1. 배경
PLC는 공장의 자동화 공정을 제어하기 위하여 폭 넓게 사용되고 있다. PLC는 기본적으로 견고한 산업용 컴퓨터로서 Conveyor, Pump 및 Control Valve와 같은 공정 설비를 제어하기 위하여 멀티채널의 입 출력 모듈을 가지고 있다 (그림1). PLC는 공정 설비를 4단계 사이클로 제어하는데 이 4단계 사이클은 1) 입력 데이터를 읽는다 2) 제어 프로그램을 해석한다 3) 자체적으로 진단한다 4) 진단결과 문제를 발견하면 프로그램에 따라서 출력을 변경하거나 중단시킨 다음 모든 것을 재 실행한다. PLC가 이 4단계를 완료하는데 걸리는 사이클 Time은 20 millisecond 정도로 짧다. Voltage-Sag는 이 사이클을 중단시킬 뿐만 아니라 프로세스 데이터를 손상시킬 수 있으며 결과적으로 프로세스의 장애를 초래할 수 있다. PLC에 있는 각 모듈은 Voltage-Sag에 대해서 각각 다른 Ride-through 특성을 가질 수 있기 때문에, PLC에서 가장 짧은 Ride-through Time을 가진 모듈이 전체 PLC의 Ride-through Performance를 결정하게 된다 .

2. 목적
EPRI(Electric Power Research Institute) PEAC(Power Electronics Applications Center)의 Power Quality Facility에서 수행한 시험 목적은 다양한 지속시간과 크기를 갖는 Voltage-Sag를 발생시켰을 때 전형적인 PLC Module이 Ride-through에 대하여 어떻게 반응하는지를 시험하고 그 특성을 정의하는 것이다.

3. 시험설비의 구성
아래 (그림2)와 같이 멀티채널의 입, 출력 모듈을 가진 6개의 범용 PLC를 시험하였다. 정상교류전압에서 Variable Voltage Source로 전환하면 Power Disturbance 시뮬레이터는 1에서 500사이클의 지속시간과 0에서 99%의 크기를 갖는 Voltage-Sag를 발생시킨다. 이 Voltage-Sag는 PLC의 Power Supply Module, Discrete Input Module, Discrete Output Module에 공급된다. 아날로그 Input Module의 Ride-through를 시험하기 위해서 DC Power Supply가 사용되었는데 이것은 아날로그 Input Channel에 DC 3V를 일정하게 공급하기 위한 것이다. 각각의 PLC는 동일한 power-quality-test 방식으로 프로그램 되어 있으며, 컴퓨터는 PLC의 CPU가 각 Test 중에 또는 Test후에 적절하게 동작하고 있는지를 결정하기 위하여 CPU를 감시하고 있다 .

Voltage-Sag가 공급되기 전에 PLC는 RUN 모드에 설정되어 있고, CPU는 적절하게 동작하고 있는 것으로 입증되었으며, True RMS Voltmeter가 Variable Voltage Source의 출력전압을 Calibration 하기 위해 사용되었다. 4-Channel의 디지털 신호 분석기가 Power Disturbance 시뮬레이터에서 발생되는 전압, PLC Power Supply의 출력, Discrete Output Module의 채널 및 Analog Output Module의 채널을 감시하기 위해서 사용되었다. PLC가 시험 중에 Voltage-Sag를 감지했는지를 결정하기 위해서 Discrete Output Module 전면부에 있는 LED를 감시하였다.

4. 시험 결과
(그림3)은 PLC의 CPU와 Discrete Input Module 전체에 대한 Ride-through Performance를 나타내는데, 이것은 전형적인 120V AC Double-pole Double-through의 Relay와 비교하여 보여주고 있다. 단지 Model B와 E만이 Relay보다 더 작은 Ride-through를 가지고 있는데 이것은 PLC제어 과정에서의 Weak Link 때문인 것으로 일반적으로 판단할 수 있다. CPU의 Ride-through Threshold를 정의하는 Point는 CPU를 Trip시켜서 Output Module을 Zero Volt까지 Reset 되게 하는 Voltage-Sag의 크기 및 지속시간에 의하여 결정된다. 하나의 PLC(Model A)를 제외한 나머지 모든 PLC에 대해서 CPU는 Tripping 후에 자동적으로 Restart 되었으며, Model A는 수동으로 Restart 해야만 했다. 모든 PLC에서 Analog 입, 출력 Module의 Ride-through Performance는 CPU의 그것과 동일하였다.

Discrete Input Module의 Ride-through Threshold를 정의하는 Point는 Test Algorithm(연산방식)과 Output Module에 있는 LED를 감시함으로써 결정된다. Discrete Input Module의 각 채널은 Input이 On 또는 Off (Voltage Threshold 이상 또는 이하)인지를 결정하기 위하여 Preset Voltage Threshold를 이용하고 있다. Voltage-Sag가 발생했을 때 CPU가 Trip되기 전에 이 Threshold 이하에서 Discrete Input Module의 Input이 떨어지면 PLC는 잘못된 제어신호를 내보내게 될지도 모르며 따라서 공정상의 장애를 초래할 가능성이 있다. 단지 모델 B와 F에 대해서는 PLC가 잘못된 제어신호를 내보내는 문제를 일으키는 Sag가 발생하기 전에 CPU가 항상 먼저 Trip 되었다.

5. 시험결과
Voltage-Sag 동안에 각 PLC Module에 대한 Sequence의 기능장애는 공정의 안전한 Control을 위해서 지극히 중요한 문제이다. 시험 결과는 PLC가 Voltage-Sag 동안에 잘못된 출력 신호를 내보낼 수도 있으며 CPU가 지속적으로 동작하고 있으면 자동화 공정에서 잠재적 기능장애를 초래할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 2 사이클 이상 지속되는 Voltage-Sag는 일반적으로 Input Module에 영향을 미치지 않았다. 그렇지만 시험한 모든 PLC의 Input Module은 2 사이클 이상 지속되는 Voltage-Sag에 영향을 받았는데 이것은 Industrial Setting에서 아주 일반적인 사항이다. Test 결과는 또한 PLC가 산업공정에서 가장 안전한 기기가 아닐 수도 있다는 것을 보여주고 있다. 10 ~ 500 사이클까지 어떤 PLC는 범용의 모터 Relay 보다 2% 더 작은 Ride-through의 특성을 가졌고, 반면에 또 다른 PLC는 6% 더 작은 Ride-through를 가졌다. 결국, 6개 PLC의 Ride-through 특성은 너무나 광범위하게 변동하므로 PLC Ride-through Performance에 대한 일반적인 결론은 이루어 질 수 없었다.