식 카운터의 외형도는 그림 2-15와 같다.

그림 2-15 기계식 카운터

2.4 그 외 기기

2.4.1 배선용차단기(MCCB, Molded Case Circuit Breaker, 혹은 MCB)

이것은 일반적으로 NFB(No Fuse Breaker)라고도 불려지는 것으로 크게 개폐기구와 트립장치로 구성되어 있으며 절연물 용기 내에 일체로 조립한 것으로 통전상태의 전로를 수동 또는 전기 조작에 의해 개폐할 수 있는 구조로 되어있다. 과부하 또는 단락 시에는 자동적으로 전로를 차단하여 전로와 부하를 보호할 수 있는 능력을 가지고 있다.

배선용 차단기는 교류 600V 이하, 또는 직류 250V 이하의 저압 옥내전로의 보호에 사용되는 차단기이다. 소형이며 조작이 안전하고 퓨즈를 끼우는 등의 수고가 없기 때문에 종래의 나이프스위치(Knife Switch)와 퓨즈를 결합한 것에 대신하여 널리 사용되고 있다.

트립장치에는 열동형인 것(바이메탈의 원리를 이용한 것)과 코일에 전류를 통하여 과전류에 의하여 철편을 흡인하여 동작하는 것, 양자를 결합한 열동전자식 및 전자식 등이 있다. 트립 특성은 정격전류의 100%를 연속 통전하여도 트립 동작하지 않고 정격전류의 125%, 200%의 전류에 대한 동작시간이 별도로 정해져 있다.

그림 2-15 배선용차단기의 외형도와 접점기호

2.4.2 나이프스위치(Knife Switch)

600V 이하의 전기회로 개폐에 사용되는 칼날형 스위치를 말하며 덮개가 있는 것과 덮개가 없는 개방형이 있고 직류 ·단상교류회로용의 2극인 것, 3상 회로용의 3극인 것, 간혹 단극(單極)인 것, 4극 이상의 다극인 것도 있다. 덮개가 있는 것은 전압 250V 이하, 전류 15~300A의 여러 종류가 있는데, 각각의 크기에 알맞은 퓨즈를 덮개 속에 붙이도록 되어 있다. 개방형은 (칼)날이나 날받이 부분이 노출되어 있다. 전류가 흐르고 있는 스위치를 열면 아크 방전을 일으키므로 개방형에서는 정격전류(定格電流)가 흐르는 상태에서 여는 것은 바람직하지 않다.

그림 2-16 나이프스위치(Knife Switch)의 외형도

2.4.3 표시 장치

기기의 운전 정지 상태, 전동밸브의 개폐상태, 탱크내의 액위의 상태 등을 나타내는 데는 표시등을 이용하고 경우에 따라서는 기명식 다색표시등을 사용하기도 한다. 등은 2W, 등색은 적색 등(RL), 녹색등(GL), 황색등(OL), 백색등(WL), 투명등(CL) 등이 있다. 표 2-3은 각 등의 사용되는 내용을 나타낸다.

표 2-3                              표시장치의 종류

등 색	의 미
RL(Red Lamp)	정지중, 개폐기의 개로, 밸브류의 개, 주의, 고장
GL(Green Lamp)	운전중, 개폐기의 폐로, 밸브류의 폐, 안전, 복귀
OL(Orange Lamp)	운전, 주의
WL(White Lamp)	운전, 주의, 고장
CL(Clear Lamp)	접지, 기타

[단원정리]

시퀀스 제어의 접점기호
번호	명 칭	접 점 기 호		비 고
		a접점	b접점
1	수동동작 자동복귀 접 점			수동스위치
2	수동동작 수동복귀 접 점
3	기계적 접점 (리밋스위치)
4	비접촉식 접점 (근접스위치)			․광전스위치(PhS) ․플로트스위치(FS) ․온도 스위치(ThS) 등
5	계전기 접점
6	한시동작순시복귀 접 점			타이머 접점
7	순시동작한시복귀 접 점
8	열동 계전기 접점
9	전자접촉기 접점

PxS

PxS

접점의 표현방법

․a접점 ⇒ 메이크접점(make contact), 상개접점[no접점:normally open contact]

․b접점 ⇒ 브레이크접점(break contact), 상폐접점[nc접점:normally close contact]

․c접점 ⇒ 브레이크-메이크접점(changeover contact), 전환접점[transfer contact]

전자접촉기(MC: Magnetic Contactor)

․전자석에 의한 흡인력을 이용하여 접촉부를 동작시킴

․주접점(개폐용 대전류)과 보조접점(제어회로용 소전류)으로 구성

․대전류의 개페, 전동기의 빈번한 시동, 정지 등의 제어용으로 이용

전자개폐기(MS: Magnetic Switch)

․전자접촉기와 열동계전기로 구성

․전자접촉기 ⇒ 전자석의 여자에 의해 접점을 개로하고 혹은 폐로하는 스위치

․열동계전기 ⇒ 전류가 설정치 이상 도달하면 회로를 차단시키는 과전류보호장치

한시동작순시복귀접점

․입력이 ON된 후 ⇒ 타이머 설정시간이 되면 출력이 ON(한시동작)

․입력이 OFF된 후 ⇒ 출력은 즉시 OFF(순시복귀)

순시동작한시복귀접점

․입력이 ON된 후 ⇒ 입력과 동시에 출력이 ON(순시동작)

․입력이 OFF된 후 ⇒ 출력은 타이머 설정시간 후 OFF(한시복귀)

한시동작한시복귀접점

․입력이 ON된 후 ⇒ 타이머 설정시간이 되면 출력이 ON(한시동작)

․입력이 OFF된 후 ⇒ 타이머 설정시간 출력은 OFF(한시복귀)

[기사시험 대비 예상문제]

1. 계전기가 한번 동작한 후 수동으로 복귀를 시켜야 하는 접점은 어느 것인가?

가.

나.

다.

라.

2. 다음 접점기호 중 기계적 접점을 나타낸 것은?

가.

나.

다.

라.

3. 다음 중에서 한시동작 순시복귀하는 접점은?

가.

나.

다.

라.

4. 아래와 같은 타임 차트에 해당하는 접점은?

여자

소자

CLOSE

OPEN

전자코일

(입 력)

접   점

(출 력)

t

t

가.

나.

다.

라.