공장 자동화 시스템을 살펴보면 하나의 센서만 사용하는 경우보다 여러 종류의 센서를 함께 사용하는 경우가 많습니다.
생산라인에서는 물체의 위치를 확인하기 위해 광센서를 사용하고, 기계의 움직임을 확인하기 위해 근접센서를 사용하며, 모터의 상태를 확인하기 위해 진동센서를 사용할 수 있습니다. 또한 온도와 습도, 압력, 수위, 가스 농도 등을 확인하기 위해 각각 다른 종류의 센서가 사용됩니다.
그렇다면 왜 공장 자동화에서는 센서 하나만 사용하는 것이 아니라 여러 종류의 센서를 함께 사용하는 것일까요?
그 이유는 간단합니다.
하나의 센서만으로는 복잡한 생산설비의 모든 상태를 확인하기 어렵기 때문입니다.
앞선 산업용 센서 실무 #26에서는 수위센서가 물탱크의 수위를 어떻게 측정하는지 알아보았습니다. 수위센서는 탱크 내부의 액체 상태를 확인하는 데 적합하지만 제품의 위치나 모터의 진동 상태까지 측정할 수는 없습니다.
결국 자동화 시스템에서는 각각의 목적에 맞는 센서를 선택하고 이들을 서로 연결하여 설비 전체의 상태를 파악해야 합니다.
이번 글에서는 공장 자동화에서 여러 종류의 센서가 함께 사용되는 이유와 각각의 센서가 어떤 역할을 하는지 자세히 알아보겠습니다.
1. 공장 자동화에서 센서가 중요한 이유
자동화 시스템은 사람이 직접 모든 작업을 확인하지 않고 기계와 제어장치가 정해진 조건에 따라 작업을 수행하는 시스템입니다.
그런데 기계가 스스로 작업을 수행하려면 현재 상황을 알아야 합니다.
예를 들어 컨베이어 위에 제품이 들어왔는지 확인해야 하고, 제품이 정확한 위치에 있는지도 알아야 합니다.
또한 실린더가 앞으로 이동했는지, 모터가 정상적으로 회전하고 있는지, 탱크에 액체가 충분히 들어 있는지도 확인해야 합니다.
사람은 눈으로 보고 소리를 듣거나 직접 만져보면서 이러한 상태를 판단할 수 있지만 자동화 설비는 사람처럼 주변 상황을 직접 이해하지 못합니다.
이때 필요한 것이 센서입니다.
센서는 주변의 물리적인 변화를 감지하고 이를 전기적인 신호로 변환하여 PLC나 컨트롤러와 같은 제어장치에 전달합니다.
제어장치는 센서에서 전달된 신호를 바탕으로 모터를 작동시키거나 정지시키고, 밸브를 열거나 닫으며, 제품의 이동 순서를 제어할 수 있습니다.
즉, 센서는 자동화 시스템에서 기계가 주변 상황을 인식할 수 있도록 해주는 감각기관과 같은 역할을 합니다.
2. 하나의 센서만 사용하면 어떤 문제가 생길까?
간단한 자동화 장비라면 센서 하나만으로도 충분할 수 있습니다.
하지만 생산공정이 복잡해질수록 하나의 센서만으로 모든 상태를 확인하기는 어렵습니다.
예를 들어 컨베이어에서 제품을 이동시키는 자동화 설비를 생각해 보겠습니다.
제품이 컨베이어에 들어왔는지 확인하려면 광센서가 필요할 수 있습니다.
하지만 제품이 정확한 위치에 도착했는지를 확인하는 것과 모터가 정상적으로 작동하고 있는지를 확인하는 것은 서로 다른 문제입니다.
모터의 상태를 확인하려면 진동센서나 온도센서 등이 필요할 수 있습니다.
또한 제품을 생산하는 과정에서 탱크에 액체를 공급한다면 수위센서가 필요할 수 있습니다.
이처럼 자동화 설비에서는 측정해야 하는 대상이 여러 가지이기 때문에 그에 맞는 센서 역시 여러 종류가 필요합니다.
3. 광센서는 제품의 유무와 위치를 확인한다
앞선 산업용 센서 실무 #21에서 광센서가 빛을 이용하여 물체의 유무를 판단하는 원리를 살펴보았습니다.
광센서는 자동화 생산라인에서 매우 흔하게 사용되는 센서 중 하나입니다.
컨베이어를 이동하는 제품을 감지하거나 제품이 특정 위치에 도착했는지를 확인하는 데 활용할 수 있습니다.
예를 들어 컨베이어 위를 이동하는 제품이 광센서의 감지 영역을 통과하면 센서가 신호를 발생시킵니다.
PLC는 이 신호를 받아 다음 작업을 수행할 수 있습니다.
제품이 없으면 컨베이어를 계속 움직이고, 제품이 감지되면 컨베이어를 정지시키는 방식입니다.
이처럼 광센서는 제품의 존재 여부와 위치 정보를 제공하는 역할을 할 수 있습니다.
4. 근접센서는 물체의 접근을 감지한다
근접센서는 물체가 센서에 가까워졌는지를 감지하는 데 사용됩니다.
특히 금속 물체를 감지하는 산업용 근접센서는 자동화 설비에서 많이 활용됩니다.
예를 들어 실린더가 특정 위치까지 이동했는지 확인하거나 기계 부품이 정해진 위치에 도착했는지를 확인할 수 있습니다.
광센서와 비슷해 보이지만 측정 원리와 적용 대상이 다릅니다.
따라서 자동화 설비에서는 광센서와 근접센서를 상황에 맞게 선택하여 사용할 수 있습니다.
5. 진동센서는 기계의 상태를 확인한다
앞선 산업용 센서 실무 #22에서는 진동센서가 기계의 고장을 어떻게 미리 발견할 수 있는지 알아보았습니다.
모터, 펌프, 팬, 감속기와 같은 회전기계는 정상적으로 작동할 때 일정한 진동 특성을 나타냅니다.
그런데 베어링 손상이나 축 정렬 불량, 불균형, 기계적 마모 등이 발생하면 진동 패턴이 달라질 수 있습니다.
진동센서는 이러한 변화를 감지하여 설비 상태를 모니터링하는 데 활용할 수 있습니다.
따라서 광센서가 제품을 감지하는 역할을 한다면 진동센서는 기계 자체의 상태를 확인하는 역할을 한다고 볼 수 있습니다.
이처럼 서로 다른 센서가 서로 다른 정보를 제공하기 때문에 하나의 자동화 시스템 안에서 여러 센서가 함께 사용됩니다.
6. 온도센서와 습도센서는 주변 환경을 확인한다
생산설비의 상태뿐만 아니라 공장 내부의 환경도 자동화 시스템에서는 중요한 정보가 될 수 있습니다.
예를 들어 특정 공정에서는 온도가 일정 범위로 유지되어야 할 수 있습니다.
이때 온도센서를 사용하여 현재 온도를 측정하고 제어 시스템에 전달할 수 있습니다.
습도 역시 마찬가지입니다.
앞선 산업용 센서 실무 #23에서는 습도센서의 측정 원리와 오차가 발생하는 이유를 살펴보았습니다.
습도센서는 공기 중 수분 상태를 측정하고, 필요한 경우 공조장치나 제습장치의 제어에 활용할 수 있습니다.
온도와 습도는 서로 영향을 주기 때문에 산업 현장에서는 온도센서와 습도센서를 함께 사용하는 경우도 많습니다.
7. 가스센서와 CO₂ 센서는 공기 상태를 확인한다
앞선 #24 가스센서와 #25 CO₂ 센서에서는 공기 중 특정 가스와 이산화탄소를 측정하는 방법을 알아보았습니다.
가스센서는 공기 중에 존재하는 특정 가스의 농도를 감지하는 데 사용됩니다.
산업 현장에서는 공정에 사용되는 가스나 누출 가능성이 있는 가스를 감시할 필요가 있을 수 있습니다.
CO₂ 센서는 이산화탄소 농도를 측정하여 실내 공기질이나 환기 상태를 확인하는 데 활용할 수 있습니다.
두 센서 모두 공기의 상태를 측정하지만 측정 대상과 목적이 다를 수 있습니다.
이처럼 자동화 시스템에서는 필요한 정보를 얻기 위해 여러 종류의 환경 센서를 조합하여 사용할 수 있습니다.
8. 수위센서는 탱크 내부의 액체 상태를 확인한다
앞선 #26에서 살펴본 수위센서는 물탱크나 저장탱크의 액체 높이를 측정하는 역할을 합니다.
예를 들어 탱크에 물이 일정 수준 이하로 내려가면 펌프를 작동시키고, 일정 수준 이상으로 올라가면 펌프를 정지시키는 자동제어가 가능합니다.
이 과정에서 수위센서는 단순히 수위를 표시하는 장치가 아니라 자동화 시스템의 제어 조건을 제공하는 센서가 됩니다.
만약 수위센서가 없다면 제어장치는 탱크 내부에 물이 얼마나 남아 있는지 알기 어렵습니다.
따라서 탱크를 사용하는 자동화 공정에서는 수위센서가 중요한 역할을 할 수 있습니다.
9. 여러 센서의 정보를 하나로 모으면 어떤 장점이 있을까?
여러 종류의 센서를 함께 사용하는 가장 큰 장점은 설비의 상태를 보다 종합적으로 파악할 수 있다는 것입니다.
예를 들어 하나의 생산라인에 광센서, 온도센서, 진동센서가 설치되어 있다고 생각해 보겠습니다.
광센서는 제품의 위치를 알려주고, 온도센서는 설비의 온도를 알려주며, 진동센서는 모터나 회전기계의 상태를 알려줍니다.
각각의 센서가 전달하는 정보는 서로 다릅니다.
하지만 PLC나 산업용 컴퓨터가 이 정보를 종합하면 생산라인에서 현재 어떤 상황이 발생하고 있는지 더 정확하게 판단할 수 있습니다.
예를 들어 제품이 감지되었는데 모터의 진동이 갑자기 증가하고 있다면 단순히 생산라인이 정상적으로 움직인다고 판단하기보다는 설비 이상 가능성을 함께 확인할 수 있습니다.
즉, 센서 하나의 정보보다 여러 센서의 정보를 함께 분석하면 자동화 시스템의 판단 범위를 넓힐 수 있습니다.
10. 여러 센서를 함께 사용하면 자동제어도 정교해진다
센서의 정보를 조합하면 자동제어 시스템을 더욱 정교하게 구성할 수 있습니다.
예를 들어 물탱크 자동 공급 시스템을 생각해 보겠습니다.
수위센서는 현재 물의 높이를 확인합니다.
펌프는 물을 공급합니다.
그리고 유량센서를 추가하면 실제로 물이 정상적으로 흐르고 있는지도 확인할 수 있습니다.
수위가 낮다는 신호만 가지고 펌프를 작동시키는 것보다 수위와 유량을 함께 확인하는 방식이 시스템의 상태를 더욱 정확하게 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이처럼 여러 센서를 조합하면 단순한 자동화에서 한 단계 더 발전하여 설비의 상태를 종합적으로 판단하는 시스템을 구성할 수 있습니다.
11. 센서가 많아질수록 중요한 것은 신호 관리다
여러 종류의 센서를 사용한다고 해서 무조건 시스템이 좋아지는 것은 아닙니다.
센서가 많아지면 그만큼 배선, 신호 처리, 데이터 관리, 유지보수도 복잡해집니다.
각 센서의 출력 방식이 서로 다를 수도 있습니다.
어떤 센서는 디지털 신호를 사용하고, 다른 센서는 4~20mA와 같은 아날로그 신호를 사용할 수 있습니다.
또한 RS-485, Ethernet 기반 통신 등 다양한 통신 방식을 사용할 수도 있습니다.
따라서 자동화 시스템을 설계할 때는 센서의 종류만 결정하는 것이 아니라 PLC나 컨트롤러가 해당 센서의 신호를 어떻게 처리할 것인지도 함께 고려해야 합니다.
센서가 많아질수록 신호 체계와 배선 구조를 명확하게 설계하는 것이 중요합니다.
12. 여러 센서를 사용할 때 센서 간 관계도 중요하다
자동화 시스템에서는 센서를 각각 독립적으로 보는 것보다 서로 어떤 관계가 있는지를 파악하는 것이 중요합니다.
예를 들어 모터의 온도는 정상인데 진동이 갑자기 증가할 수도 있습니다.
또한 탱크의 수위는 정상인데 유량이 제대로 나오지 않을 수도 있습니다.
제품 감지는 정상적으로 이루어지지만 특정 구간에서 반복적으로 제품 위치 오류가 발생할 수도 있습니다.
이처럼 하나의 센서만 보면 정상으로 보이지만 여러 센서의 정보를 함께 분석하면 이상 상태를 발견할 수 있는 경우가 있습니다.
따라서 산업 자동화가 발전할수록 단순히 센서를 설치하는 것보다 센서 데이터를 어떻게 연결하고 해석할 것인지가 중요해집니다.
13. 센서 선택보다 먼저 해야 할 것은 측정 대상 정하기
여러 센서를 사용해야 한다고 해서 센서를 먼저 구매하는 것은 좋은 방법이 아닙니다.
먼저 자동화 시스템에서 무엇을 확인해야 하는지 정해야 합니다.
예를 들어 다음과 같이 질문해 볼 수 있습니다.
- 제품이 들어왔는가?
- 제품이 정확한 위치에 있는가?
- 모터가 정상적으로 작동하는가?
- 설비의 온도는 정상인가?
- 탱크의 수위는 적절한가?
- 특정 가스가 발생하고 있지는 않은가?
- 생산 환경의 습도는 적절한가?
이 질문에 대한 답을 얻기 위해 각각 어떤 센서가 필요한지 결정하는 것이 순서입니다.
즉, 센서를 선택하기 전에 측정해야 할 대상을 정의하는 것이 중요합니다.
14. 마무리
공장 자동화에서 여러 종류의 센서가 함께 사용되는 가장 큰 이유는 하나의 센서만으로는 생산설비와 작업환경의 다양한 상태를 모두 확인하기 어렵기 때문입니다.
광센서는 제품의 유무나 위치를 확인하고, 근접센서는 물체의 접근이나 위치를 감지할 수 있습니다.
진동센서는 모터나 펌프와 같은 기계의 상태를 확인하고, 온도센서와 습도센서는 주변 환경을 측정합니다.
가스센서는 특정 가스의 농도를 감지하고, CO₂ 센서는 이산화탄소 농도를 확인할 수 있습니다.
수위센서는 물탱크나 저장탱크의 액체 높이를 측정합니다.
각 센서가 서로 다른 정보를 제공하기 때문에 이들을 PLC나 산업용 제어 시스템과 연결하면 생산설비의 상태를 보다 종합적으로 파악하고 자동으로 제어할 수 있습니다.
결국 공장 자동화에서 중요한 것은 센서를 많이 설치하는 것이 아닙니다.
어떤 상태를 측정해야 하는지 정의하고, 그 목적에 맞는 센서를 선택한 뒤, 각각의 센서에서 얻은 정보를 효과적으로 연결하는 것이 중요합니다.
센서는 자동화 시스템의 눈과 귀와 같은 역할을 하지만, 센서 자체가 모든 문제를 해결해 주는 것은 아닙니다.
센서가 정확한 정보를 제공하고 제어 시스템이 그 정보를 올바르게 해석해야 비로소 안정적인 자동화 시스템을 만들 수 있습니다.
그리고 여기서 한 가지 중요한 문제가 발생합니다.
여러 센서가 연결된 자동화 시스템에서 센서 하나가 고장 난다면 전체 시스템에는 어떤 일이 발생할까요?
센서 하나의 이상이 단순히 해당 센서의 측정값만 잘못 만드는 것인지, 아니면 생산라인 전체의 정지나 품질 문제로 이어질 수 있는지도 살펴볼 필요가 있습니다.
다음 글에서는 센서 고장이 생산설비와 품질, 안전, 생산성에 어떤 영향을 줄 수 있는지 살펴보고, 센서 고장을 조기에 발견하기 위한 방법까지 알아보겠습니다.