산업용 센서를 공부하다 보면 4-20mA라는 표현을 자주 접하게 됩니다. 온도센서, 압력센서, 유량센서, 수위센서 등 다양한 산업용 계측 장비의 사양을 확인하다 보면 출력 방식에 4-20mA가 표시되어 있는 경우가 많습니다.
그렇다면 왜 산업 현장에서는 0-20mA가 아니라 4-20mA를 사용할까요? 단순히 전류를 이용해 데이터를 전달하는 방식이라면 다른 신호 방식도 사용할 수 있는데, 오랫동안 4-20mA가 산업 자동화 분야에서 널리 사용되는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다.
4-20mA의 가장 큰 특징은 측정값을 전류 신호로 변환해 장거리로 전달하면서도 배선 상태와 센서 이상을 판단하기에 유리하다는 것입니다.
이번 글에서는 4-20mA의 기본 개념부터 측정값이 어떻게 전류 신호로 변환되는지, 0-10V와의 차이, 4mA를 사용하는 이유, 산업 현장에서의 장점과 주의사항까지 쉽게 알아보겠습니다.
4-20mA란?
4-20mA는 산업용 계측기에서 사용하는 대표적인 아날로그 전류 신호 방식입니다.
여기서 숫자는 센서가 출력하는 전류의 범위를 의미합니다.
예를 들어 압력센서의 측정 범위가 0~10bar이고 출력이 4-20mA라고 가정해 보겠습니다.
일반적인 선형 출력으로 설정되어 있다면 다음과 같이 이해할 수 있습니다.
- 0bar → 4mA
- 2.5bar → 8mA
- 5bar → 12mA
- 7.5bar → 16mA
- 10bar → 20mA
즉, 센서가 측정한 물리량을 4mA부터 20mA 사이의 전류값으로 변환하여 제어 시스템에 전달하는 것입니다.
PLC나 데이터 수집 장치는 이 전류 신호를 입력받아 다시 온도, 압력, 유량 등의 실제 측정값으로 계산합니다.
따라서 4-20mA는 단순한 전기 신호가 아니라 센서의 측정값을 자동화 시스템에 전달하기 위한 산업용 신호 규격 중 하나라고 이해하면 됩니다.
왜 하필 4-20mA일까?
처음 4-20mA를 접하면 가장 먼저 이런 의문이 생길 수 있습니다.
“0부터 20mA까지 사용하면 더 간단하지 않을까?”
실제로 4-20mA의 중요한 특징 중 하나는 0이 아닌 4mA에서 측정 범위가 시작된다는 것입니다.
이것은 단순한 숫자 선택이 아닙니다.
4mA를 측정 범위의 시작점으로 사용하면 센서가 정상적으로 작동하면서 측정값이 최저 범위에 있는 상태와, 전류 신호가 아예 전달되지 않는 상태를 구분하기 쉬워집니다.
예를 들어 0-20mA 방식에서 측정값이 최저 범위라서 0mA가 출력되는 것과 전원 단절 또는 배선 단선으로 인해 0mA가 발생하는 상황을 구분하기 어려울 수 있습니다.
반면 4-20mA에서는 정상적인 측정 범위의 최저값이 4mA이므로 0mA에 가까운 신호가 발생했을 때 전원이나 배선 문제 등을 의심할 수 있습니다.
이러한 특성을 흔히 Live Zero, 즉 살아 있는 영점이라고 설명합니다.
4mA는 무엇을 의미할까?
4-20mA 시스템에서 4mA는 단순한 시작값 이상의 의미를 가집니다.
예를 들어 0~100℃를 측정하는 온도센서가 있다고 가정하겠습니다.
정상적인 선형 출력이라면 다음과 같이 생각할 수 있습니다.
- 0℃ → 4mA
- 25℃ → 8mA
- 50℃ → 12mA
- 75℃ → 16mA
- 100℃ → 20mA
여기서 0℃가 반드시 4mA이고 100℃가 반드시 20mA라는 것은 모든 센서에 무조건 적용되는 규칙이라는 뜻은 아닙니다. 실제 제품에서는 측정 범위와 설정에 따라 출력값이 결정됩니다.
중요한 것은 센서의 측정 범위를 4-20mA의 전류 범위에 대응시킨다는 개념입니다.
4-20mA의 신호 작동 과정
4-20mA 신호의 작동 과정을 간단하게 살펴보겠습니다.
먼저 센서의 감지부가 온도나 압력 등의 물리량을 측정합니다.
그다음 센서 내부의 신호 처리 회로가 측정된 값을 전기 신호로 변환합니다.
이후 센서는 설정된 측정 범위에 맞춰 4-20mA 사이의 전류를 출력합니다.
PLC와 같은 제어 시스템은 이 전류를 입력받아 실제 측정값으로 환산합니다.
전체 과정을 정리하면 다음과 같습니다.
물리량 측정 → 센서 내부 신호 처리 → 4-20mA 전류 출력 → PLC 입력 → 실제 측정값 계산
예를 들어 압력센서가 0~5MPa를 측정하고 있다면 현재 압력에 대응하는 전류가 PLC로 전달됩니다.
PLC는 입력된 전류값을 바탕으로 현재 압력이 얼마인지 계산하고, 설정된 조건에 따라 펌프나 밸브 등의 장치를 제어할 수 있습니다.
4-20mA가 장거리 신호 전송에 유리한 이유
산업 현장은 일반적인 사무실 환경과 다릅니다.
센서가 설치된 위치와 제어반 사이의 거리가 수십 미터 이상 떨어져 있는 경우도 있으며, 주변에는 모터, 인버터, 전원 케이블 등 다양한 전기 설비가 존재합니다.
이러한 환경에서는 센서 신호를 안정적으로 전달하는 것이 중요합니다.
4-20mA는 전류를 이용해 신호를 전달하기 때문에 전압 신호 방식에 비해 배선 저항의 영향을 상대적으로 덜 받는 특성이 있습니다.
물론 실제 시스템에서는 배선 길이, 전원 전압, 부하 저항, 케이블 종류와 설치 환경 등을 함께 고려해야 합니다.
하지만 산업 자동화 환경에서 장거리 아날로그 신호를 전달하는 용도로 전류 신호가 오랫동안 활용되어 온 이유 중 하나가 바로 이러한 특성입니다.
4-20mA와 0-10V의 차이점
산업용 센서의 출력 방식을 확인하다 보면 4-20mA와 함께 0-10V도 자주 볼 수 있습니다.
두 방식 모두 센서의 측정값을 아날로그 신호로 전달하지만 신호를 표현하는 방법이 다릅니다.
4-20mA는 전류를 사용하고, 0-10V는 전압을 사용합니다.
예를 들어 0~100℃의 측정 범위를 가진 센서라면 제품의 설정에 따라 4-20mA 또는 0-10V 방식으로 온도 정보를 전달할 수 있습니다.
일반적으로 산업 현장에서 장거리 전송과 전기적 환경에 대한 내성을 중요하게 고려하는 경우 4-20mA가 유용할 수 있습니다.
반면 시스템에서 전압 입력을 사용하도록 설계되어 있다면 0-10V 방식이 적합할 수 있습니다.
따라서 어느 방식이 무조건 더 좋다고 판단하기보다는 센서와 PLC, 제어장치의 사양 및 설치 환경에 맞춰 선택하는 것이 중요합니다.
4-20mA의 주요 장점
4-20mA가 산업 현장에서 오랫동안 사용되는 이유는 여러 가지가 있습니다.
1. 장거리 신호 전송에 적합
센서와 제어반 사이의 거리가 긴 산업 현장에서도 활용하기 좋습니다.
전류 신호 방식은 배선 저항의 영향을 상대적으로 적게 받기 때문에 적절한 설계가 이루어진 경우 안정적인 신호 전달에 도움이 됩니다.
2. 배선 이상을 확인하기 유리
정상적인 측정 범위가 4mA부터 시작하기 때문에 0mA에 가까운 신호가 발생하면 단선이나 전원 문제 등을 확인하는 데 도움이 됩니다.
다만 실제 고장 진단에서는 센서 제조사의 고장 신호 설정과 PLC의 입력 설정을 함께 확인해야 합니다.
3. 다양한 산업용 센서에 적용 가능
온도, 압력, 유량, 수위 등 다양한 측정 장치에서 4-20mA 출력이 사용됩니다.
따라서 하나의 산업 자동화 시스템에서 여러 종류의 센서를 통합하여 관리하기에도 편리합니다.
4. PLC와 연결하기 쉬움
많은 산업용 PLC에는 아날로그 입력 모듈이 제공되며, 4-20mA 입력을 지원하는 제품도 다양합니다.
센서에서 출력된 전류를 PLC가 읽고 이를 실제 측정값으로 변환하는 방식으로 구성할 수 있습니다.
4-20mA 신호에서 알아야 할 스케일링
PLC에서 4-20mA 신호를 사용할 때 중요한 개념 중 하나가 스케일링(Scaling)입니다.
센서가 4-20mA를 출력한다고 해서 PLC가 자동으로 “압력 5MPa”라고 이해하는 것은 아닙니다.
PLC는 입력 모듈을 통해 전류값을 읽은 다음, 설정된 측정 범위에 맞게 실제 물리량으로 변환해야 합니다.
예를 들어 0~10bar 압력센서라면 4mA를 0bar, 20mA를 10bar에 대응시키는 방식입니다.
기본적인 선형 관계를 이용하면 측정값을 다음과 같은 형태로 계산할 수 있습니다.
측정값 = 최소 측정값 + [(현재 전류 – 4mA) ÷ 16mA] × 측정범위
예를 들어 0~10bar 센서에서 현재 출력이 12mA라면 중간값에 해당하므로 약 5bar로 환산할 수 있습니다.
다만 실제 PLC에서는 제조사와 입력 모듈에 따라 디지털 카운트값을 별도로 환산하기 때문에 실제 프로그램에서는 해당 PLC의 아날로그 입력 사양을 확인해야 합니다.
4-20mA를 사용시의 주의점
4-20mA 방식이 편리하다고 해서 모든 문제가 자동으로 해결되는 것은 아닙니다.
먼저 센서의 전원 공급 방식과 배선 구조를 확인해야 합니다.
특히 2선식 센서와 3선식, 4선식 센서는 배선 방식과 전원 공급 구조가 다를 수 있으므로 제품의 결선도를 반드시 확인해야 합니다.
또한 PLC의 아날로그 입력 모듈이 전류 입력을 지원하는지도 확인해야 합니다.
센서가 4-20mA 출력이라고 하더라도 PLC 입력이 0-10V만 지원한다면 바로 연결할 수 없는 경우가 있습니다.
이외에도 다음과 같은 항목을 확인해야 합니다.
- 센서의 공급 전압
- 센서의 출력 범위
- PLC 아날로그 입력 사양
- 최대 배선 거리
- 부하 저항
- 케이블 종류
- 접지 및 노이즈 환경
- 센서의 고장 신호 설정
특히 산업 현장에서는 모터나 인버터에서 발생하는 전기적 노이즈가 계측 신호에 영향을 줄 수 있으므로 배선과 접지 설계를 적절하게 해야 합니다.
4mA보다 낮은 신호가 나오면 고장일까?
반드시 그렇다고 단정할 수는 없습니다.
4-20mA는 일반적인 측정 범위를 나타내는 신호이지만 일부 센서는 측정 범위를 벗어난 상태나 센서 이상을 특정 전류값으로 표시하도록 설정할 수 있습니다.
예를 들어 센서에 따라 3.6mA 또는 21mA 부근의 값을 고장 또는 경고 상태를 나타내는 신호로 사용하는 경우도 있습니다.
따라서 실제 현장에서 특정 전류값이 어떤 의미를 가지는지 판단하려면 센서 제조사의 데이터시트와 설정값을 확인해야 합니다.
이 부분은 산업용 센서를 다룰 때 특히 중요한 원칙입니다.
같은 4-20mA 제품이라도 제조사와 모델에 따라 진단 기능과 오류 출력 방식이 다를 수 있기 때문입니다.
산업용 센서를 선택할 때 4-20mA만 확인하면 될까?
4-20mA 출력 여부만 확인해서는 충분하지 않습니다.
센서를 선택할 때는 먼저 무엇을 측정할 것인지 결정해야 합니다.
예를 들어 압력을 측정한다면 측정 범위와 압력 기준이 중요하고, 온도를 측정한다면 RTD인지 열전대인지에 따라 적합한 제품이 달라질 수 있습니다.
그다음 센서의 정확도, 응답 속도, 설치 환경, 사용 온도, 보호등급 등을 확인해야 합니다.
마지막으로 출력 신호와 제어 시스템의 호환성을 확인합니다.
즉, 센서 선택은 다음과 같은 순서로 생각하는 것이 좋습니다.
측정 대상 → 측정 범위 → 정확도 → 설치 환경 → 출력 방식 → 제어 시스템 호환성
4-20mA는 이 과정에서 중요한 선택 항목 중 하나라고 볼 수 있습니다.
마무리
4-20mA는 산업용 센서에서 매우 자주 사용되는 대표적인 아날로그 전류 신호 방식입니다.
센서가 측정한 온도, 압력, 유량, 수위 등의 물리량을 4-20mA 범위의 전류 신호로 변환하여 PLC나 제어 시스템으로 전달합니다.
특히 4mA를 측정 범위의 시작점으로 사용하는 Live Zero 방식은 정상적인 최저 측정값과 신호 단절 상태를 구분하는 데 도움이 됩니다.
또한 전류 신호의 특성상 산업 현장의 장거리 신호 전송에 활용하기 좋으며, 다양한 센서와 자동화 시스템에서 오랫동안 사용되어 왔습니다.
하지만 4-20mA라는 이유만으로 모든 센서가 동일하게 작동하는 것은 아닙니다. 센서의 측정 범위, 전원 공급 방식, 배선 구조, PLC의 아날로그 입력 사양, 부하 저항, 노이즈 환경 등을 함께 확인해야 안정적인 측정 시스템을 구성할 수 있습니다.
산업용 센서를 제대로 이해하려면 센서 자체의 측정 원리뿐만 아니라 측정된 정보가 어떤 신호로 변환되어 제어 시스템까지 전달되는지도 알아야 합니다.
그런 의미에서 4-20mA는 산업용 센서와 자동화 시스템을 연결하는 핵심적인 개념 중 하나입니다.
다음 글에서는 센서의 정확도와 정밀도의 다른점에 대해 알아보도록 하겠습니다.