KR101323874B1 - 컴팩트 열전대 모듈 및 그것을 장착한 ｐｌｃ - Google Patents

Abstract

본 발명은 자체 MPU가 필요없이 PLC의 메인 제어부에 의해 데이터 처리가 가능하고, 입력단에 부가적인 집적 회로가 필요없이 PLC 메인 유닛에 의해 제어되는 컴팩트 형태의 열전대 모듈을 제공한다.

Description

컴팩트 열전대 모듈 및 그것을 장착한 ＰＬＣ{A COMPACT TEMPERATURE THERMOCOUPLE MODULE AND A PLC EQUIPPED THEREWITH}

본 발명은 PLC용 열전대 모듈 및 그것을 장착한 PLC에 관한 것이다.

보다 구체적으로 본 발명은 자체 MPU가 필요없이 PLC의 메인 제어부에 의해 데이터 처리가 가능하고, 입력단에 부가적인 집적 회로가 필요없이 PLC 메인 유닛에 의해 제어되는 컴팩트 형태의 열전대 모듈을 제공한다.

일반적으로 PLC(Programable Logic Controller)는 입력, 출력, 기억, 연산 제어부를 갖추어 컴퓨터와 유사한 기능을 수행하는 시퀸스 제어장치로서, 산업용으로 주로 사용된다.

PLC는 산업용 제어업무에 사용되는 장치로서 높은 신뢰성과 간편한 제어 소프트웨어, 유지 보수의 간편성, 저렴한 가격 등의 특징을 갖고 있기 때문에 많은 분야에서 이용하고 있으며, 그 적용 분야로는 대, 중, 소규모의 공장자동화나 송유관 가스관의 감시제어, 각종 시퀸스 제어 등에 사용되고 있다.

PLC는 산업현장에서 공장자동화시스템 등에 널리 사용되고 있으며, 필요에 따라 프로그램을 변경할 수 있고, 또한, 여러 가지 기능을 갖는 모듈들을 장착하여 사용할 수 있다.

모듈들은 예컨대 통신 모듈, 아날로그 입출력을 처리하는 특수모듈, 위치 결정 모듈, 온도를 측정하는 열전대 모듈 중 하나일 수 있다.

이 모듈들 중 열전대 모듈은, 온도를 측정하는 모듈로서, 두가지 다른 금속을 접속하여 그 접속부분에 온도변화를 가하면 그에 해당하는 미세전압(기전력)이 발생하는데, 이를 이용하여 온도를 측정하는 모듈이다.

그 측정 원리는 두 개의 서로 다른 금속이 만나면 미세 전압이 두 금속의 접합에서 생성된다. 이 메세 전압(100 mV 이하)의 크기는 금속의 형태에 의존하고, 접합부의 온도에 직접적으로 전압과 온도 특성을 그래프로 보면 대체적으로 비례한다.

열전대는 넓은 온도변화를 가지기 때문에 관련 산업에 널리 쓰이고, 매우 높은 온도 측정에도 사용된다. 열전대로 사용되는 일반적인 금속 조합은 텡스텐, 테튬 합금, 백금 등이다. 열전대의 종류는 각각 다른 온도 변화폭, 계수, 그리고 전압특성을 가지고 있다. 센서 종류에 따라 온도 범위 및 보상 범위가 다르며, 다양한 센서 규격(B, R, S, K, E, J, T, N 등)을 제시한다. 열전대의 전반적인 온도 변화폭은 -0℃~ 2300℃으로 넓은 범위나 고온 측정에 유리하다.

PLC의 열전대 온도 측정 기술은 이미 모듈화되어 상용화되어 있으며 온도 측정은 열전대에서 발생하는 열기전력 형태를 아날로그 입력으로 받아들여, AD 컨버터를 거친 후 디지털 값으로 출력하는 기능을 가진다.

전술한 바와 같이, 열전대에서 발생하는 열기전력은 100 mV 이하의 미세 신호 전압이므로, A/D 컨버터에서 이러한 미세 신호를 처리하기 위해서는 OP AMP 등의 증폭기를 이용한 신호의 증폭이 반드시 필요하다. 또한, 기준온도를 고려한 열전대 효과를 보상하기 위해서 기준 접합 보상(Reference Junction Compensation)으로 불리는 보상 회로가 필수적이다.

본 발명에서는 열전대 모듈이 장착된 PLC의 메인 제어부에서 열전대 모듈을 제어하여 열전 모듈 내에 별도의 콘트롤러 또는 제어부가 필요없고, 열전대 모듈 내에 RJC 센서 및 열전대 센서를 통합하여 외부에 별도의 열전대 센서나 RJC 센서를 부착할 필요없는 열전대 모듈을 제공한다.

도 1은 종래 기술에 따른 열전대 모듈(30)과 PLC의 메인 제어부(40)의 구성을 나타낸다.

열전대 입력부(10)는 열전대 센서를 포함하고, 측정 지점의 온도에 의해 생성된 열기전력, 또는 전압을 출력한다. 여기서 열전대 센서는 측온시 기준접점 보상이라는 것이 필요하다. 센서를 모듈에 연결할 때 센서의 성분과 다른 단자의 금속성분이 접속되면 이 부분에서도 열에 의한 열기전력이 발생하고 이 열기전력을 측온하고자 하는 기전력에 얹혀지면 오차로 작용을 하게 된다. 그러므로 단자의 온도를 측정하여 측온점과 관계없는 열기전력을 제거하여야 하는데, 기준 전압 입력부(20)에서 기준접점보상(Reference Junction Compensation)을 수행한다.

열전대 입력부(10)에서 출력되는 열기전력과 기준 전압 입력부(20)에서 출력되는 기준 전압이 멀티플렉서(31)에 입력되고, 멀티플렉서(31)는 열기전력 데이터 또는 기준 전압 데이터를 증폭부(32)로 전달하고, 증폭된 신호는 AD 컨버터(33)를 거쳐 PLC의 메인 제어부(40)로 전달할 신호 형태로 변환된다.

위와 같은 동작들은 열전대 모듈(30) 내에 장착된 모듈 제어부(34)의 제어하에 수행되며, 모듈 제어부(34)는 PLC의 메인 제어부(40)와 시리얼 통신에 의해 연결된다.

위와 같은, 종래 기술에서는 별도의 모듈 제어부(34)를 포함하는 열전대 모듈을 PLC에 장착하여 사용했다. 이에 따라, 종래 PLC의 열전대 모듈보다 간소화되고 컴팩트한 형태의 열전대 모듈이 요구된다.

본 발명은 별도의 제어부를 포함하지 않기 때문에 제조 비용이 감소된 열전대 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기준 전압 보상을 위한 부가적인 집적 회로가 불필요한 열전대 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, PLC에 장착되는 옵션형 열전대 모듈이 제공된다. 상기 열전대 모듈은, 발생된 온도에 따라 열전대 전압을 생성하는 열전대 입력부; 주위 온도에 따라 기준 전압을 생성하는 기준 전압 입력부; 상기 열전대 전압 및 기준 전압을 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭된 열전대 전압 및 기준 전압을 상기 PLC의 메인 제어부에서 처리 가능한 신호로 변환하는 AD 컨버터를 포함한다.

본 발명에 따르면, 열전대 모듈에서 별도의 모듈 제어부를 삭제하고, 추가 기능 없이 주사용 기능만 수행하여 컴팩트한 열전대 모듈을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 열전대 모듈에서 별도의 전원을 따로 구성하지 않고 PLC의 전원을 공용으로 사용함으로써 재료비를 감소시키고 회로적 측면으로 온도 변환 장치의 구성 면적을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 열전대 모듈 내에서 AD 컨버터의 신호 변환 방식으로 시그마 델타 변환을 채용하여 입력 신호를 매우 빠른 샘플링 주파수(MHz)에 매우 낮은 분해능(1비트) 단위의 디지털 신호로 변환하는 구조라서 고분해능의 저속 변환에 유용하며 신호 왜곡이 적은 열전대 모듈을 제공할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 열전대 모듈(30)과 PLC의 메인 제어부(40)의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC에 장착되는 열전대 모듈(50)의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전압 입력부(52)의 구성을 나타낸다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC에 장착되는 열전대 모듈(50)의 구성을 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 모듈(50)은 발생된 온도에 따라 열전대 전압을 생성하는 열전대 입력부(51), 주위 온도에 따라 기준 전압을 생성하는 기준 전압 입력부(52), 상기 열전대 전압 및 기준 전압을 증폭하는 증폭부(54), 및 상기 증폭된 열전대 전압 및 기준 전압을 상기 PLC의 메인 제어부(56)에서 처리 가능한 신호로 변환하는 AD 컨버터(55)를 포함한다.

도 2를 참조하면, 열전대 입력부(51)는 열전대는 두 가지 다른 종류의 금속을 접속한 열전대 센서를 포함하여, 온도를 측정한다. 열전대 입력부(51)는 온도 측정 지점의 온도에 따라 발생하는 미세 전압을 멀티플렉서(53)로 전달한다. 실시예에 따라, 열전대 입력부(51)는 복수개의 열전대 센서를 포함하여 복수개의 온도 측정을 동시에 수행할 수 있다.

열전대 입력부(510에 장착되는 열전대 센서는 K타입 센서 또는 J타입 센서를 사용하는 것이 바람직하다.

기준 전압 입력부(52)는, 기준접점의 주위온도를 기준 전압으로 변환하여 멀티플렉서(53)로 전달한다.

열전대 입력부(51)에 측정된 전압 데이터와 기준 전압 입력부(52)에 의해 측정된 기준 전압 데이터는 후술하는 바와 같이 PLC의 메인 제어부(56)로 전달되며, 메인 제어부(56)에서는 기준 전압 데이터를 사용하여 측정 온도에 해당하는 전압 데이터의 보정을 수행한다.

멀티플렉서(53)는 열전대 입력부(51)에 의해 측정된 온도 데이터 또는 기준 전압 입력부(52)에 의해 측정된 기준 전압 데이터 중 어느 것을 메인 제어부(56)로 전달할지 결정하고, 그에 따라 열전대 입력부(51) 또는 기준 전압 입력부(52) 중 하나와 선택적으로 연결된다.

멀티플렉서(53)로 입력된 전압 데이터는 증폭부(54)에 의해 증폭되어 AD 컨버터(55)로 전달된다. 증폭부(54)는 적어도 하나의 OP Amp를 포함할 수 있다.

AD 컨버터(55)는 증폭부(54)에 의해 증폭된 신호를 메인 제어부(56)로 전달한다. AD 컨버터(55)와 PLC의 메인 제어부(56)는 시리얼 인터페이스에 의해 연결될 수 있다. AD 컨버터(55)는 소위 시그마 델타 변환 방식에 의한 데이터 변환을 수행하여 입력된 온도 데이터 또는 기준 전압 데이터를 메인 제어부(56)에 의해 처리 가능한 직류 신호로 변환할 수 있다.

실시예에 따라서는 열전대 입력부(51)에 복수개의 열전대 센서가 포함된 경우에, 증폭부(54)와 AD 컨버터(55)는 복수개의 온도 데이터를 처리하기 위한 복수의 채널을 포함할 수 있다.

또한, 실시예에 따라서는, 증폭부(54)와 AD 컨버터(55)는 하나의 소자로 구성될 수도 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대 모듈(50)은 별도의 독립적인 전원 공급이 불필요하고, PLC의 전원부로부터 공급 전원, 예컨대 5V 전원을 공급받을 수 있다. 즉, 메인 제어부(56)와 동일한 전원 공급부를 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전압 입력부(52)의 구성을 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기준 전압 입력부(52)는 기준 접점 보상(RJC:Reference Junction Compensation) 센서와 정밀 기준 저항(R1)을 포함할 수 있다. RJC 센서에 걸리는 전압이 열전대 모듈(50)에 기준 전압값으로 전달될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, RJC 센서로는 서미스터(thermistor)를 사용할 수 있다.

기준 전압 입력부(52)에 포함되는 RJC 센서의 저항값은 자체 특성에 의해 온도에 따라 변하는 특성을 갖는다. 이러한 특성을 보상해주기 위해, 열전대 모듈(50)에 공급되는 정전류원을 공유할 수 있다.

상기 정전류원에 의해 공급되는 전류는 RJC 센서와 정밀기준저항(R)을 통과한다. RJC 센서에 걸리는 전압, 즉 기준 전압은 열전대 모듈(50)의 멀티플렉서(53), 증폭부(54)를 통해 증폭되고, AD 컨버터(55)에 의해 직류로 변환되고, 시리얼 인터페이스를 PLC의 메인 제어부(56)로 전달된다.

PLC의 메인 제어부(56)는 기준전압으로 사용될 RJC에 걸린 전압을 주위온도로 계산하고 그 전압을 온도변환 규칙에 따라 열전대 온도 규격 전압으로 환산한다. 여기에 얻어진 규격 전압은 열전대 입력부(51)에 의해 측정된 전압, 즉 열기전력과 합산되어 최종 전압값을 산출할 수 있다. 이 최종 전압값을 규격 표에 따라 온도로 환산하면 최종 온도가 된다.

전술한 바와 같이, 열전대 입력부(51)는 복수개의 열전대 센서를 포함할 수 있고, 복수개의 온도 측정, 즉 복수개의 온도 측정 채널을 가질 수 있다. 예를 들어 2개의 온도 측정 채널을 갖는 열전대 입력부(51)를 사용하면 2곳의 온도를 동시에 측정할 수 있고, 이와 같은 열전대 모듈(50)을 복수개 사용하면 더 많은 곳의 온도를 동시에 측정할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

50 : 열전대 모듈
51 : 열전대 입력부
52 : 기준 전압 입력부
53 : 멀티플렉서
54 : 증폭부
55 : AD 컨버터
56 : PLC의 메인 제어부

Claims (7)

1. PLC에 있어서,
   상기 PLC의 전반적인 동작을 제어하는 PLC의 메인 제어부;
   상기 PLC에 장착되며, 발생된 온도에 따라 열전대 전압을 생성하는 열전대 입력부와, 주위 온도에 따라 기준 전압을 생성하는 기준 전압 입력부와, 상기 열전대 전압 및 기준 전압을 선택적으로 출력하여 증폭하고, 이를 상기 PLC의 메인 제어부에서 처리 가능한 신호로 변환하여 출력하는 AD 컨버터를 포함하는 온도 측정을 위한 옵션형 열전대 모듈; 및
   상기 메인 제어부에 동작 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하며,
   상기 열전대 모듈은,
   상기 메인 제어부로 동작 전원을 공급하는 전원 공급부로부터 동작 전원을 공급받아 구동하는 PLC.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열전대 입력부는
   복수 개의 입력 채널을 포함하는 PLC.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기준 전압 입력부는
   기준전압보상 센서 및 정밀 저항을 포함하고,
   상기 기준 전압은 기준전압보상 센서에 걸리는 전압인 PLC.
4. 제3항에 있어서,
   상기 기준전압보상 센서는 써미스터(thermister)인 PLC.
5. 제1항에 있어서,
   상기 AD 컨버터는
   상기 열전대 입력부 또는 기준 전압 입력부로부터의 입력을 선택적으로 수신하여 출력하는 멀티플렉서를 내장하는 PLC.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 AD 컨버터는
   상기 멀티플렉서로부터의 입력을 선택적으로 수신하여 증폭하는 증폭부를 내장하고 있는 PLC.
7. 삭제

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