기술정보
한눈에 보기
- 계측값이 이상할 때 원인은 결선·신호전송·설정 세 군데 중 하나입니다.
- 값이 배수로 어긋나면 수신 저항, 일정하게 밀려 있으면 오프셋을 먼저 봅니다.
- 4~20mA 의 아래 20% 를 비워 두는 이유는 단선을 구분하기 위해서입니다.
계측값이 이상할 때, 어디를 봐야 하나
공조기 전류가 실제의 두 배로 표시됩니다. 온도가 계속 0 으로만 올라옵니다. 이럴 때 센서부터 교체하는 경우가 많지만, 원인은 대개 결선 · 신호전송 · 설정 세 군데 중 하나입니다. 현장의 값이 화면의 숫자가 되기까지의 과정을 알면, 어느 쪽인지 바로 갈립니다.
신호가 숫자가 되기까지
현장의 물리량은 곧바로 숫자가 되지 못합니다. 측정하기 좋은 신호로 한 번, 멀리 보내기 좋은 신호로 한 번, 컴퓨터가 읽을 수 있는 숫자로 한 번, 모두 세 번 모습을 바꿉니다. 이 세 번의 변환이 각각 1단계 · 2단계 · 3단계입니다.
1단계 · 결선 — CT 와 트랜스듀서
운전 중인 설비의 전류를 재려고 전선을 끊을 수는 없습니다. 그래서 전선을 감싸기만 하면 되는 CT(변류기) 를 씁니다.
- CT — 1차측(설비 쪽) 전류가 얼마든 상관없습니다. 출력이 0~5A 로 나오도록 전선을 감는 횟수(턴수)를 맞춰 줍니다.
- Current Transducer — CT 에서 나온 0~5A 교류를 받아 0~20mA 직류로 바꿔 줍니다. 이때 교류를 실효치로 환산해 직류 신호로 만듭니다.
여기서 나오는 용어 — 실효치 (RMS)
교류는 크기가 계속 변하기 때문에 "몇 A" 라고 한 값으로 말할 수 없습니다. 그래서 같은 열을 내는 직류의 크기로 바꿔 부르는데, 이 값이 실효치입니다. 트랜스듀서가 하는 일이 바로 이 환산이고, 디지털 멀티미터를 AC 로 놓고 잰 값도 같은 값(Irms)입니다.
2단계 · 신호전송 — 왜 전류로 보내는가
대부분의 A/D 컨버터는 입력으로 전압을 받습니다. 그렇다면 처음부터 전압으로 보내면 될 텐데, 현장은 그렇게 하지 않습니다. 전압으로 멀리 끌고 오면 선 길이만큼 전압이 떨어지기(drop) 때문입니다. 같은 온도인데 제어반이 멀다는 이유만으로 값이 달라집니다.
전류는 다릅니다. 한 회로를 도는 전류는 어디서 재도 같은 값이라, 수백 m 를 끌고 와도 크기가 사실상 변하지 않습니다. 그래서 현장에서 제어반까지는 전류(0~20mA)로 보내고, A/D 입력 바로 앞에서 전압으로 되돌립니다.
되돌리는 방법 — 저항 하나
옴의 법칙 V = I × R 을 그대로 씁니다.
20mA = 20/1000 AV = (20/1000) * 500Ω = 10V
A/D 입력 단자에 500Ω 을 걸어 두면 0~20mA 가 그대로 0~10V 로 바뀝니다. 현장 도면에서 A/D 카드 입력단에 붙어 있는 저항이 바로 이것입니다. 저항값은 A/D 카드가 받는 전압 범위에 맞춰 정하므로, 카드 사양을 먼저 확인해야 합니다.
| A/D 입력 범위 | 넣는 저항 | 결과 |
|---|---|---|
| 0~10V | 500Ω | 4~20mA → 2~10V |
| 1~5V (많이 쓰임) | 250Ω | 4~20mA → 1~5V |
신호선을 거는 두 가지 방식
센서가 여러 개일 때, 기준점(접지)을 어떻게 잡느냐에 따라 두 가지로 나뉩니다.
| 구분 | 배선 | 특징 |
|---|---|---|
| Single-Ended 단일종단 |
신호선은 각각, 코먼(GND)은 하나로 공유 | 같은 단자수로 채널을 두 배 쓸 수 있으나, 기준점을 공유하므로 노이즈에 약합니다. |
| Differential 차동 |
신호마다 +/− 두 가닥을 따로 배선 | 두 선의 차이만 읽으므로, 두 선에 똑같이 실린 잡음은 사라집니다. 거리가 멀거나 주변에 동력선이 있을 때 유리합니다. |
3단계 · 공업값 변환 — 숫자를 실제 값으로
여기서 나오는 용어 — 해상도와 ZERO / FULL
해상도는 0~10V 를 몇 칸으로 쪼개어 읽느냐입니다. 칸이 잘게 나뉠수록 미세한 변화를 구분합니다.
| 해상도 | 숫자 범위 | 비고 |
|---|---|---|
| 10bit | 0 ~ 1023 | |
| 12bit | 0 ~ 4095 | 자동제어 현장에서 가장 많이 쓰입니다. |
| 16bit | 0 ~ 65535 | 정밀 계측용 |
ZERO / FULL 은 측정 범위의 아래 끝과 위 끝을 정해 주는 일입니다.
- 입력 신호의 최소 기준값
4mA → 0℃ - 입력 신호의 최대 기준값
20mA → 100℃
왜 0mA 가 아니라 4mA 부터인가
범위를 0~20mA 로 다 쓰지 않고, 아래쪽 20%(1/5)를 비워 둔 채 4~20mA 만 씁니다. 이유는 한 가지입니다. 선이 끊어졌는지 알아내기 위해서입니다.
0~20mA 를 그대로 쓰면 "측정값이 0" 인 상태와 "선이 끊어져 신호가 0" 인 상태가 똑같이 0 으로 보입니다. 아래를 4mA 부터 시작하게 해 두면, 4mA 미만으로 들어온 값은 측정값이 아니라 고장이라고 판정할 수 있습니다. CT 신호선이 끊겼거나 CT 보조전원이 나간 경우가 여기에 해당합니다.
원시값을 실제 값으로 — EV = SF × RD + OFF
A/D 를 거쳐 나온 숫자는 아직 819 ~ 4095 같은 원시값(RD, Raw Data) 일 뿐입니다.
이것을 0 ~ 10A 같은 공업값(EV, Engineering Value) 으로 바꿔야 사람이 읽을 수 있습니다.
두 값의 관계는 직선이라, 아래 끝과 위 끝 두 점만 알면 직선 하나가 정해집니다.
- 직선의 식
Y = (y1 - y2) / (x1 - x2) * (X - x1) + y1→Y = aX + b - 0~10A 레인지 예
EV = (0A - 10A) / (2V - 10V) * (RD - 2V) - 0A = 1.25 * RD - 2.5
| 이름 | 기호 | 뜻 |
|---|---|---|
| 공업값 | EV | 사람이 읽는 실제 값입니다. (℃, A, ㎥/h …) |
| 원시값 | RD | A/D 가 뱉어낸 그대로의 숫자입니다. |
| 스케일 팩터 | SF | 직선의 기울기 a 입니다. |
| 오프셋 | OFF | 직선의 절편 b 입니다. |
증상별로 어디를 볼 것인가
같은 "값이 이상하다" 라도 증상에 따라 원인이 있는 단계가 다릅니다. 아래 순서로 좁혀 가면 부품을 교체하지 않고 해결되는 경우가 많습니다.
| 증상 | 의심 단계 | 확인할 것 |
|---|---|---|
| 값이 아예 올라오지 않는다 | 1단계 결선 | CT 결선 방향과 턴수, 트랜스듀서 전원, 신호선 단선 |
| 값이 정확히 2배·5배처럼 배수로 어긋난다 | 2단계 신호전송 | 수신 저항(500Ω / 250Ω)과 A/D 입력 범위가 맞는지, 스케일 팩터 |
| 값이 일정한 크기만큼 밀려 있다 | 3단계 설정 | 오프셋(OFF) 값, ZERO 기준점 |
| 값이 계속 떨린다 | 2단계 배선 | 단일종단 / 차동 결선 방식, 동력선과의 이격, 실드 접지 |
| 선이 끊어졌는데 0 으로만 보인다 | 3단계 설정 | 4~20mA 하한(12bit 기준 819) 단선 판정이 설정돼 있는지 |
정리
- 1단계 결선 — CT 는 출력이 0~5A 가 되도록 턴수를 맞추고, 트랜스듀서가 이를 0~20mA 직류로 바꿉니다.
- 2단계 신호전송 — 전압은 거리에 따라 떨어지므로 전류로 보내고, A/D 앞에서 저항으로 전압을 되살립니다.
- 3단계 공업값 변환 — 아래 20% 는 단선 검출용으로 비워 두고, 남은 구간을
EV = SF × RD + OFF로 실제 값에 대응시킵니다.
부록 · 기초 용어
A/D 컨버터와 D/A 컨버터
- A/D — 센서 → 0~10V → A/D Converter → 숫자
- D/A — 숫자 → D/A Converter → 0~10V → 구동기
녹음을 떠올리면 쉽습니다. 마이크가 센서 역할을 해서 소리를 전압으로 바꾸고, 그 전압을 숫자로 바꾸는 것이 A/D 입니다. 반대로 숫자를 다시 전압으로 되돌려 스피커로 내보내는 것이 D/A 입니다.
전압 · 전류 · 저항
물에 빗대면 세 값의 관계가 한 번에 정리됩니다.
| 미는 힘 | 흐르는 양 | 통로의 굵기 | |
|---|---|---|---|
| 물 | 수압 | 유량 | 관 굵기 |
| 전기 | 전압 (V) | 전류 (A) | 저항 (Ω) |
전압은 상대적인 값입니다. 어딘가를 0 으로 정해 두어야 비로소 "몇 V" 라고 말할 수 있고, 그래서 기준점(GND)이 반드시 필요합니다.