3. 시퀀스제어와 PLC 부산대학교기계공학부안중환교수
목차 1.1 3.1 메카트로닉스의시퀀스제어시스템정의 3.2 PLC 개요 3.3 PLC 구성요소 3.4 시퀀스제어논리표현방식 3.5 래더선도 3.6 PLC 프로그래밍 3.7 PLC 적용사례 : 용탕주입로봇 기계메카트로닉스응용분야와 발전요인
3.1 시퀀스제어시스템 작업을수행하는데일정한순서 (sequence) 가필요한시스템 전자동세탁기 : 급수 세탁 배수 탈수 급수 헹굼 배수 탈수 끝 순서에따라제어의각단계를 on-off 제어 자동판매기, 엘리베이터, 교통신호, 자동화생산공정 머시닝센터 : 공구교환, 공작물의이송과걸고내림 cf. 오르골 (orgel) 의원리 ( 동영상 )
Orgel demonstration
Cylinder orgel
Disk orgel
3.2 PLC 개요 정의, 역사 PLC(Programmable Logic Controller) 정의 순서 (sequence) 제어용프로그램식제어장치 프로그램변경이불가능한릴레이제어기의단점개선 programmable 논리연산, 산술연산, 타이머, 카운터등의명령어로프로그램작성 I/F를통해입출력 적용분야 : sequence 제어설비 ( 세탁기, 신호등, 자판기, 공작기계, 로봇, 공장자동화등 ) 역사 1968 년이전까지자동화를위한제어시스템은릴레이제어기사용 생산요구조건이바뀌면제어시스템변경에많은시간과비용이소요 1969 년미국의 GM 사 : 자동차조립라인에새로운제어장치시도 프로그램형제어기출현
3.2 PLC 개요 구성 구성요소 : 프로세서, 입 출력장치, 통신회로장치, 전원장치, 주변장치 전력 프로그래머 백업전지 기억 CPU 인터페이스 입 / 출력점 출력 입력 Motor, Solenoid, Lamp Push Button, Limit S/W, Sensors
3.3 PLC 구성요소 프로세서 인간의뇌에해당, 메모리와연산기로구성 연산기는 PLC 동작제어에필요한입 / 출력장치의데이터를연산 cf. CPU의연산방식 : 정주기연산, 인터럽트연산 주기억장치 (memory unit) 시스템영역과사용자영역, ROM 과 RAM 프로그램과데이터저장
3.3 PLC 구성요소 통신회로장치 외부프로그래밍장치, LAN, 컴퓨터등의접속회로 LAN 인터페이스는 PLC에따라다른사양 프로그래밍장치와컴퓨터인터페이스는 RS-232, RS-422, RS-485 전원장치 PLC의프로세서와입 출력장치에전원공급 내장형, 슬롯형 및외장형, PLC 출력전원은 DC 5V, 12V, 24V 주변장치 programming loader, EPROM writer, 프린터등 소프트웨어를이용하여컴퓨터 RS-232C 와 PLC 접속가능
3.3 PLC 구성요소 입력장치 다양한입력장치 ( 센서, 리미트스위치등 ) 의상태를 PLC 내부신호로변환 a, b 접점사용가능 1점은 1 bit 의 on-off 상태를나타냄 입력모듈은 8점또는 16점의블록형모듈 입력방식, 입력점수, 절연방식, 정격전압 / 전류, 동작전압, 소비전류, 접속방식 출력장치 다양한출력장치 ( 표시등, 전자릴레이, 전자밸브등 ) 에 PLC 신호를출력 a 접점출력만사용가능 1점은 1 bit 의 on-off 상태를나타냄 출력모듈은 8점또는 16점의블록형모듈 출력방식, 출력점수, 절연방식, 정격전압 / 전류, 동작전압, 소비전류, 접속방식
3.3 PLC 구성요소 입력장치 입력기기 접점, 무접점신호 ON/OFF 신호 시퀀스입력 PLC 센서 디지털스위치 NC 제어장치 수치데이터 디지털신호 디지털데이터입력 제어연산부 각종계측장치 컴퓨터 모터 엔코더펄스신호 고속펄스카운터입력
3.3 PLC 구성요소 출력장치 릴레이 구동기기 Y00 Y00 솔레노이드밸브 내부회로 Y1 Y01 릴레이코일 Y2 Y02 벨, 부져 Y3 Y03 모터등 Y04 출력전원 AC, DC COM
3.4 시퀀스제어논리표현방식 래더선도, 논리식, 논리회로, 동작시간표 방식표현법특징 래더선도 A B D C X ( 장점 ) 릴레이회로와 1대1 대응, 논리구성파악용이 ( 단점 ) 동작순서의이해어려움 논리식 X = (A B + C) D ( 장점 ) 수학적표현이라컴퓨터처리유리 ( 단점 ) 보수나회로설계에부적절 논리회로 동작시간표 B A C D A B C DX X ( 장점 ) 디지털회로설계에편리 ( 단점 ) 변수간의존성이높으면접속선 수가많아지고도면이번잡해짐 ( 장점 ) 변수간동작상태파악이쉬움 ( 단점 ) 복잡한제어에부적절
3.5 래더선도 (Ladder Diagram) 개요 특징 릴레이회로표현이라한줄 (rung) 씩프로그램으로변환용이 명령요소와출력요소를구분, 연산결과로생기는작동시퀀스를강조 작성원칙 소자의상태는전원이 off 된상태로표현 선도의왼쪽 ( 접점 ) 은제어논리의조건, 오른쪽 ( 코일 ) 은제어논리의결과 직류전원경우 (+) 극은왼쪽 ( 조건부 ), (-) 극은오른쪽 ( 출력부 ) 에표시 교류전원경우핫라인 (H) 은왼쪽, 중성점 (N) 은오른쪽에표시 R0 R1 R2 R1500 OUT STN R0 AND STR R1 OR R2 OUT R1500 논리식 : R0 (R1+R2)=R1500 명령어
3.5 래더선도 (Ladder Diagram) 개요 집행원칙 1 첫째블록 (rung) 에서마지막블록 (END) 까지순서대로집행 2 블록내에서수직연결이없으면왼쪽에서오른쪽으로집행 3 OR 연결이있으면 OR 회로집행 4 출력분기점이있으면위에서아래로순서대로집행 2 3 4
3.5 래더선도 기호와전자회로대응 (a) 입력 (b) 출력 R (c) NOT 연산자 (d) AND 연산자 A B (e) OR 연산자 A B
3.5 래더선도 기본회로와명령어 회로의시작 입력장치 ( 스위치또는센서 ) 로부터상태를읽어들임 a 접점 : 초기상태 ( 즉입력이없는상태 ) 가접점간에단전상태 b 접점 : 초기상태가통전상태 x x 회로의끝 a 접점시작 (STR X) b 접점시작 (STN x ) 출력장치 ( 표시등, 릴레이코일및모터구동 ) 에연산결과를내보냄 내 외부출력및정전유지등에대한명령어로서지정접점에출력 병렬사용가능, 다른코일구동용입력조건으로사용 가능 OUT 회로끝
3.5 래더선도 기본회로와명령어 AND 회로 직렬회로 : 모든입력이 ON 일때출력됨 A R B R L A B R 0 1 0 1 0 입력 출력 A B R 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
3.5 래더선도 기본회로와명령어 OR 회로 병렬회로 : 입력신호중하나이상이 ON 일때출력됨 A R B R L A B R 0 1 0 1 0 입력출력 A B L 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
3.5 래더선도 기본회로와명령어 NOT 회로 A R A R A L A L A 0 1 0 1 0 입력 출력 A L 0 1 A 1 0
3.5 래더선도 자기유지 (holding) 회로 입력상태계속유지하는회로, 1 비트메모리로사용가능 ON 과 OFF 동시입력될때 : OFF( 정지우선자기유지회로 ), ON( 기동우선자기유지회로 ) 정지우선자기유지회로 X1 Y1 X2 Y1 ⅰ) 입력 X1 ON 출력 Y1 ON ⅱ) 접점 Y1 ON 유지 입력 X1 제거되어도 Y1에의해 회로상태계속유지 ⅲ) 입력 X2 ON 출력 Y1 OFF ⅳ) 접점 Y1 OFF ⅴ) 입력 X1, X2 동시 ON 입력 X2에의해 Y1 OFF
3.5 래더선도 자기유지회로 기동우선자기유지회로 X2 X1 Y1 Y1 ⅰ) 입력 X1 ON 출력 Y1 ON ⅱ) 접점 Y1 ON 유지 입력 X1 제거되어도 Y1에의해 회로상태계속유지 ⅲ) 입력 X2 ON 출력 Y1 OFF ⅳ) 입력 X1, X2 동시 ON 입력 X1에의해 Y1 ON
3.5 래더선도 카운터 감소형카운터 (DOWN COUNTER) 펄스가입력될때마다 1 씩감소, 0 이되면출력을 ON 시킴 ⅰ) X1에펄스가입력되면, 카운터의 값이 1씩감소 ⅱ) 카운터값이 0이되면, C0 ON 출력 Y1이 ON ⅲ) X2에신호가입력되면카운터는 RESET 예 ) 청룡열차의탑승객카운터 ( 초기설정값 : 20) ⅰ) 투과형광전스위치 X1: 탑승객입장때마다펄스입력 ⅱ) 탑승객수가 20명일때카운터의값은 0 C0 ON 승객출입금지 (Y1) ⅲ) 청룡열차출발 X2 ON 카운터 RESET X1 CP C0 X2 R XX XX xxxx : 카운터의설정값 C0 Y1
3.5 래더선도 타이머회로 입력신호 ON 시점부터설정시간이경과한뒤타이머출력이 ON 또는 OFF 입력이 OFF 되면출력은초기상태로, 타이머시간은설정값으로복귀 ON Delay 타이머 : 스위치를 ON 했을 때설정시간만큼지연되어작동 OFF Delay 타이머 : 스위치를 OFF 했을때설정시간만큼지연되어정지 타이머입력 타이머입력 타이머출력 t 타이머출력 t ON Delay 타이머 OFF Delay 타이머
3.5 래더선도 ON Delay 타이머 ON Delay 타이머 ⅰ) ST 입력시자기유지 ⅱ) 타이머 (T1) 3초후램프 (L1) 을점등시킴 ⅲ) 타이머 (T2) 5초후자기유지가해제되고램프 (L1) 가소등 ST T2 M1 M1 M1 T1 T1 T2 L1
3.5 래더선도 - OFF Delay 타이머 OFF Delay 타이머 : 팬히터의작동 팬히터를 OFF 하면가열은바로꺼지고, 과열을막기위해팬은더회전하다가정지 ⅰ) 팬시동 : 시동스위치 (ST1) ON 팬동작접점 (MC1) ON 팬회전, 타이머 (T1) 동작 T1의설정시간경과 히터작동 OK 램프 (LG) 점등 ⅱ) 히터작동 : 시동스위치 (ST2) ON 히터가동접점 (MC2) ON 히터동작 히터작동램프 (LR) 점등 ⅲ) 히터정지 : 정지스위치 (SP) ON 히터정지 타이머 (T2) 동작 ⅳ) 팬정지 : T2의설정시간경과 팬정지 ST1 MC1 T2 MC1 T1 팬동작 타이머 T1 SP ST2 LG MC2 히터작동 OK 표시 히터동작 SP MC2 LR 히터작동표시 R1 R1 T2 팬정지회로자기유지용 팬정지용타이머
3.5 래더선도 인터록 (Interlock) 인터록 (Interlock) 회로 기기와작업자의안전을위해두개의회로에서동시출력금지, 선행우선동작회로 A B R2 R1 R1 R2 A B R2 R1 R1 R2
3.5 래더선도 인터록 (Interlock) 활용 Interlock 회로 ( 퀴즈프로그램 ) 퀴즈해답자 3명, 각자누름버턴스위치와표시등 가장빨리스위치를누른해답자의회로를우선하고, 다른회로에 Interlock을가함 빠른해답자릴레이의 b 접점을다른해답자 회로에직렬로삽입 RESET은사회자가행함 ⅰ) 가장빠른해답자가 S1을누름 1번릴레이 (R1) 자화 ⅱ) R1 자기유지 램프 (L1) 점등 ⅲ) R1의 b 접점 (-R1) 이다른해답자회로 (S2, S3) 를 Interlock ⅳ) 다른해답자가 S2와 S3를눌러도작동불가 SP S1 R1 S2 R2 R1 R3 R3 R1 L1 R2 R2 S3 R1 R2 L2 R3 R3 L3
3.6 PLC 프로그래밍 flowchart 기계동작작 데이터 모 PLC 드어정 프로그 모 PLC 기부정 코 입력부 / 출력부정 로 시퀀스프로그정 시레이 입출력 스운전 (RAM운전) 제어 작 정운전 (ROM 운전 )
3.6 PLC 프로그래밍 방범회로 광전스위치를이용한방범장치회로 구성 : 광전스위치 3 개, 경보벨 2 개, 적색램프 3 개, 녹색램프 1 개 침입장소 1 에대한방범회로의동작내용 : ⅰ) 투과형광전스위치 (S1) 침입자감지 a 접점닫힘 ⅱ) a 접점닫힘 릴레이코일 (R1) 자화, 자기유지 표시램프 (L1) 점등 ⅲ) R1 자화 7번지의 R1 접점 (R1) 닫힘 2개의경보음 (BL1, BL2) ⅳ) 복귀시키려면 RESET을누름 ⅴ) 복귀상태에서 10번지의회로닫힘 녹색램프 (LG) 점등
3.6 PLC 프로그래밍 방범회로 SP 1 2 S1 R1 R1 L1 침입자감지침입장소 1 표시 S2 3 R2 침입자감지 4 R2 L2 침입장소 2 표시 5 6 S3 R3 R3 L3 침입자감지침입장소 3 표시 R1 7 8 R2 BL1 BL2 경보음 9 R3 10 R1 R2 R3 LG 복귀태표시 그림. 광전스위치를이용한방범회로
3.6 PLC 프로그래밍 컨베이어속도제어 장치구성 : 컨베이어장치 ( 그림 ) 작업공정 ⅰ) 시작스위치가입력되면컨베이어작동 ⅱ) 대상물이일정한위치에이송되면광센서로검출 ⅲ) 0.1초뒤솔레노이드나공압실린더로대상물을밀어냄 안전운전조건 1 시작스위치 ON 되면컨베이어모터작동 - 높은속도로 운전되기전에반드시낮은속도에서시작 (2단계속도제어 ) 2 제품이일정한위치에이송되면광센서로검출 3 광센서물건검출, 0.1초뒤솔레노이드로물건반출 4 정지스위치 ON 되면작업정지 입출력할당 001: 사이클시작스위치, 002: 광센서입력, 003: 정지스위치 30 : 모터릴레이출력, 31 : 솔레노이드출력
3.6 PLC 프로그래밍 컨베이어속도제어
3.6 PLC 프로그래밍 판재벤딩기자동화 장치구성 : 판재벤딩기 ( 그림 ) 작업공정 ⅰ) 작업자가판재장착후시동신호입력 ⅱ) A 실린더전진, 판재를고정 ( 클램프 ) ⅲ) B 실린더전진, 판재를굽힌후복귀 ⅳ) A 실린더복귀, 클램프해제, 제품탈착 안전운전조건 1 1사이클동작지령 기능, 연속작업기능, 비상정지기능필요 2 연속작업은사이클이종료되고 5초후에반복 6 비상정지신호때는 B 실린더복귀후 A 실린더복귀 입출력할당 : ( 그림 ) 래더선도 : ( 그림 )
3.6 PLC 프로그래밍 판재벤딩기자동화 P15 P16 LS2 LS4 LS1 LS3 P17 P4 P3 P2 SW ITCH P1 P0 Te 그림. 판재벤딩기구성 xt 비 정지 P0 P15 벤 비 정지해제 P1 P16 클 프 연속작업 P2 P17 클 프해제 연속정지 P3 스타 LS2 LS1 LS4 LS3 P4 P5 P6 P7 P8 그림. PLC 입출력할당과배치도
3.6 PLC 프로그래밍 판재벤딩기자동화 P000 P001 M000 비 정지 M000 M000 P004 M001 M000 P002 P003 M002 M002 스타 연속작업택 M000 M001 M002 M003 M003 M000 M003 M010 M005 M004 M004 TON T001 0020 M000 M001 P006 P008 M006 M010 M005 T001 M005 연속작업스타 2 초설정 A 실린더전진 M000 M005 P005 M007 M006 M006 B 실린더전진 M000 M006 P007 M007 P006 M007 B 실린더후진 M000 M005 M007 P008 M010 P006 M010 P016 A 실린더후진 클 프 M010 M000 M006 P008 P017 P015 클프해제 벤 그림. 판재벤딩기래더선도 END
3.7 PLC 적용사례 용탕주입로봇
3.7 PLC 적용사례 용탕주입로봇 배경 : 주조공정은작업환경이열악 (3D작업) 하므로자동화요구가높음 용탕주입, 주물이송, 주물의버 (burr) 제거는로봇에의한자동화달성 용탕주입작업순서 : 급탕 ( 용해로 ) 중립위치 주행이송 ( 주조기위치 ) 주탕 ( 주조기 ) 중립위치 주행이송 ( 용해로위치 ) 급탕 ( 반복 ) 대차이송형용탕로봇시스템의요구사양 순서대로전체공정제어 PLC 제어가적합 각공정에서로봇팔, 용탕바가지 (ladle), 대차의위치 / 속도제어 서보제어 대차이송용모터와관절및용탕바가지용모터가함께 작동하는경우는없음 관절용동시 3축제어와대차이송용 1축제어로나누어설계 제어기는 CRT 모듈, 3 축관절제어모듈, 1 축대차주행모듈, PLC 모듈로구성
3.7 PLC 적용사례 용탕주입로봇 그림. 용해로와주조기와로봇의배치도
3.7 PLC 적용사례 용탕주입로봇 CRT PLC 3 축모제어기 1 축모제어기 축제어모듈 서보드라이버 서보드라이버 M M M M 관절 #1 2kW 관절 #2 1.3kW 용탕바가지 0.5kW 그림. 용탕주입로봇의제어기구성도 대차 3kW