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제어회로
제어회로(control circuit)는 주 회로에 비교해서 제어선의 회로를 뜻한다. 주간(主幹) 제어기 또는 접촉기 제어 회로 사이를 접속하는 전차 안의 배선을 이른다.
목차
개요
제어회로는 정보에 의해서 장치를 적당히 동작시키고자 하는 경우, 그 정보를 입력 신호로 하여 장치를 조작하기 위한 신호, 동작 또는 에너지를 출력으로 변환하는 기능을 갖는 전자 회로를 통틀어서 이르는 말이다.중앙 처리 장치 내의 제어 전자 회로를 가리키는 경우도 있다.
"신호를 받아 출력하는" 것이 제어회로의 기본이다. 복잡한 제어 시스템도 이를 여러 개 조합해서 만들어졌다고 할 수 있다. 이 "신호를 받아 출력하는" 역할을 담당하는 부품이 릴레이다. PLC를 사용하는 경우에는 실제 릴레이가 사용되는 부분은 적어지지만 내부 프로그램에는 가상의 릴레이를 복수 배치해 제어회로를 만들게 된다. 이러한 것으로부터 제어 회로에 있어서 기본이 되는 빠뜨릴 수 없는 부품이 릴레이다.
제어회로의 구성
자동 제어는 검출부, 조작부, 제어부라고 하는 3개 분야로 구성되어 있다. 인간에 비유하면 검출부는 눈이나 코 등의 감각 기관, 조작부는 손이나 다리 등의 운동 기관, 제어부는 중추 기관에 해당한다.
조절기
조절기는 센서로부터 신호를 받아 설정값이 되도록 조작기에 신호를 보내는 기기이다. 예를 들어 온도 제어를 할 때 설정 온도 이하에서는 히터를 ON으로 하는 신호를 보내고 설정 온도 이상에서는 히터를 OFF로 하는 신호를 보낸다. 이 조절기의 특성에 따라 ON-OFF 및 비례 제어 등의 방식이 결정된다. 자동 제어의 "제어부"에 해당하는 부분이다.
조작기
조절기에서 신호를 받아 수정 작업을 하는 기기이다. 온도 제어의 경우는 히터와 히터를 ON-OFF 시키는 기기에 해당된다. 또, 조작기에서 현재 어느 정도의 양으로 작동을 하고 있는지, 조절기에 피드백한다.
검출기
자동 제어의 감지기는 온도 나 압력 등의 물리량을 감지하는 부분과 감지한 데이터를 전기 신호로 변환하는 부분으로 구성되어 있다. 감지된 데이터는 먼 거리에 있는 제어 장치에 전달된다. 자동 제어 "검출부" 에 해당하는 부분이다.
지시 계기
센서에서 신호를 인간이 보기 쉽게 한 미터로 나타낸다. 온도 제어의 경우 온도계에 해당된다.
간단한 제어 회로의 예
열전대 센서와 온도 조절기의 명령으로 조절되는 SSR(솔리드스테이트 릴레이)을 움직여 수조를 히터로 가열하는 제어회로가 일례이다. 모든 장비는 배선으로 연결되어 있으며, 루프하고 있는 것을 알 수 있다. 자동 제어는 관련된 기기 전체가 통일된 전기 신호로 명령을 주고받으면서 각 기기가 자신의 일을 하면서 전체적으로 일을 하고 있는 것이다.
- 간단한 제어 회로
열전대 종류를 나타내는 기호가 있다. 「K, J, T, E, R, S, B ···」등의 알파벳으로 기재되어 공업규격(KS)과 국제 전기 표준 회의(IEC) 등으로 규격화되어 있다. SSR (솔리드스테이트 릴레이)란 가동 접점 부분이 없는 릴레이 (무 접점 릴레이)이다. 동작으로 유 접점 릴레이와 다르지 않다. 사이리스터, 트라이액 다이오드, 트랜지스터 등 반도체 스위칭 소자를 사용하는 릴레이를 말한다. 온도 보상 도선은 열전대 와 거의 동등한 열기전력 특성을 가진 금속을 사용한 도선이다. 열전대의 종류에 따라 전용의 온도 보상 도선을 사용한다.
간단한 자동 제어의 예이었지만, 회로가 어떻게 구성되어 있는지를 이해할 수 있다. 복잡하게 생각하는 산업용 계장 장치도 기본은 같은 것이다. 검출하고 싶은 부분에 맞는 검출부와 기기를 조작하는 액츄에이터 및 그들에게 맞는 제어부를 잘 선정함으로써 성립되고 있는 것이다.
- 전자식 조절기
조절기는 온도· 압력· 유량 등의 공업 량을 발신기 · 변환기 등으로 계측하고 그 측정 신호와설정 치를 비교하여 그 편찻값에 다양한 연산을 수행하여 조절 밸브, 솔레노이드 밸브 등의 조작단에 제어 신호를 출력하는 것이다. 조절기에 대해서도 마이크로프로세서가 내장된 기능의 고도화가 진행되고 있다.
- 조절 방식
전자식 조절계는 지시 · 기록계를 기본으로 하여 조절부를 부가한 것과 조절부에 지시부를 추가한 것이 있다. 전자에 속하는 전자식 조절계는 가동 코일형 지시계의 지침의 움직임을 파악하고 제어 작업을 수행하는 것과 전자식 자동 평형 기록계의 피드백 저항 (또는 전압)과 결합된 저항을 사용하여 제어 작업을 수행하는 것이 있다. 이런 종류의 조절계는 1 대의 기기로 수신계의 모든 기능을 가질 수 있기 때문에 간이 계장에 많이 사용되고 있다. 그러나 조절부 앞에 기구부를 개재하고 있기 때문에 신뢰도면에서 완전한 전자식보다 떨어질 우려가 있다.
한편, 후자의 조절기에 지시부를 부가 한 형태의 것은 완전한 의미에서의 전자식 조절계로 입력 증폭, 편차 증폭, 연산 등 모든 전자 회로로 하는 것으로, 지시나 경보 회로를 제어 회로에서 일부 분리하도록 되어 있다. 이런 종류의 조절계는 IC 화 된 연산 증폭기를 주체로 구성되어 있으며, 제어 동작도 여러 종류가 있다.
마이크로프로세서를 이용한 전자식 조절계, 이른바 디지털 조절계는 소프트웨어로 조절 기능을 실현하는 것으로, 종래에 없는 고도의 복잡한 제어 동작을 행하게 하고, 또한 기존에는 별도의 연산기로 처리했던 같은 연산 기능을 조절계 내에 가질 수 있게 되어 있다.
현재 조절계의 주류는 이 형태의 것으로, 또 이런 종류에는 중앙 관리를 위한 통신 기능을 가지고 있다. 정밀 온도 조절을 목적으로 한 디지털 조절계의 사양 예를 표에 나타낸다.
- 제어 동작
제어 동작은 온 · 오프 작동 식의 것, 비례 (P) · 적분 (I) 미분 (D) 연산을 수행 P 동작, PI 동작, PID 동작 등이 있다. 온 오프 동작은 제어량이 목푯값보다 작거나 크거나, 즉 그 편차의 극성에 따라 밸브를 전개 · 전폐하는 방식이다.
PID 조절기는 PI 동작과 PD 동작의 단점을 제외하도록 한 것이다. 공정 제어 분야에서는 오래전부터 PID 동작이 압도적으로 현재에도 그것은 변함이 없다. 그러나 마이크로프로세서의 연산 기능을 이용하여 정수를 자동으로 설정하는 디지털식 자동 조절계가 발전하고 있다.
정확한 PID 동작을 얻을 수 있는 오토 튜닝 PID 기능, 퍼지 연산에 의한 오버슈트 억제 기능을 갖춘 것도 있다. 또한 조절계의 제어 신호 (출력)은 연속 출력 외에 펄스 폭 출력, 접점 신호 출력 방식도 있다. 대부분의 조절계는 주 설정과 별도로 경보 용 설정을 가지고 경보 신호를 낼 수 있게 되어 있다.
제어회로 및 계장 루프
계장 및 자동 제어를 할 목적으로 계장 장치 및 계장 제어 장치를 장착하는 것을 말한다. 즉, 모니터링 및 제어를 위해 검출기 및 조절기 등을 설치, 측정 및 측정을 하는 기술이다.
자동 제어의 종류
자동 제어는 제어 방식에 의해 폐쇄 루프 제어와 개방 루프 제어의 두 가지로 크게 분류할 수 있다. 폐쇄 루프 제어는 피드백 제어라고도 한다.
- 폐쇄 루프 제어
피드백 (출력을 입력으로 되돌리는 것)에 의해 측정값(예를 들면 열대어의 사육 시 수온)을 목표치(예를 들면 수조 설정 온도)와 비교하여 측정값과 목표값을 일치시킬 수 있도록 수정 작업을 수행하는 제어이다. 제어계는 폐쇄 루프를 구성할 수 있다. 폐쇄 루프 제어의 예로는 에어컨, 전기 코타 아츠(식탁 형 난방기) 등이 있다.
- 개방 루프 제어
개방 루프 제어의 대표적인 것으로 시퀀스가 있다. 시퀀스 제어 란 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계를 순차적으로 추진해 나가는 제어를 말한다. 시퀀스 제어의 예로는 전자동 세탁기, 자판 판매기 등이 있다.
- 제어 및 계장 루프 구성
아래 그림은 열전대 센서로 온도 조절기의 명령으로 조절되는 SSR(솔리드스테이트 릴레이)을 움직여 수조를 히터로 가열하고 온도를 모니터링하기 위한 온도계 및 이상 시 경보를 울리기 위한 경보 설정기를 설치 한 제어회로의 일례이다.
- 측온 저항체 (온도 검출 단) : 온도를 감지하는 센서이다. 열전대 및 측온 저항체, 방사 온도계 등의 종류가 있다.
- 온도 조절기 (조절계) : 온도 센서의 신호를 수신하여 실제 온도를 지시하고, 미리 설정된 목표 온도와의 차이를 비교하여 적절한 제어 출력을 조작 단에 제공한다.
- SSR (조작 단) : 조절계의 제어 출력을 받아 실제 히터에 미치는 전력을 조정한다. 조작 단으로는 사이리스터, 릴레이, SSR 등이 있다.
- 변환기 : 온도 변환기는 열전대 · 측온 저항체 및 방사식 온도계 등의 검출부의 출력 신호를 수신 계에 대응한 종류의 신호로 변환하는 것이다.
- 경보 설정기 : 미리 설정 한 상한 및 하한 설정값에 도달하면 접점 신호를 출력하는 경보 설정이다. 수위, 압력, 온도 등의 각종 센서와 결합하여 상태 감시 나 이상 상태 검출 등 다양한 용도로 사용한다.
- (온도) 지시 계기 : 센서로부터의 신호를 인간이 볼 수 있도록 한 미터로 표시된다. 온도 제어의 경우 온도계에 해당된다.
제어 신호는 일련의 기기 내에서 순환하고 있다. 이러한 것을 계장 제어 루프라고 한다. 루프 신호 DC4-20mA는 직류이기 때문에 + - 극성이 있다. 변환기에서 출력되는 제어 신호는 계장용 표준 신호 (통일 신호) 인 직류 신호 DC4-20mA를 출력한다. 표준 신호로 DC 1-5 V도 사용된다. 노이즈에 취약한 전송 거리가 긴 필드에서는 신호 전송으로 전류 신호를 사용하는 편이 뛰어나기 때문에 많이 사용되고 있다. DC 0 ~ 20mA 가 아니라 DC4 ~ 20mA가 사용되는 이유는 고장이나 신호 선의 단선에 의한 무(無) 신호 상태 인지 신호 값이 제로 상태 인지를 구별하는 목적이 있다. 또한 4mA 이하의 신호를 사용하여 증폭 회로를 사용하여 2 선식 발신기를 만들 수 있다. 측온 저항체 온도 변환기의 사양이 -20 ~ 80 ℃의 경우 센서가 감지 한 온도 -20 ℃에서 4mA를 변환기에서 출력하고 80 ℃의 경우는 20mA가 변환기에서 출력된다. 그 신호를 지시계 및 온도 설정기 조절기가 받으면 비율로 계산된 각 기기는 인식을 한다
일반적으로 전송 신호는 아날로그 신호와 디지털 신호로 분류된 디지털 신호는 전기 신호와 광 신호로 분류된다.
- ① 아날로그 신호 (통일 신호로 불리는 것)
- · 전기 신호 4 ~ 20mA DC 및 10 ~ 50mA DC의 2 종
- · 공기 신호 0.02 ~ 0.1MPa (0.2 ~ 1 kgf / cm2)
- ② 디지털 신호
- · 전기 신호
- · 광 신호
통일 신호는 프로세스 계장의 고도화에 따라 세계적으로 표준화된 것이다. 온도 변환기의 아날로그 출력은 4 ~ 20mA DC, 프로세스 제어를 위한 압력 변환기의 출력 신호 4 ~ 20mA DC, 나 1 ~ 5V DC의 것이 많이 사용되고 있다.
전자식 변환기는 정보량의 증가, 감시 및 제어 기능 향상, 자기진단, 비용의 감소에 대응하기 위해 디지털 신호에 의한 전송 방식이 증가하고 있다. 광 신호는 광 펄스를 디지털 신호로 전송하는 것으로, 전송로에는 광 파이버 케이블이 사용되고 있다.
검출부 (센서 입력 변환기)에서 출력은 DC 4-20mA이다. 그 신호를 통일 신호로 지시계 및 온도 설정기 등에 전달함으로써 자동 제어가 이루어지고 있다. 계장 및 자동 제어는 분리하여 생각할 수 없는 것이다.
참고자료
- 〈제어 회로〉, 《자동차용어사전》
- 〈제어회로〉, 《용어해설》
- 임장성 강사, 〈63. 제어 회로의 구성〉, 《네이버 블로그》， 2020-07-15
- 임장성 강사, 〈64. 제어 회로 및 계장 루프〉, 《네이버 블로그》， 2020-07-18
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