자동화와

제어기술제4장 자동화의 기초

제5장 산업용 제어 시스템

제6장 자동화와 공정제어를 위한 하드웨어

구성요소

제7장 컴퓨터 수치제어(CNC)

제8장 산업용 로봇

제9장 이산제어와 PLC

PART

2

Au t oma t i o n , P r o du c t i o n S y s t ems , a n d Compu t e r - I n t e g r a t e d Ma n u f a c t u r i n g

자

CHAPTER04자동화의 기초

4.1 자동시스템의 기본 요소

4.1.1 자동화 공정을 위한 동력

4.1.2 명령 프로그램

4.1.3 제어 시스템

4.2 발전된 자동화 기능

4.2.1 안전 모니터링

4.2.2 유지보수 및 진단

4.2.3 에러 감지 및 복구

4.3 자동화 계층

동화(automation)는 사람의 개입 없이 이루어지는 공정 또는 절차를 구축하기 위한 제반 기

술이다. 이는 프로그램 명령에 따라 임무를 수행하는 제어 시스템과 프로그램을 결합하여

구현될 수 있다. 자동화에는 공정 자체를 가동시키고, 프로그램과 제어 시스템을 동작시키기 위한

동력을 필요로 한다. 자동화는 다양한 영역에서 응용할 수 있지만 가장 많이 적용하는 분야는 제조

업이다. 오토메이션이라는 용어가 포드자동차 공장(역사적 고찰 4.1)에 설치되었던 다양한 종류의

자동이송장치와 부품공급 메커니즘 등을 표현하기 위해서 1946년 그 회사의 기술자들에 의하여

만들어졌다는 역사적 사실로 미루어볼 때, 이 용어는 생산 분야의 것임을 알 수 있다.

제2부에서는 제조공정의 자동화를 위하여 개발된 기술이 소개된다. 생산시스템에서 자동화

및 제어기술의 위치를 그림 4.1에 표현하였다. 이 장에서는 자동화에 한 다음과 같은 개요를

다룰 것이다－자동시스템은 어떤 요소로 구성되어 있는가? 기본 요소 이외에 어떤 특징이 있는가?

기업의 어떤 수준에 자동화 기술을 적용할 수 있는가? 다음 2개의 장에서는 산업용 제어 시스템과

이 제어 시스템의 하드웨어 요소에 하여 논의할 것이며, 이 2개의 장은 제2부의 나머지 장들에

소개되는 기술의 기초가 된다.

68 제2부 자동화와 제어기술

자동화의 역사

자동화의 역사는 고 와 중세까지 바퀴(약 B.C. 3200년),

레버, 윈치(약 B.C. 600년), 캠(1000년), 스크루(1405년)

와 기어 등 기초적인 기계요소의 개발로부터 시작된다고

할 수 있다. 이 기초적인 기구는 계속 발전하여 수차, 풍

차(약 650년), 증기기관(1765년)을 발명 및 개발하는 데

이용되었다. 이러한 기계에서 나오는 동력을 이용하여

제분 공장(약 B.C. 85년), 직조기계(1733년), 공작기계

(1775년)와 증기선(1787년), 기관차(1803년)와 같은 다양

한 종류의 기계를 만들 수 있게 되었다. 동력과 그것을

생성시켜 공정에 전달하는 것이 자동시스템의 세 가지

기본 요소 중 하나이다.

James Watt와 그의 동료인 Matthew Boulton에 의해

1765년에 발명된 증기기관은 그 후 몇 번의 설계 개선이

이루어졌다. 그중 하나는 엔진의 스로틀을 제어하기 위

한 피드백을 제공하는 조속기(flying-ball governor, 1785

년경)였다. 이것은 회전축과 축에 부착된 레버의 끝에 있

는 볼로 구성되었고, 레버는 스로틀 밸브에 연결되어 있

다. 회전축의 속도가 증가함에 따라 볼에 원심력이 붙어

바깥쪽으로 움직이며, 이 힘에 의하여 레버가 밸브를 닫

고 기관속도는 느려진다. 회전속도가 감소함에 따라 볼

과 레버는 이완되어 밸브가 다시 열리게 된다. 조속기의

피드백 제어는 제어 시스템의 한 가지 유형이며, 제어 시

스템은 자동시스템의 두 번째 기본 요소이다.

자동시스템의 세 번째 기본요소는 시스템이나 기계의

동작을 가능하게 하는 명령 프로그램이다. 기계 프로그

래밍의 초기 예 중 하나는 1800년경에 발명된 자카드 직

조기에서 찾을 수 있는데, 이 직조기는 천을 짜기 위한

기계이다. 천의 직조 패턴은 금속 천공판으로 된 명령 프

로그램에 의해 결정된다. 철판 구멍의 패턴은 직조기의

왕복운동과 천의 직조 패턴을 결정하게 된다. 구멍의 패

턴을 바꿈에 따라 다양한 무늬의 천을 생산할 수 있다.

따라서 자카드 직조기는 프로그램이 가능한 최초의 기계

중 하나이다.

비록 오늘날의 표준으로 본다면 원시적이기는 하지

만, 1800년 초에 자동시스템의 세 가지 기본 요소(동력

원, 제어 시스템, 프로그램)를 갖춘 기계가 개발된 것이

다. 완전 자동생산시스템이 일반적인 것이 된 오늘날까

지 오랜 시간 동안 수많은 발전, 새로운 발명 및 개발이

있었다. 이 발명과 발전의 중요한 예로는 호환 가능 부

품(1800년경, 역사적 고찰 1.1), 전기충전(1881년에 시

작), 이동조립라인(1913년, 역사적 고찰 15.1), 량생산

을 위한 기계적 이송장치(1924년, 역사적 고찰 16.1), 제

어 시스템의 수학적 이론(1930년 와 1940년 ), 하버드

학교의 전기기계 컴퓨터 MARK I(1944년) 등을 포함

한다. 이러한 발명과 발전은 부분 제2차 세계 전 말

기에 실현되었다.

1945년 이후 많은 발명과 개발은 자동화 기술의 발전

에 큰 기여를 하였다. Del Harder는 약 1946년경 포드자

동차회사의 생산라인에 설치된 많은 자동화 장비를 지칭

하기 위하여 오토메이션(automation)이란 용어를 만들었

다. 1946년에 전자식 디지털 컴퓨터가 미국 펜실베이니

아 학교에서 최초로 개발되었다. John Parsons와 Frank

Stulen이 제안한 개념에 기초하여 미국 MIT에서 1952년

에 최초로 수치제어 공작기계를 개발하였고(역사적 고찰

7.1), 1960년 후반부터 1970년 초반까지 디지털 컴퓨터

를 공작기계에 연결, 부착했다. George Devol은 1954년

최초의 산업용 로봇을 설계하여 1961년에 특허를 얻었다

(역사적 고찰 8.1). 1961년 상업용 로봇이 다이캐스팅 공

정의 부품 탈착 작업에 최초로 설치, 사용되었다. 다양한

부품의 가공공정을 가능하게 하는 유연생산시스템(flexible

manufacturing system, FMS)은 1960년 후반 미국의 잉

거솔랜드사에 최초로 구축되었다(역사적 고찰 19.1).

1969년경 최초로 프로그램 가능한 범용 논리제어기인

PLC가 소개되었다(역사적 고찰 9.1). 비록 1975년경 비

슷한 제품이 소개되기는 하였지만, 1978년에 처음으로

상업용 개인컴퓨터(PC)가 애플 컴퓨터사에 의하여 소개

되었다.

(계속)

역사적 고찰

4.1

69제4장 자동화의 기초

컴퓨터 기술의 발전은 트랜지스터(1948년), 하드 디스

크(1956년), 집적회로(integrated circuit, 1960년), 마이크

로프로세서(1971년), RAM 메모리(1984년), 메가바이트

용량의 메모리 칩(1990년경)과 펜티엄 마이크로프로세

서(1993년) 등의 전자공학기술의 급속한 발전으로 가

능하게 되었다. 자동화와 관련된 소프트웨어 기술은

FORTRAN 언어(1955년), 수치제어 공작기계를 위한 APT

언어(1961년), UNIX 시스템(1969년), 로봇 프로그래밍을

위한 VAL 언어(1979년), 마이크로소프트 윈도우즈(1985

년), JAVA 프로그래밍 언어(1995년) 등의 개발을 통하여

발전하였으며, 이 분야의 진보와 발전은 계속되고 있다.

제조지원시스템

기업 수준

자동화 및 제어기술 자재취급기술

품질관리시스템

제조시스템

제조공정

공장 수준

그림 4.1 생산시스템에서 자동화와 제어기술

자동시스템의 기본 요소4.1

앞서 언급하였듯이 자동시스템은 세 가지 기본요소로 구성된다－(1) 공정 수행 및 시스템 가동을

위한 동력, (2) 공정을 지시하는 명령 프로그램, (3) 명령을 수행시키는 제어 시스템. 그림 4.2에

이 요소 간의 관계를 나타내었다.

4.1.1 자동화 공정을 위한 동력

자동시스템은 어떤 공정을 자동으로 수행하는 데 이용되며, 동력은 제어 시스템과 공정의 구동을

위하여 필요하다. 가장 많이 사용되는 자동시스템의 동력원은 전기이며, 전기를 자동화 또는 비자

동화 공정에 사용하면 다음과 같은 이점이 있다.

70 제2부 자동화와 제어기술

(2) (3)

명령 프로그램 공정

동력

제어 시스템

(1)

그림 4.2 자동시스템의 요소：(1) 동력, (2) 명령 프로그램, (3) 제어 시스템

• 전기는 비교적 싼 가격에 쉽게 이용이 가능하다.

• 전기는 기계, 열, 빛, 음향, 유압, 공압 등 다른 에너지로 쉽게 바꿀 수 있다.

• 작은 수준의 전력은 신호 전송, 정보처리, 데이터 저장, 통신과 같은 기능에 활용될 수 있다.

• 전력 공급이 불가능한 장소에서는 배터리에 전력을 저장하여 사용할 수 있다.

공정을 위한 동력 　생산에서 공정이란 주로 공작물에 적용되는 제조공정을 일컫는다. 표 4.1에

일반적인 제조공정에 필요한 ‘동력 형태’와 공정 절차가 함께 나열되어 있다. 공장에서 동력은 대부

분 이러한 종류의 공정에 의하여 소비된다. 앞서 언급했듯이 각 공정을 위한 동력원은 대부분 전기

로부터 변환된 것이다.

동력은 제조공정 자체를 가동시키는 것 외에 다음과 같은 자재취급 기능의 수행에 필요하다.

• 공작물의 장착/탈착：표 4.1에 요약한 모든 공정은 이산적 부품의 가공에 필요한 것이다. 이러

한 부품은 공정 수행을 위한 적당한 위치로 이동되어 자세를 잡아야 하며, 이러한 이동과 자세

잡기 기능을 수행하기 위해서는 동력이 필요하다. 공정이 끝나면 공작물은 기계로부터 제거

된다.

• 공정 간의 부품 운반：공작물이 공정 사이를 이동하는 일에 동력이 필요하다. 부품 운반 기능에

관련된 자재취급기술에 대해서는 제10장에서 자세히 다룰 것이다.

자동화를 위한 동력 　제조공정의 수행을 위해 필요한 기본적인 동력 이외에 자동화에 필요한 추가

적인 동력 공급이 요구된다. 추가적인 동력은 다음 기능에 사용된다.

• 제어기：현대의 산업제어기에는 디지털 컴퓨터가 이용되며, 이는 명령 프로그램을 읽고, 필요

한 계산을 하며, 액추에이터에 적당한 명령을 전달, 수행하기 위하여 동력이 필요하다.

• 제어신호 수행에 필요한 동력：제어기로부터 온 명령은 액추에이터라 불리는 스위치 또는 모터

같은 전기기계장치에 의해 수행된다(6.2절). 일반적으로 명령은 저전압 제어신호에 의하여 전

달되므로, 액추에이터가 명령을 수행하기 위해서는 높은 전력을 필요로 하기 때문에 저전압

제어신호는 증폭되어야 한다.

71제4장 자동화의 기초

공정 동력 형태 동력이 사용되는 작업 내용

주조 열 주형에 주입하기 전에 금속을 용융해야 한다.

방전가공(EDM) 전기 전극과 공작물 사이의 방전을 통하여 금속을 제거한다. 전기

가 방전될 때 국지적인 고온이 발생하며, 이 열로 인하여 금

속이 용융되는 것이다.

단조 기계적 금속 공작물이 금형에 의하여 변형된다. 일반적으로 공작물

은 변형에 앞서 가열되어야 하므로 열 에너지 또한 필요하다.

열처리 열 금속조직의 변화를 위해 용융점보다 낮은 온도까지 가열된다.

사출성형 기계적, 열 높은 소성을 유지할 때까지 고분자의 온도를 높이는 데 열에

너지가 사용되고, 사출금형에 주입하기 위해 기계적인 힘이

사용된다.

레이저 절단 열, 빛 용융과 기화에 의하여 재료를 절단하기 위해 고도로 집중된

빛이 이용된다.

절삭가공 기계적 금속의 절삭은 공구와 공작물 사이의 상 운동에 의하여 이

루어진다.

박판 펀칭 및 블랭킹 기계적 기계적 힘이 금속판의 전단을 위해 이용된다.

용접 열(간혹 기계적) 부분의 용접공정은 2개 이상 부품의 접촉면이 융해되고 접

합되게 하기 위하여 열을 사용한다. 일부 용접공정은 표면에

기계적인 압력을 적용하기도 한다.

| 표 4.1 | 일반적인 제조공정과 필요한 동력

• 데이터 수집과 정보처리： 부분의 제어 시스템에서 데이터는 공정으로부터 수집되어 제어 알

고리즘을 위한 입력으로 사용된다. 추가적으로 공정은 수행성능 또는 품질 수준에 한 기록

을 유지하는 것이 요구된다. 이러한 데이터 수집과 기록유지 기능을 수행하기 위해서는 비록

적은 양이더라도 전력이 필요하다.

4.1.2 명령 프로그램

자동공정의 동작은 명령 프로그램(program of instruction)에 의해 정의된다. 량, 중량, 소량 중

어떠한 생산의 유형이든지, 부품이나 제품을 제조공정에서 만들기 위해서는 그 부품형이나 제품형

고유의 제조 과정이 필요하다. 새로운 부품은 하나의 공정사이클 동안에 완성된다. 작업사이클의

세부공정 단계는 작업사이클 프로그램에 나타나 있다. 작업사이클 프로그램을 수치제어(NC)에서

는 파트 프로그램(part program)이라 부른다(제7장). 그 외에 적용되는 공정제어 방식에 따라 이

명령 프로그램을 각기 다른 이름으로 부른다.

작업사이클 프로그램 　가장 간단한 자동화 공정의 경우 작업사이클은 기본적인 1단계 작업으로

구성되어 있으며, 이는 하나의 공정 파라미터가 어떤 주어진 값을 갖도록 만드는 것을 의미한다.

72 제2부 자동화와 제어기술

예를 들어 가열 노의 온도를 어떤 특정 온도로 유지하며 이루어지는 열처리공정을 생각할 수 있다

(공작물을 노에 넣고 빼는 작업은 수동으로 이루어지기 때문에 자동공정의 사이클로 생각하지 않

는다). 이 경우에 프로그램 작성이란 단순하게 노 온도 다이얼을 세팅하는 행위라 할 수 있다. 이러

한 유형의 프로그램을 설정치 제어(set－point control)라고 부르는데, 설정치란 공정 파라미터값 또

는 제어할 공정변수의 목표값(이 예에서는 노의 온도)을 말한다. 공정 파라미터(process parameter)

는 공정의 입력값(이 예에서는 온도 다이얼 세팅)이고, 공정변수(process variable)는 공정에서 나오

는 출력값(이 예에서는 노의 실제 온도)을 의미한다. 프로그램을 변경하기 위해서, 작업자는 단순

히 온도 다이얼 세팅만 바꾸면 된다. 위의 간단한 예를 더 확장하여, 공정 파라미터가 2개 이상인

1단계 공정도 생각할 수 있다. 예를 들어 노의 온도와 동시에 노의 공기를 제어하는 경우를 들

수 있다. 공정의 동적 거동을 고려할 때, 공정변수값이 항상 공정 파라미터값과 일치하는 것은

아니다. 예를 들어 온도 세팅을 갑자기 증가시키면, 노의 온도가 그 새로운 온도값에 도달하기까지

시간이 지체될 것이다.

일반적인 실제 작업사이클 프로그램은 위의 열처리 노 예보다는 훨씬 더 복잡하다. 다음은

작업사이클 프로그램의 다섯 가지 유형인데, 복잡성이 증가하는 순서 로 나열되었다.

• 설정치 제어：작업사이클 동안 공정 파라미터가 일정(열처리 노의 예)

• 논리 제어：공정 파라미터값이 공정 내 다른 공정변수값에 종속(9.1.1절에 자세히 설명)

• 순차 제어：공정 파라미터값이 시간의 함수로서 변화. 공정 파라미터값이 이산적(계단적인 값

으로 변화) 혹은 연속적(9.1.2절에서 자세히 설명)

• 대화형 프로그램：작업사이클 동안 작업자와 제어 시스템 간에 상호작용이 발생

• 지능형 프로그램：인간의 지능(논리, 의사결정, 추론, 학습)에 어느 정도 가까운 제어 시스템이

구동(4.2절에서 설명)

부분의 공정에서 하나의 작업사이클 내에 여러 단계가 있는 경우를 발견할 수 있다. 기계부

품의 가공공정은 개가 다단계에 속하는데, 전형적인 단계는 (1) 가공기계에 공작물 장착, (2) 가

공, (3) 가공기계로부터 공작물의 탈착이다. 각 단계가 수행되는 도중에 하나 이상의 공정 파라미터

를 변화시키는 행위가 발생한다.

예제 4.1 자동선삭공정

원뿔형의 부품을 가공하는 자동선삭공정을 고려하자. 시스템은 자동화되어 있고, 공작물의 장착/

탈착을 위해 로봇이 사용된다고 가정하자. 작업사이클은 다음과 같다－(1) 공작물의 장착, (2) 가

공에 앞서 절삭공구 위치 잡기, (3) 선삭, (4) 선삭 후 공구를 안전위치로 이동, (5) 완성품 탈착.

이 선삭공정의 각 단계마다 필요한 작업과 공정 파라미터를 기술하라.

단계 (1)의 단위작업은 로봇이 공작물을 집어서, 선반 척에 공작물을 위치시키고, 로봇팔을 안전위풀이

73제4장 자동화의 기초

치로 복구시켜 가공이 끝나기를 기다리는 것이다. 이 단위작업의 공정 파라미터는 로봇팔의 좌표

값(연속적으로 바뀜), 그립퍼의 개폐, 척의 개폐이다.

단계 (2)의 단위작업은 ‘준비’ 위치로 절삭공구를 이동시키는 것이다. 이 활동과 관련된 공정

파라미터는 절삭공구의 와 축의 위치이다.

단계 (3)은 선삭공정이다. 이 작업에는 동시에 세 가지 공정 파라미터의 조정이 필요하며, 이는

공작물의 회전속도(rev/min), 공구의 이송량(feed, mm/rev), 회전축과 절삭공구 사이의 거리이다.

원뿔 모양을 가공하기 위하여 회전축과 절삭공구 사이의 거리는 공작물의 회전에 따라 연속적인

일정 비율로 바뀌어야 한다. 일정한 표면 거칠기를 내기 위하여 표면속도(m/min)를 일정하게 유지

하여야 하는데, 이를 위해 회전속도가 연속적으로 조정되어야 하며, 표면의 이송 자국을 균일하게

유지하기 위하여 이송속도값을 일정한 값으로 유지하여야 한다.

단계 (4)와 (5)는 각각 단계 (2)와 (1)의 역이고, 공정 파라미터는 동일하다.

일반적인 제조공정은 앞의 선삭 예보다 더 복잡한 다단계로 구성될 수 있다. 이러한 공정의

예로는 자동 스크루 기계, 박판 스탬핑, 플라스틱 사출성형, 다이캐스팅 등이 있다. 이러한 공정의

도입 초기에는 리밋 스위치, 타이머, 캠, 릴레이 등과 같은 하드웨어 요소를 이용하여 작업사이클을

제어하였다. 실제로 이러한 하드웨어 요소와 그것들의 배열이 공정사이클의 작업순서를 직접적으

로 제어하는 프로그램의 역할을 수행한다. 비록 이러한 장치들이 순서제어 기능은 수행할 수 있지

만 다음과 같은 단점이 있다－(1) 이것들을 이용하여 라인을 설계하고 설치하는 데 상당한 시간이

필요하다. (2) 프로그램의 작은 변경도 쉽지 않고 시간이 소모된다. (3) 프로그램은 컴퓨터의 데이

터 처리와 통신과는 호환성이 전혀 없는 물리적인 형태를 갖는다.

자동화된 시스템에 사용되는 현 의 제어기는 디지털 컴퓨터를 이용한다. 캠, 타이머, 릴레이

와 기타 하드웨어 장치 신에, 컴퓨터로 제어되는 장비를 위한 프로그램은 CD－ROM, 컴퓨터 메모

리 혹은 기타 저장기기에 저장된다. 디지털 컴퓨터를 공정 제어기로 사용함으로써 초기 장비설계

에서는 불가능하였던 제어 프로그램의 개선 또는 발전이 가능하였다. 이러한 것은 앞에 설명한

하드웨어 장치로는 거의 불가능한 것이다.

프로그래밍된 작업사이클에서의 의사결정 　앞서 논의된 자동 작업사이클의 두 가지 속성은 (1) 작

업 단계의 수와 순서, (2) 각 단계에 따른 공정 파라미터의 변경이다. 각각의 작업사이클은 동일한

단계와 공정 파라미터로 이루어지며, 동일한 명령 프로그램이 반복된다. 실제로 많은 자동화 공정

은 각 작업사이클에서의 변경에 처하기 위해 프로그램 수행 도중 의사결정을 내려야 할 필요가

있다. 많은 경우에 변경은 사이클의 일상적인 요소이고, 변화에 응하기 위한 방법이 정규 파트

프로그램에 포함된다. 이러한 경우는 다음과 같다.

• 작업자와의 상호작용：자동시스템의 명령 프로그램이 인간의 간섭 없이 수행될 수 있도록 작성

74 제2부 자동화와 제어기술

되었다 할지라도, 필요한 기능 수행을 위해 제어기는 작업자로부터의 입력 정보를 필요로 한

다. 예를 들면 자동조각작업에서 작업자는 공작물(예：액자, 트로피, 벨트 버클)에 문자가 새

겨지도록 문자를 입력해야 하는 경우이다. 한 번 문자가 입력되면 시스템에 의해 조각작업이

자동적으로 수행된다. 일상에서의 작업자 상호작용의 예는 현금자동인출기를 사용하는 은행

고객을 들 수 있다.

• 다양한 부품형 또는 제품형을 가공하는 시스템：이런 경우 자동시스템은 부품이나 제품 스타일

별로 다른 작업사이클이 수행되도록 프로그래밍되어야 한다. 예를 들면 차체에 점용접 작업을

수행하는 산업용 로봇이 있는 자동차 조립공장의 자동화된 조립라인에서 2 door 또는 4 door

승용차와 같이 동일 차종에 서로 다른 차체를 조립하도록 설계되는 경우가 있다. 이 경우 차체

가 용접라인 작업장에 들어가면 센서는 그 차체의 스타일을 확인하고, 로봇은 그 스타일에

맞는 일련의 용접작업을 수행한다.

• 원소재 간의 편차：일반적으로 제조공정에서 원소재들의 일관성이 없는 경우가 많다. 주조부품

을 원소재로 이용하는 기계가공이 좋은 예이다. 주조부품을 가공하여 규정치수로 만들기 위해

서는 추가적인 절삭작업이 필요한 경우가 있다. 필요에 따라 추가작업을 허용할 수 있도록

파트 프로그램을 작성하여야 한다.

위의 예에서 살펴본 변경은 정규 작업사이클 프로그램에서 수정이 가능한 것들이다. 센서나

작업자의 입력에 따라 적당한 서브루틴을 수행할 수 있도록 작성된 프로그램도 있다. 그 외에 작업

사이클에서 갑작스러운 장비 고장과 같은 돌발 상황을 예상할 수도 있다. 이러한 경우에 비하여

정규 사이클을 멈추고 돌발 상황에 처하기 위한 절차를 마련하여야 한다. 4.2절에서 이러한 것에

해 설명할 것이다.

4.1.3 제어 시스템

자동시스템의 제어기는 명령 프로그램을 실행한다. 제어 시스템은 어떤 제조공정을 수행함으로써

그 공정에 정의된 기능을 성취할 수 있게 한다. 여기서는 제어 시스템에 한 간략한 소개만 하고,

중요한 제어기술에 해서는 다음 장에서 더 자세하게 설명할 것이다.

자동시스템은 개루프 또는 폐루프 제어를 사용한다. 피드백 제어라고도 불리는 폐루프 제어 시

스템(closed loop control system)은 출력변수를 입력 파라미터와 비교하여, 출력이 입력에 맞춰질

수 있도록 하는 것이다. 그림 4.3에 나타난 것과 같이 폐루프 제어 시스템은 6개의 기본적인 요소

로 구성된다－(1) 입력 파라미터, (2) 프로세스, (3) 출력변수, (4) 피드백 센서, (5) 제어기, (6)

액추에이터. 종종 설정값(set point)으로 불리는 입력 파라미터는 원하는 출력값을 나타낸다. 가정

의 온도제어 시스템에서 설정값은 희망 온도이며, 프로세스는 제어되는 기능 또는 공정을 말한다.

출력변수는 루프 내에서 제어된다. 이 책에서 프로세스란 일반적으로 제조공정을, 출력변수는 온

도, 힘, 유량과 같이 공정에서의 주요 성능 측정치인 공정변수를 의미한다. 센서는 출력변수를 측정

75제4장 자동화의 기초

(5) (6)

제어기 프로세스액추에이터입력 파라미터 출력변수

피드백 센서

(1) (2) (3)

(4)

그림 4.3 폐루프 제어 시스템

제어기 프로세스액추에이터입력 파라미터 출력변수

그림 4.4 개루프 제어 시스템

하여 입력과 비교함으로써 폐루프 제어가 되게 하며, 폐루프 제어 시스템의 피드백 기능을 담당한

다. 제어기는 입력과 출력을 비교하고, 그 차이를 줄이기 위해 프로세스를 적절히 조절한다. 조절

은 전기모터나 유량밸브와 같이 물리적인 제어 기능을 수행하는 하드웨어 장치인 액추에이터를

사용하여 이루어진다.

개루프 제어 시스템(open－loop control system)은 그림 4.4처럼 피드백 루프가 없이 동작한다.

이 경우 출력변수를 측정하지 않은 채 제어가 이루어진다. 따라서 실제 출력이 처음 의도된 설정값

에 얼마나 근접해 있는지가 비교되지 않는다. 제어기는 공정변수에 한 액추에이터 효과의 정확

한 모델에 의존한다. 개루프 시스템에서는 공정 중 액추에이터에 예상치 못한 상황이 발생할 위험

이 있다는 단점이 있다. 반면에 개루프 시스템의 이점은 일반적으로 폐루프 시스템보다 더 간단하

고 싸다는 것이다. 개루프 시스템은 보통 다음과 같은 상황에 적합하다－(1) 제어 시스템에 의하여

수행되는 동작이 간단하다. (2) 작동이 매우 신뢰할 만하다. (3) 액추에이터에 역으로 작용하는

힘이 작동에 영향을 끼치지 않을 만큼 작다. 만약 이러한 특성을 보이지 않는 상황에서는 폐루프

제어 시스템이 더 적합하다.

위치제어 시스템의 경우에 폐루프 시스템과 개루프 시스템의 차이를 생각해보자. 위치제어

시스템은 제조공정에서 공구나 작업위치에 한 상 적인 위치에 공작물을 위치시키는 데 일반적

으로 이용된다. 그림 4.5는 폐루프 위치제어 시스템을 설명하고 있다. 공정 중 위치제어 시스템은

직교좌표계의 좌표값에 의해 정의된 특정 위치로 작업 테이블을 이동시키라는 명령을 받는다.

부분의 위치제어 시스템은 각 축에 하나의 제어 시스템을 갖는 최소한 2개의 축(예：－ 테이블)

을 가지나, 그림에서는 하나만을 나타내고 있다. 이송나사(leadscrew)에 연결되는 DC 서보모터가

76 제2부 자동화와 제어기술

축 값제어기 모터

이송나사

광인코더

제어기로의 피드백 신호

모터 입력

실제 값작업 테이블

그림 4.5 DC 서보모터로 구동되는 이송나사에 의한 1축 위치제어 시스템

각 축에 공통적인 액추에이터로 사용된다. 제어기는 좌표값(예：값)을 의미하는 신호를 이송나사

구동모터에 보내고, 모터의 회전운동은 작업 테이블을 이동시키기 위한 직선운동으로 변환된다.

축의 원하는 지점 가까이 테이블이 움직일수록 실제 좌표와 입력한 값의 차이는 줄어든다.

실제 좌표는 피드백 센서(예：광인코더)에 의해 측정된다. 테이블의 실제 위치가 입력위치값과

일치할 때까지 제어기는 모터를 계속해서 구동시킨다.

개루프 시스템인 경우 위치제어 시스템에는 피드백 루프가 없고, DC 서보모터 신 스테핑

모터가 사용되는 것을 제외하고는 앞과 비슷하다. 스테핑 모터는 제어기로부터 받은 펄스의 양만

큼 정확히 회전되도록 설계되었다. 모터 축은 이송나사에 연결되어 있고, 이송나사는 작업 테이블

을 직선으로 움직이기 때문에, 각 펄스는 테이블을 일정량의 직선위치만큼 변화시킨다. 원하는 거

리만큼 테이블을 움직이기 위해서는 그 거리에 해당하는 펄스의 수를 모터로 보낸다.

발전된 자동화 기능4.2

작업사이클 프로그램을 실행하는 것 외에, 자동시스템은 특정 상에 국한되지 않는 여러 기능을

수행한다. 일반적으로 그 기능은 장비의 성능과 안전을 높이는 것과 관련 있는 것들이다. 발전된

자동화 기능으로는 다음과 같은 것을 들 수 있다－(1) 안전 모니터링, (2) 유지보수와 진단, (3)

에러 감지와 복구.

진보된 자동화 기능은 명령 프로그램에 포함된 특별 서브루틴에 의해서 가능하다. 이들 중에

는 단지 정보만을 제공하고 제어 시스템에 의한 실제적인 동작은 포함하지 않는 경우가 있다. 이런

경우의 예로 예방적으로 유지보수해야 할 목록을 알려주는 기능을 들 수 있다. 이 유지보수 목록으

로부터 제안된 유지보수 작업은 시스템 자체가 아니라 작업자 또는 시스템 관리자에 의해서 이루

어져야 한다. 그렇지 않은 경우, 가능한 액추에이터를 사용하여 제어 시스템에 의해 물리적으로

수행되어야 한다. 간단한 예로, 자동시스템에서 작업자가 위험에 처했을 경우 경고음을 내는 안전

모니터링 시스템이 있다.