시퀀스(SEQUENCE) 제어회로의 이해

2012. 10. 21. 04:42 전기/전기 기초 이론
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    자동제어를 분류하는 방식에는 되먹임제어(feedback control)와 시퀀스제어(sequence control)가 있다. 이 중 시퀀스제어란 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계를 점차로 진행해 나가는 제어라 정의하고 있으며, 불연속적인 작업을 행하는 공정제어 등에 널리 이용된다. 이는 일종의 스위치나 버튼을 사용하여 전기회로의 부하를 운전하기도 하고, 부하의 운전상태나 고장상태를 알리기도 하는 일련의 제어를 말하는 것으로 근래에 사용되는 전기회로는 모두 이러한 시퀀스회로로 만들어져 있으며, 예로 빌딩이나 공장 등에서 엘리베이터를 움직이고 고장을 알리기도 하고, 세탁기, 냉장고, 자동판매기 등도 시퀀스로 움직이고 있다. 되먹임제어(피드백제어)는 피드백에 의해 제어량을 목표값과 비교하여 일치시키도록 정정 동작을 하는 제어이다. 무접점 소자를 이용한 제어회로에는 PLC 등의 전자회로를 사용한 것이 있고, 유접점 소자는 버튼스위치나 각종 계전기(Relay)를 사용한 것이다.

    유접점 릴레이 시퀀스는 계전기 접점들의 개폐에 의하여 제어가 이루어지므로 과부하 내량과 개폐부하의 용량이 크고 온도 특성이 좋으며, 전기적 잡음이 적어 입 출력이 분리되고 접점의 수에 따라 많은 출력 회로를 얻을 수 있어서 많이 사용되어 왔다. 그러나 소비전력이 비교적 크고, 제어반의 외형과 설치 면적이 크며, 접점의 동작이 느릴 뿐더러 진동이나 충격 등에 약하여 수명이 짧은 것이 단점이다.

    가장 많이 사용하는 방법으로 시퀀스도라고도 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.

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

    논리 기호를 사용하여 신호처리회로를 그림으로 나타낸 것이다.

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

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

    푸시버튼 스위치는 손으로 누르는 동안만 동작을 하고, 손을 놓으면 동작이 복귀되는 접점으로 a접점과 b접점이 있다. a접점(a contact, 또는 메이크 접점 make contact)은 누르고 있는 동안만 접점이 닫히는 것이고, b접점(b contact, 또는 브레이크 접점 break contact)은 누르고 있는 동안은 접점이 열리는 것이다. 접점의 구성은 1a1b, 2a2b로 표현하며, 단일 접점과 여러 개인 경우는 4개의 접점까지 사용한다.

    유지형 수동 스위치는 사람이 일단 수동 조작을 하면 반대로 조작할 때까지 접점의 개폐상태가 유지된다. 종류에는 토글 스위치, 셀렉터 스위치, 캠 스위치 등이 있으며 우측의 그림은 기호를 나타낸 것이다.

    토글 스위치(스냅 스위치)는 상하 또는 좌우로 움직여 ON/OFF할 수 있는 것이고, 셀렉터 스위치는 손잡이를 좌우 회전하여 ON/OFF하는 것이며, 캠 스위치(로터리 스위치)는 손잡이를 회전하여 접점을 접속하는 것으로 10단 이상의 접점을 가질 수 있다.

    검출 스위치는 자동화 시스템에서 없어서는 안될 만큼 제어 대상의 상태나 변화 등을 검출하기 위한 것으로 위치, 액면, 온도, 전압, 그 밖의 여러 제어량을 검출하는 데에 사용되고 있다. 사람이 가해주는 힘 이외에는 복귀형 스위치와 같은 동작을 한다.

    시퀀스 제어의 촉각 작용을 하는 것으로, 제어대상의 위치 검출, 기계의 구동 거리제한 및 공정의 변환 등을 위한 검출용 스위치의 대표적인 것으로 기계적인 신호를 전기적 신호로 변환한다. 동작은 검출될 부분에 스위치의 접촉부가 닿으면 접촉자가 움직여 접점이 개폐된다. 역시 a접점과 b접점이 있다. 캠은 정해진 위치의 진행상황을 검출하며, 도그는 정해진 위치에 있는지의 여부를 검출한다.

  • 그림과 같이 절연 용기 속에 불활성 가스와 2개의 가늘고 긴 접점이 봉입되어 있는 곳에 N극과 S극의 자석을 접근시키면 이 접점은 자석에 의하여 N, S극이 생겨 서로 흡입되어 접점이 동작한다.

    근접스위치는 물리적인 접촉으로 대상물의 유무 상태를 검출하는 무접촉형 스위치이다. 1차, 2차의 코일을 그림과 같이 배치하고, 1차 코일에 고주파 전류를 가하면 평상시는 평형을 유지하므로 2차측 코일에 전압이 발생하지 않는다. 그러나 검출헤드에 금속체를 접근시키면 맴돌이전류가 발생되어 평형상태가 무너지며 2차 코일에 전압이 발생한다. 이 전압을 증폭하여 출력릴레이를 구동한다.

    빛을 발생하는 광원과 빛을 받아들이는 포토 다이오드나 포토트랜지스터를 1개조로 하여 물체가 광로(光路)를 지나갈 때 광로의 변화나 광량의 변화를 이용하여 접점을 개폐하여 물체를 검출하는 접점으로, 물체의 접촉에 의한 것이 아니고 움직이는 물품의 계수나 기계적 동작의 제한 등에 사용한다. 빛의 전달속도가 빠르므로 무접점 회로의 경우 분당 수만 회의 검출도 가능하다. 이에는 투과형, 반사형, 복사형이 있다.

    투과형은 빛을 내는 투광기와 빛을 받아들이는 수광기 사이에 물체가 지나가는 것을 감지하는 것이고, 반사형은 투광기에서 발사된 빛이 물체에 반사되어 수광기에 들어오는 방식이며, 복사형은 투광기 없이 물체의 자연 복사광에 의해 수광기에서 받아 물체를 검출하는 것이다.

    레벨 스위치라고도 하며, 액면의 높이를 검출하기 위한 것으로 액면이 올라가면 액면에 떠있는 플로트가 리밋스위치를 밀어 접점을 개폐하기 위한 것이다. 액면이 내려가면 플로트도 내려가 리밋스위치는 스프링의 힘에 의해 원상 복귀된다.

    온도스위치란 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.

    계전기는 푸시버튼과는 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 b접점이 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 공통접점부가 회로에서 공통으로 사용되고 있는지 확인하고 사용하여야 한다.

    제어용 릴레이의 사용 시는 조작 전원의 정격, 필요한 접점의 수, 제어 전원의 용량 등을 고려하여 특성에 맞게 선택하여야 한다.

    한시계전기는 입력신호를 받아 설정된 시간이 경과한 후 동작이 되는 일종의 계전기이다. 시간을 계산할 때에는 소형의 전동기를 사용하는 방법과 전자회로를 사용하는 방법이 있는데 주파수의 영향을 받는 경우가 있으므로 이를 고려해야 한다. 우리 나라의 경우에는 교류전압의 상용주파수가 60[Hz]이므로 50/60[Hz]의 기구에서는 60[Hz]로 조정하여 사용한다. 접점 등은 계전기와 같지만 접점의 동작을 시간을 두고 동작시킬 수 있다는 것이 가장 큰 차이점이다.

    접점의 동작은 한시동작접점과 한시복귀접점이 있다. 한시동작접점은 동작하는데 시간이 걸리는 접점으로, 타이머 기동 후 설정된 시간이 지나서 접점이 동작한다. 한시복귀접점은 복귀하는데 시간이 걸리는 접점으로, 타이머 기동과 동시에 접점이 동작하고 설정된 시간이 지난 후에 원래의 위치로 복귀되는 접점이다. 대부분 한시 a접점과 한시 b접점은 한 쪽을 공통(c접점)으로 하여 사용되게 만들어져 있다.

  • 자접촉기는 전자석의 동작에 의해 접점을 개폐하는 기구로서, 전동기 등의 동력부하에는 필수적으로 사용되고 있다. 동작은 계전기와 같고, 접점은 주접점과 보조접점으로 나뉘어 있어 주접점은 부하의 전원을 개폐하며 보조접점은 계전기와 동일하게 제어회로에 사용된다.

    과부하계전기는 열동계전기 또는 서멀릴레이라고도 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.

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

    압력스위치(pressure switch)는 명칭과 같이 일정한 압력에 이르면 스위치가 ON/OFF되는 것이다.

    저압인 것은 다이어프램의 신축을 이용하고 유압, 수압과 같이 고압인 것은 부르동관(Bourdon tube)의 신축을 이용하여 스위칭(switching)동작을 하게 하는 것이다.

    유지형 계전기는 입력 신호의 변화에 의해서 출력신호를 개폐하는 계전기이다. 즉 계전기의 변화 신호로써 상태 신호를 변환하는 기능을 갖는다. 이 계전기는 한쪽 접점이 동작되고 여자전류가 없어도 이 상태는 계속 유지된다. 이때 반대쪽 코일에 전류를 가하면 본래의 상태로 복귀된다. 이러한 유지형 계전기는 여자 전류가 흐르는 기간이 짧고 소비전력 및 발열이 적으며 특히 출력 접점의 개폐 상태가 정지되었을 경우 그대로 유지되는 것이 특징이다. 이러한 유지형 계전기는 대형전자접촉기나 차단기 등의 제어용으로 사용된다.

    스테핑계전기는 다수회로의 순차절환스위치로서 펄스의 계수 축적과 재송출 임의회로의 자동 선택 등 그 용도는 매우 다양하다. 코일이 여자될 때마다 도그를 이용한 가동접점이 움직여 다음 접점으로 차례로 절환된다.

    배선용차단기는 손잡이를 ON, OFF 시킴으로써 단자 부에 배선된 전기회로를 개폐할 수 있으며, 단락보호와 과부하 보호의 목적으로 사용된다. 단락이나 과부하 시 자동적으로 트립(trip)되어 회로를 자동으로 차단하며 트립의 원인을 제거한 후 다시 손잡이를 올리면 정상동작을 한다. 트립되는 것은 바이메탈의 원리를 이용한 것으로 과전류에 의해 발생된 열에 의해 동작한다.

    단락이란 배선된 회로에 어떠한 도체가 접촉하여 정상적인 전류보다 수십 배 이상의 많은 전류가 흐르게 되는 상태를 말하고, 과부하란 회로에 정격을 초과하여 전류가 지속적으로 흘러 전선 등이 과열될 수 있는 상황으로 화재의 원인이 된다

    자기유지회로는 푸시버튼 등의 순간동작으로 만들어진 입력신호가 계전기에 가해지면 입력신호가 제거되어도 계전기의 동작을 계속적으로 지켜주는 회로이다. 이 회로는 제어계의 가장 기본이며 유지형 스위치를 사용하지 않고 자기유지회로를 이용하는 이유는 공급 전원이 무단으로 차단된 후 재 공급될 경우의 회로를 보호하기 위함이다.

    타이머에 의해 설정된 시간만큼 늦게 동작하는 회로이다. 동작이 늦고 복귀는 타이머 코일과 함께 되는 지연 동작 회로와, 동시에 동작하고 늦게 복귀되는 지연 복귀회로가 있다.

    2개 이상의 회로에서 한 개회로만 동작을 시키고 나머지 회로는 동작이 될 수 없도록 하여주는 회로이다. 이 회로의 사용 목적은 기기 및 작업자의 보호를 위하여 관련 기기의 동작을 금지하기 위한 것으로, 상대 동작 금지 회로 또는 선행 동작 우선 회로라고도 한다.

    3상 유도전동기의 구동원리는 120?의 위상차를 갖는 3상 전원에 의해 회전 자장이 발생하여 회전자가 움직인다. 3상 전동기에 입력되는 3상중에서 두개의 상을 바꾸어 주면 회전력이 반대 방향으로 되므로 역회전의 운전을 할 수 있다. 이 경우에는 정회전과 역회전 동작이 동시에 일어나게 되면 주회로가 단락되어 위험한 상태가 되므로 정 역회전 동작이 동시에 발생하지 않도록 인터록회로를 반드시 넣어 주어야 한다.

    우선회로는 우선권이 있는 회로가 동작이 되고 난 이후에야 나머지 회로가 동작이 되는 회로로서 동작에 순서가 정해져 있을 경우에 사용되는 회로이다. 예로, 엘리베이터의 출입문이 닫히지 않은 상태에서는 절대로 엘리베이터를 올리고 내리는 전동기가 돌아가서는 안돼는 회로를 구성할 경우에 필요한 회로이다.

    기동 전류가 적은 소형의 전동기는 별도의 고려할 사항이 없이 직접 전동기를 기동, 정지시켜 사용하는데, 이러한 경우에 직입기동 방식을 사용한다. 조작 버튼이 ON, OFF 버튼만으로 조작이 가능하다. RL, GL, OL은 표시회로로 구분하기도 하는데 이는 전동기의 동작 상황이나 제어회로의 동작 상황을 알리기 위하여 만들어진 것으로, OL의 경우는 열동계전기가 과부하로 인해 동작되었을 경우에 점등되고 회로가 차단되는 데, 과부하의 원인을 제거한 이후에 다시 투입하면 된다.

    전동기는 시동 시에 큰 전류(기동전류, inrush current)가 흐르게 되는데, 이로 인해 차단기가 트립 되는 경우가 있어 전동기의 기동이 되지 않으며, 전동기에도 전기적인 무리가 가게 되므로 이를 줄이기 위한 방법으로 이 회로를 사용하면 시동 시 전류가 정상운전시의 전류보다 적게 흘러 차단기가 트립 되는 것을 방지하여 운전하는 회로이다. 기동 시에는 스타결선(Y결선)으로 하면 전동기 코일에 선간전압의 정도밖에 걸리지 않으므로 각 상에 에 해당 하는 전류가 흐르게 된다.

    전동기를 기동 한 후에는 안정적인 상태가 되어 Δ결선으로 바꾸어 주면 된다. 물론 타이머를 사용하여 설정된 시간이 지난 뒤에 바꾸어 주어도 된다.

    논리회로는 앞에서 설명된 유접점회로와는 달리 무접점회로로, 다이오드, 트랜지스터, IC, 다이리스터 등을 사용하여 기본적인 회로의 기능을 발휘하게 하는 회로의 소자이다.

    무접점 논리회로는 접점이 없이 입력 신호로 출력신호를 제어하는 것으로, 전자회로를 이용한 제어회로 구성에 널리 사용되고 있다.

    아래 그림은 시퀀스회로와 논리회로를 나타낸 것으로, 유접점회로를 무접점회로로 바꾼 것이다. 이러한 것을 이용한 것이 전자 제어 방식이며, 진보된 것으로 PLC(programmable logic controller)나 COMPUTER을 이용한 제어방식이 있다.

    위의 논리회로는 앞에서 다룬 다이오드를 사용할 수도 있지만, AND, OR, NOT, NOR, NAND gate들이 내장된 IC를 조합하여 사용하고 있다. 위의 논리회로는 AND gate와 OR gate, NOT gate를 갖는 IC를 사용하여 자기유지 회로를 구성한 것으로 IC에 공급될 전원은 생략했다. Vcc(+)와 GND에 IC의 정격전압을 공급하여야 IC가 동작을 한다.

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