PLC 아날로그 신호의 스케일링과 오프셋 보정 방법

PLC 아날로그 신호의 세계로 들어가는 길

공장 자동화 현장이나 스마트 팜, 빌딩 자동화 시스템을 보다 보면 센서에서 들어오는 정보를 처리해야 하는 상황을 자주 마주하게 됩니다. 온도, 압력, 유량, 습도 같은 물리적인 세상의 값들은 눈에 보이지 않는 연속적인 전기 신호로 바뀌어 제어기의 두뇌라고 할 수 있는 PLC로 들어오게 됩니다. 여기서 아주 중요한 문제가 하나 발생합니다. 센서가 보내주는 전압이나 전류 값과 PLC가 이해하는 디지털 숫자는 그 언어가 서로 다르다는 점입니다.

이 서로 다른 언어를 완벽하게 통역해 주는 과정이 바로 스케일링입니다. 현장의 0에서 10볼트 혹은 4에서 20밀이암페어라는 아날로그 신호를 PLC가 알아듣기 쉬운 숫자 값으로 바꾸고, 반대로 PLC가 현장의 기계를 움직이기 위해 내보내는 명령을 다시 전기 신호로 바꾸는 이 기술은 자동화 엔지니어에게는 숨쉬기처럼 자연스러우면서도 가장 기본이 되는 작업입니다. 여기에 센서의 노화나 배선 문제로 인해 생기는 미세한 오차를 바로잡아주는 오프셋 보정까지 더해지면 비로소 정확하고 신뢰할 수 있는 제어 시스템이 완성됩니다.

아날로그 신호와 디지털 숫자가 만나는 방식

PLC는 본질적으로 컴퓨터와 같습니다. 0과 1이라는 디지털 신호만 처리할 수 있기 때문에 연속적으로 변하는 아날로그 신호를 그대로 이해하지 못합니다. 그래서 아날로그 입력 카드라는 특별한 장치가 중간에서 센서의 신호를 받아 일정한 간격으로 잘게 쪼개어 숫자로 바꿉니다. 이를 아날로그 디지털 변환 과정이라고 부릅니다.

예를 들어 어떤 압력 센서가 0에서 10메가파스칼의 압력을 측정할 때 4에서 20밀이암페어의 전류 신호로 바꿔서 PLC에 보낸다고 가정해 보겠습니다. 이 신호를 받는 PLC의 입력 카드가 0에서 32767이라는 내부 정수 값을 사용하도록 설정되어 있다면, 현장의 4밀이암페어는 0이라는 숫자가 되고 20밀이암페어는 32767이라는 숫자로 변환됩니다. 이때 12밀이암페어라는 중간 값이 들어오면 PLC는 대략 16383이라는 숫자를 읽게 됩니다.

하지만 제어 화면을 보는 작업자에게 16383이라는 숫자는 아무런 의미가 없습니다. 작업자에게는 지금 파이프 안에 5메가파스칼의 압력이 걸려 있다는 직관적인 정보가 필요합니다. 바로 이 순간에 스케일링이 필요해집니다. PLC 내부에서 간단한 비례식을 이용해 0에서 32767 사이의 숫자를 다시 0에서 10이라는 실제 물리량의 단위로 바꾸어 주는 것입니다.

스케일링을 구현하는 두 가지 방법

현장에서 스케일링을 구현하는 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다. 첫 번째는 PLC 제조사에서 기본적으로 제공하는 전용 명령어를 사용하는 방법입니다. 미쓰비시나 지멘스, 로크웰 같은 주요 제조사들은 스케일링을 위한 함수나 블록을 기본적으로 제공합니다. 사용자는 단순히 최소값, 최대값, 그리고 현재 입력값만 입력하면 알아서 계산된 결과값이 나오는 편리함을 누릴 수 있습니다.

두 번째는 사용자가 직접 수식을 작성하여 계산하는 방법입니다. 1차 함수 그래프를 떠올리면 아주 쉽습니다. y는 ax 플러스 b라는 일차 방정식을 PLC의 래직 프로그램이나 구조적 텍스트로 구현하는 것입니다. 이 직접 계산 방식은 제조사나 기종을 불문하고 똑같이 적용할 수 있으며, 시스템의 특성에 맞게 연산 방식을 세밀하게 조절할 수 있다는 장점이 있습니다.

• 전용 명령어를 활용하면 프로그램 작성이 단순해지고 오류가 줄어듭니다
• 직접 수식을 구현하면 복잡한 비선형 센서의 특성도 어느 정도 보완할 수 있습니다
• 정수 연산과 실수 연산의 차이를 이해해야 소수점 이하의 오차를 막을 수 있습니다

오차를 바로잡는 마법 같은 기술 오프셋 보정

이론적으로는 센서가 정확한 값을 보내고 PLC가 그것을 완벽하게 읽어야 하지만, 현실 세계는 그렇게 호락호락하지 않습니다. 센서 자체의 제작 오차, 오랜 시간 사용으로 인한 성능 저하, 그리고 현장의 긴 전선 길이로 인한 전압 강화나 전기적 노이즈 등 다양한 이유로 실제 값과 PLC가 읽는 값 사이에 차이가 발생합니다.

아무런 압력이 걸리지 않았는데도 압력계가 0.2메가파스칼을 가리키거나, 온도 센서가 상온인데도 2도 높게 측정되는 현상이 대표적입니다. 이때 필요한 것이 바로 오프셋 보정입니다. 오프셋이란 기준이 되는 영점이나 특정 지점의 차이 값을 뜻하며, 이 차이만큼 전체 측정값에서 더해주거나 빼주어 정확한 일치를 만드는 작업을 말합니다.

보통 영점 보정과 스팬 보정으로 나누어 진행합니다. 영점 보정은 입력이 전혀 없을 때 출력이 정확히 0이 되도록 기준점을 평행하게 이동시키는 작업이며, 스팬 보정은 최대값 부근에서의 기울기를 조절하여 전체적인 측정 범위를 바르게 맞추는 작업입니다. 이 두 가지를 올바르게 수행하면 센서가 비싸거나 오래되더라도 소프트웨어적인 방법으로 새것처럼 정확한 성능을 이끌어낼 수 있습니다.

현장에서 흔히 저지르는 실수와 진실

아날로그 신호를 다룰 때 현장 작업자들이 가장 많이 하는 오해 중 하나는 배선이 길어지면 전압 신호가 더 안전할 것이라는 생각입니다. 실제로 거리가 먼 곳에서 센서 신호를 끌어올 때는 전압 신호보다 전류 신호가 훨씬 유리합니다. 전압은 거리가 멀어지면 저항에 의해 전압 강하가 일어나 값이 떨어지지만, 전류는 폐회로 안에서 일정한 크기를 유지하려는 성질이 있어 노이즈와 거리의 영향에 훨씬 강인하기 때문입니다.

또 다른 흔한 실수는 분해능에 대한 이해 부족입니다. PLC 아날로그 카드의 분해능이 높을수록 더 미세한 변화를 감지할 수 있지만, 그렇다고 모든 센서에 최고급 카드를 쓸 필요는 없습니다. 센서 자체의 정밀도가 낮다면 아무리 비싸고 분해능이 높은 PLC 카드를 써도 의미 없는 미세한 노이즈 숫자만 잔뜩 읽게 될 뿐입니다.

스케일링 과정에서 데이터 형식을 잘못 지정하여 발생하는 사고도 잦습니다. 정수 형태의 데이터를 실수 형태로 나누는 과정에서 소수점 이하가 통째로 잘려나가 제어가 엉뚱하게 튀는 현상이 발생하기도 합니다. 데이터를 다룰 때는 항상 입력값과 연산 결과의 데이터 타입이 일치하는지 꼼꼼하게 확인하는 습관이 중요합니다.

비용을 아끼고 효율을 극대화하는 노하우

공장을 운영하거나 자동화 시스템을 구축할 때 비용 효율성은 언제나 최우선 고려 대상입니다. 아날로그 신호 처리 과정에서도 비용을 아끼는 실용적인 방법들이 있습니다. 고가의 특수 센서나 하드웨어 자체를 교체하기 전에 소프트웨어적인 스케일링과 오프셋 보정을 먼저 점검하는 것이 그 첫 번째입니다.

현장에 설치된 센서가 조금 틀어졌다고 해서 곧바로 새 센서로 교체하면 부품 비용과 작업 시간이 낭비됩니다. PLC 프로그램 내에서 간단한 보정 루틴을 만들어 두면, 정기 점검 때 표준 교정 장비로 측정한 오차 값을 프로그램에 입력하는 것만으로도 센서의 수명을 몇 년은 더 연장할 수 있습니다.

또한 노이즈로 인한 오작동을 막기 위해 하드웨어적인 필터링 외에도 PLC 프로그램 내에서 이동 평균 필터를 구현하는 것도 좋은 방법입니다. 여러 번 들어온 아날로그 값을 모아서 평균을 낸 뒤 스케일링을 거치면, 순간적인 전기 노이즈로 인해 값이 튀는 현상을 소프트웨어적으로 완벽하게 잡아낼 수 있어 별도의 고가 노이즈 필터 구입 비용을 아낄 수 있습니다.

아날로그 입력 신호 처리와 관련해 자주 묻는 질문들

질문: 센서를 바꿨더니 PLC에 표시되는 온도가 실제와 완전히 다릅니다. 어떻게 해야 하나요?

답변: 센서의 스펙과 PLC 아날로그 입력 카드의 설정 범위가 일치하는지 먼저 확인해야 합니다. 예를 들어 PT100 온도 센서를 연결했는데 PLC 카드가 열전대용으로 설정되어 있다면 당연히 엉뚱한 값이 나옵니다. 또한 스케일링 수식에서 최저 온도와 최고 온도 값이 새로운 센서의 특성과 맞는지 점검해야 합니다.

질문: 현장 화면에 숫자가 가만히 있지 않고 계속 미세하게 덜덜 떨리면서 바뀝니다.

답변: 이는 주변의 모터나 인버터 등에서 발생하는 전기적 노이즈가 아날로그 신호선에 유입되었거나, 센서가 측정하는 물리량 자체가 원래 미세하게 흔들리는 성질을 가질 때 발생합니다. 차폐 케이블을 제대로 접지했는지 확인하고, PLC 프로그램 내부에서 최근 측정값 몇 개를 더해 평균을 내는 필터링 로직을 추가하면 숫자가 차분하게 안정됩니다.

질문: 4에서 20밀이암페어 신호를 쓰는데 선이 끊어지면 PLC는 어떤 값을 읽게 되나요?

답변: 4밀이암페어가 최저값이므로 단선이 되어 전류가 0이 되면 PLC는 정상적인 측정 범위보다 더 낮은 값을 읽게 됩니다. 많은 엔지니어들이 이 점을 이용하여 PLC 프로그램에서 입력값이 특정 이하로 떨어지면 단선 알람을 띄우도록 설정하여 시스템의 안전성을 높입니다.

엔지니어가 전하는 실전 운용 팁

현장에서 수많은 아날로그 신호를 다루다 보면 몇 가지 원칙의 중요성을 깨닫게 됩니다. 첫째도 기록이고 둘째도 기록입니다. 처음 스케일링을 잡을 때 어떤 센서의 어떤 스펙을 기준으로 수식을 만들었는지 프로그램 주석이나 별도의 시트에 반드시 남겨두어야 합니다. 몇 년 뒤에 담당자가 바뀌었을 때 이 기록이 없다면 단순한 오프셋 조정 하나를 위해 온종일 고생하게 됩니다.

실제 물리량과 PLC가 읽는 디지털 값을 주기적으로 비교하는 교정 일정을 세우는 것도 좋습니다. 아무리 성능이 좋은 시스템이라도 시간이 지나면 미세한 틀어짐이 생기기 마련입니다. 분기별 혹은 반기별로 표준 측정기를 들고 현장을 돌며 오프셋 값을 조금씩 다듬어 주는 것만으로도 제품 불량률을 획기적으로 낮추고 공장의 신뢰도를 높일 수 있습니다.

아날로그 신호 처리는 복잡한 수학 공식이 아닙니다. 현장의 물리적인 상태를 제어기의 숫자로, 그리고 그 숫자를 다시 현장을 움직이는 힘으로 바꾸어 주는 가장 정직하고 솔직한 대화의 수단입니다. 이 기본기를 탄탄하게 다져두면 그 어떤 복잡한 자동화 설비가 앞에 있더라도 당황하지 않고 안정적으로 제어할 수 있는 든든한 무기가 될 것입니다.