19-1-13 자동화 설비에 사용되는 유압과 공기압에 대하여 각각 장단점을 설명하시오
19-2-4 PLC(programmable logic controller)의 특징과 구성요소에 대하여 설명하시오.
17-4-5 자동화 설비에 사용되는 유압과 공압에 대하여 각각의 장점 4가지, 단점 4가지를 설명하시오.
14-3-2 자동화 기계에 사용되는 PLC(Programmable Logic Controller)에 대하여 설명하시오.
1. 개요
1) 자동화 설비
자동화를 하는 가장 큰 이유는 효율성의 극대화 (원하는 시간에 원하는 양만큼 생산을 가능하게 함)
운영비용을 낮추고 영업비용에 영향을 미치며, 자동화를 통해 얻을 수 있는 비용 절감효과는 에너지 및 자원 사용의 최적화와 깊은 연관성이 있음
2) 생산자동화를 하는 이유
- 작업능률 개선
- 인원 감소 (인건비 절감) : 인건비 상승과 노사분규 등의 이유
- 생산능력 확대
- 단순히 인력 감소를 통한 원가 절감의 수단 X → 종업원을 힘들고 위험한 작업으로부터 효율적으로 편하게 작업할 수 있게 하여 부가가치를 높일 수 있음
3) 자동화 구현에 필요한 구성 요소
- 기구(기계) : 대표적으로 로봇이 있음
- 전기 : 모터, 압축기, 로봇 등의 구동을 위한 전력
- 제어 : 제어 시스템
- 센서 (IoT) : 센서를 통해 상황을 인식하여 자동화 공정을 수행
- 컨트롤 시스템
- 자동화 전체를 관리하는 알람 & 모니터링 시스템
2. PLC
1) PLC (Programmable Logic Controller)의 정의
산업 플랜트의 자동 제어 및 감시에 사용하는 제어장치
입력을 프로그램에 의해 순차적으로 논리 처리하고, 출력 결과를 이용해 연결된 외부 장치를 제어함
순차제어 (Sequential Control)에 사용되는 대표적인 장치
스마트팩토리 (Smart Factory), 공장자동화 (FA; Factory Automation)와의 차이, CPS, ERP, MES
22-1-5 데이터 수집 측면에서 생산자동화(공장 자동화)와 스마트 팩토리(Smart Factory)의 차이점을 설명하시오. 22-1-8 스마트 팩토리의 생산시설 통합 소프트웨어 플랫폼인 CPS(Cyber Physics System)에 대하
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2) PLC 특징, 장단점
(1) PLC 특징
- 산업현장에서 기계 제어 등에 많이 사용 (특히 순차제어에 많이 사용)
- 여러개의 입출력을 가짐
- 광범위한 온도 범위에서 동작해야하고 전기적 노이즈 및 진동과 충격에 강해야함
- 입력에 대해 실시간 처리 능력을 가짐으로써 정해진 시간의 입력 조건에 대해 출력은 정해진 시간 안에 반응
- 신호처리가 빠르고 정확한 연산을 수행할 수 있음
- 다양한 작업을 자동으로 제어할 수 있음
- 조작과 유지보수가 편리함
(2) PLC 장단점
| 장점 | 단점 | ||
| 유연성 | :다양한 작업을 유연하게 대응 (프로그래밍하여 동작 방식을 변경하거나 새로운 작업 추가) | 초기비용 | 도입비용이 상대적으로 높음 (구성요소, 소프트웨어, 장비 및 설치비용) |
| 신뢰성 | 안정적인 동작 작용 (오류감지기능) | 전문지식요구 | 프로그래밍과 유지보수에 전문지식이 필요함 (교육이나 외부전문가 필요) |
| 중앙집중제어 | 중앙 통합 제어로 작업의 통일성과 일관성 유지, 운영 및 유지보수가 용이해짐 | 제한된 연산 | 논리적 연산에 적합한 제어를 수행하는데 사용됨 |
| 실시간 모니터링 | 실시간으로 작업 모니터링, 문제를 조기에 파악하고 대응할 수 있음 | 유지보수 | 전문가 도움이 필요할 수 있음 |
| 확장성 | 필요에 따라 확장, 새로운 입력과 출력 모듈을 추가, 기존의 구성 요소를 변경 | ||
3) PLC 역할
- 자동화시스템의 중앙집중제어와 모니터링
센서와 액추에이터 등에 연결, 시스템 작업을 제어하고 모니터링 수행
ex. 불량품 검출 조건을 프로그래밍해서, 불량품을 발견하면(결함) 생산라인이 아닌 불량품 라인으로 보 - 논리적인 연산 수행, 출력 제어
센서로부터 신호를 입력받아 내부적으로 논리적인 연산 수행, 정해진 조건과 규칙에 따라 액추에이터 등 출력장치의 출력을 제어하여 시스템 운영
4) PLC 구성 요소
크게 CPU부, 메모리부, 전원부로 나눌 수 있음
- CPU (Central Processing Unit)
두뇌 역할, 논리장치와 메모리, 타이머, 플래그로 구성. 로직에 따라 I/O(input, output) 제어 - Memory
CPU는 저장된 데이터를 사용, 메모리는 입력한 상태 정보 및 장치 정보를 저장하는 역할
논리회로로 이루어져 있기 때문에 메모리가 필요함 (연산값들을 저장) : 논리 및 제어 프로그램, 변수, 타이머 저 - Input Area
센서나 스위치를 통해 1 또는 0의 값을 얻음 (디지털 기준) - Output Area
출력을 제어하는 것. 밸브, 로봇의 구동부, 솔레노이드 밸브, 모터 등을 제어 - 전원공급장치
PLC에 전원을 공급하는 장치 - Programming 장치
논리제어를 위해 논리를 작성하는 장치.
5) PLC 작동 흐름
① 외부 입력 모듈에서 신호 수집
ex. 센서가 사람이 다칠 수 있는 상황을 감지하면 PLC 시스템에 신호를 보냄
② 입력신호를 통해 논리적 판단을 수행할 준비 (프로그램 메모리로부터 기존 프로그래밍한 데이터를 읽어들임)
ex. 센서가 움직임을 인식하는 기준, 팔이 기계로부터 얼마나 가깝게 들어왔는지 등 다양한 조건을 업데이트
③ 논리 판단을 위한 출력 (논리 게이트와 알고리즘을 통해 이루어짐)
ex. 보호 회로가 작동을 해야하는지, 하면 안되는지 판단 (얼마나 들어왔는지? 다칠 수 있는지? 0 ~ 1)
④ 출력값이 생성되면 출력모듈을 통해 외부 장치나 기계에 이를 전달하여 프로세스나 장치를 제어
ex. 안전 보호 회로가 작동하여 기계가 작동을 멈춤
3. 자동화 설비 유압과 공압의 비교
1) 유압 자동화 설비의 종류
- 유압 프레스
- 유압 로봇
2) 유압 자동화 설비의 장단점
(1) 장점
- 높은 압력을 사용해 큰 힘을 낼 수 있음 (파스칼의 원리)
- 유압 작동유 사용으로 별도의 윤활 장치가 불필요함
- 비압축성 → 정확한 위치 제어, 저속 및 균일한 속도의 운동이 가능
- 여러 기능을 가진 밸브 사용 (유압 밸브) 으로 힘과 속도 및 방향을 조정
- 에너지 전달매체로 비압축성 유체를 사용해 반응속도가 빠름 (입력과 동시에 작동)
(2) 단점
- 유압 작동유의 누설로 지저분해질 수 있음
- 화재위험
- 부품값이 비쌈
- 온도에 따른 점도 변화로 시간이 흐르면 작동유의 유동 특성이 달라짐
- 주기적인 오일 교환이 필요함
- 높은 압력 사용으로 취급에 유의해야함
- 배관라인 구성이 복잡함
- 액츄에이터의 운동 속도가 느림
3) 공압 자동화 설비의 종류
- 공압 컨베이어 벨트
- 공압 픽 앤 플레이스 시스템
4) 공압 자동화 설비의 장단점
(1) 장점
- 장소에 구애받지 않고, 누구나 자유롭게 사용
- 공해 문제가 없음
- 안전함
- 공기압 에너지는 저장이 쉬움 (공압 탱크에 손쉽게 축적)
- 기계적인 힘으로 제어하기 용이함
- 실린더를 이용, 쉽게 기계적 에너지로 전환 가능함
- 제어가 간단하고 속도 제어가 가능함
(2) 단점
- 압축 공기를 만드는데 많은 준비가 필요함 (콤프레서, 공압 탱크 등)
- 공기의 압축성때문에 정밀 제어가 어려움 (압축성 유체)
- 출력이 약해 큰 힘이 요구되는 곳에는 부적합함
- 배기 소음이 발생할 수 있음 (압축 공기)
- 사용 중 응축수가 발생하여 제어 성능에 영향을 줌
- 운전 비용이 많이 발생함
5) 유압과 공압 비교
| 구분 | 유압 자동화 설비 | 공압 자동화 설비 |
| 장점 | 높은 힘 낮은 속도 높은 토크 |
낮은 비용 간단한 설계 빠른 속도 |
| 단점 | 높은 유지보수비용 작동유 누출 가능성 환경 오염 가능성 |
낮은 힘 압축 공기 필요 소음 발생 |