모션컨트롤러는 그 이름처럼 모션컨트롤을 돕는 장치다. 그 종류에 따라 각기 다른 제어 작업을 수행한다. 모션컨트롤러를 구성하는 기술들과 모션컨트롤러의 종류에 대해 간단히 알아보고, 대표적인 장비 및 응용사례를 통해 각 장치의 특징과 기능을 살핀다.
글｜모션시스템디자인 편집부
정리｜윤진근 기자(yoon@iomedia.co.kr)

공압 제어

간단한 제어 작업(태스크)은 공압(Pneumatic) 제어와 전자공압(Electropneumatic) 제어 그리고 하이브리드 공압 제어 등을 통해 해결할 수 있다. 

이 중 순수한 공압 제어 기술은 특정한 경우 및 응용사례 내에서만 사용해야 한다. 도색이나 작업 혹은 화학 공장 등 폭발하기 쉬운 경우가 그것이다.

안전이 주된 관심사가 아닌 경우, 일반적으로 압축공기 회로(Pneumatic Circuit)가 전자 제어(Electronic Control)보다 저렴한 선택이다. 최대 50개가량의 I/O 혹은 12단계 내지 20단계로 나뉜 작업에서 특히 그렇다. 하지만 이는 실린더나 로터리 액추에이터 등의 공압 동력 부품이 제어되고 있음을 가정했을 경우에 한한다. DC모터 등의 전기 동력 부품을 사용하고 있을 경우에는 전자 제어가 한결 나은 성능을 보장한다.

공압 제어와 전자 제어 모두를 사용할 수 없는 경우에는 솔레노이드 밸브와 공기 감시 밸브 사이의 균형을 유지하는 것이 중요한 요소다. 

솔레노이드 밸브는 일반적으로 비슷한 크기의 공기 감시 밸브에 비해 좀 더 비싸다. 또한 공기 감시 밸브는 솔레노이드 밸브보다 응답속도가 빠르다. 사람들이 오해하기 쉬운 사항 중 하나가 전기 신호가 공기보다 빠르게 이동하기 때문에 전반적인 반응 및 응답속도 역시 빠를 것이라는 점이다. 하지만 반응 및 응답속도는 각 요소들이 움직이는(구동되는) 속도에 달려있다. 고속 응용사례에서는 일반적으로 공기 감시 밸브가 더 나은 선택이다.

하이브리드 제어는 전기 제어와 공압 제어를 모두 사용하는 방식이다. 전기 대 공압(Electric to Pneumatic)제어 방식은 인터페이스 회로를 사용함으로써 PLC가 공기구동식 구성요소들을 제어할 수 있도록 만든다. 이는 공압 동력 부품들이 PLC 기능, 이를테면 재 프로그래밍 등을 활용할 수 있게 만든다. 

공기 감시 유압식 밸브(Air-Piloted Hydraulic Power Valves)는 유압 실린더를 혼합 제어할 수 있다.

타이머 및 카운터

패스트푸드 식당에서 사용하는 튀김기계나 조리 및 유지가 가능한 오븐 그리고 제빵기 등의 독립적인 기계는 대부분 간단한 자동 제어장치를 탑재하고 있다. 

제어장치는 보통 하나 이상의 타이머 기능과, 일부는 카운터를 탑재하고 있다. 외부에서 일어나는 사건에 대응해 설계한 간격마다 작업공정을 ‘켬’ 및 ‘끔’ 상태로 전환하기 위해서다.

타이머 및 카운터 제어는 전기기계장치 혹은 반도체(Solid State) 장치를 통해 이루어진다. 전면 패널의 눈금판을 조작하거나 키를 직접 입력함으로써 일련의 릴레이 접점 명령을 제어할 수 있다.

단일 기능(기능이 하나뿐인) 전기기계장치는 높은 정확도보다 원가 인자(Cost Factor)가 중요한 경우 주로 사용하는 해결책이다. 전자기계장치는 반도체 장치보다 정확도가 떨어지기 때문이다. 

이들 장치가 가지고 있는 설정 해상도(Setting Resolution)는 사용하는 아날로그 설정 구조에 의해 제한을 받는다. 가격을 살펴보면, 전자식 타이머 비용은 보통 50내지 60달러가량 되는 반면, 반도체 장치는 보통 장치 당 70달러에서 1400달러가량으로 가격이 천차만별이다.

일반적으로 타이밍 정확도가 풀 스케일 대비 ±1%가량씩 변화하는 경우라면 전기기계장치가 적합한 선택이다. 디지털 반도체 타이머는 보다 높은 정확도가 필요할 때 선호하는 방법이다. 

디지털 장치의 해상도는 장치가 가진 최하위 수치에서의 시간 값을 구함으로써 결정된다. 예를 들어 장치의 타이밍 범위가 0.01초에서 99.99초 이내라고 했을 때, 설정 값은 0.01초 단위로 증가 혹은 감소할 수 있다. 

또 다른 중요한 요인으로는 타이머의 반복성, 혹은 타이머가 같은 시간동안 반복할 수 있는 횟수가 있다. 

오늘날 반도체 타이머의 정확도는 초기의 저항기/축전기(Resistor/Capacitor) 네트워크에 비해 대단히 개선되었다.

신뢰할 만한 기술 중 하나로는 시간 축(Timing Base)으로 AC 선로 주파수를 사용하는 것이 있다. 이 기술의 반복 정확도는 라인 주파수와 일정한 결과를 낳는다. 또 다른 기술로는 시간 축 내부에 수정발진기(Internal Quartz Oscillator)를 사용하는 것이 있다.

반도체 장치의 반복정확도는 일반적으로 대략 0.003% 혹은 35밀리초 정도이며, 둘 중 높은 쪽을 따른다. 설정정확도는 일반적으로 설정값의 ±0.1% 혹은 50밀리초 정도이며, 역시 둘 중 높은 쪽을 따른다.

산업용 카운터는 기계식·전기기계식·전자기계식 등이 있다. 일련의 사건이 일어나면 그 횟수를 세며, 설정한 카운트에 도달하면 특정한 행동을 하도록 만들 수 있다. 

대부분의 카운터는 전압 펄스 혹은 간단한 스위치 폐쇄로 인해 발생하는 입력을 받아들인다. 일부 카운터는 또한 사전에 설정한 횟수에 도달하거나 0이 되면 카운터를 시작(활성화) 혹은 재시작할 수 있는 제어입력 기능을 탑재하고 있다.

카운터가 전체 작업에서 사건의 개수를 더하고 뺄 수 있다면, 카운트를 받아들이는 방향을 조절할 수 있는 제어인 업·다운 입력 또한 수행할 수 있다. 일부 제품은 카운트가 올라가거나 내려가는(Up/Doun Counting) 사건에 대한 독립적인 입력을 제공하기도 한다.

카운터는 간단한 수치 표시(카운트 수의 합계)부터 전환 동작(사전 설정 카운터), 코드화한 전기신호 그리고 인쇄물에 이르기까지 다양한 형태로 출력할 수 있다. 

오늘날 출시되고 있는 대부분의 카운터는 문자판(다이얼), 지동률(Thumbwheel), 키보드 등을 포함하고 있어 카운트 수를 입력할 수 있다. 카운터가 사전에 설정한 카운트에 도달하면 출력 스위치가 접촉 지점을 옮긴다(Contacts Transfer). 일부 카운터는 이 지점에 도달하고 나면 다시 시작 혹은 실행 제어 입력을 받아들여 장치가 재시작하기 전까지 더 이상의 카운트를 받아들이지 않는다.

전자식 카운터는 반도체 구성요소와 디지털 계수 구성요소를 모두 사용한다. 따라서 고속 입력을 받아들일 수 있다. 기계식 및 전기기계식 카운터보다 더 빠른 계수율(計數率)을 달성하는 비결이다. 

전자식 카운터는 보통 논리 레벨이나 전기 펄스 혹은 스위치 접점 입력을 제공함으로써 약 10㎑가량의 빠른 계수율을 제공한다. 많은 장치가 LED 혹은 네온등으로 화면을 표시하고 있어 사전에 설정한 카운트 및 총 카운트 수를 쉽게 파악할 수 있다. 또한 대부분 CMOS 논리회로망 및 예비 배터리를 가지고 있다.

컴퓨터화된(Computerized) 카운터는 일반적으로 단일 칩 마이크로컴퓨터를 포함하고 있다. 카운터를 미리 결정하고 동시에 진행하는 계수 작업을 합산하는 기능을 갖추고 있다. 장치 중 대부분은 반도체 메모리를 탑재하고 있어 동력이 끊겼을(즉, 정전되었을) 경우에도 자료를 유지하는 것은 물론 카운트가 올라가거나 내려가는 작업에 대한 단방향성 및 양방향성 신호를 받아들인다.

컴퓨터화된 카운터는 대부분 전자식 타이머와 같은 특징을 가지고 있다. 고속 계수·원격 혹은 자동 재시작·누름 버튼(혹은 키보드) 재시작 기능 등이 그것이다. 

추가적인 기능으로는 전치 분주(Prescaling, 입력 신호에 상수 인자Constant Factor를 곱함으로서 유량 미터링Flow Metering 및 장비의 구동비율 등을 일치시키는 것)와 사전 경고(사전에 설정한 횟수에 도달할 것으로 예상되면 경고 신호를 냄) 등이 있다.