PLC 아날로그 모듈 배선과 스케일링 공식 완벽 정리 — 4-20mA 실전 예제

⚙️ 64호 · PLC 프로그래밍

아날로그 입출력 모듈 배선과
스케일링 프로그래밍 완벽 가이드

4-20mA·0-10V 신호의 정확한 배선부터 물리값 변환 공식까지 — 현장 트러블슈팅을 줄이는 실전 지식을 한 번에 정리합니다.

🟡 중급 🎯 현장 전기기술자 📐 KEC 212 적용 🔑 전기기술사 출제

01 / 문제 제기

왜 아날로그 신호 처리가 어려운가?

📋 이런 상황을 겪어보셨나요?

센서를 PLC에 연결했는데 모니터 화면에 0 ~ 32767 같은 숫자만 나오고, 실제 온도나 압력 값이 보이지 않는 경우가 있습니다. 이것은 배선 오류가 아니라 아날로그 스케일링 공식을 적용하지 않았기 때문입니다.

PLC(Programmable Logic Controller)는 센서에서 받은 전압이나 전류 신호를 디지털 숫자로 변환해 저장합니다. 예를 들어 4-20mA 아날로그 신호를 받으면 PLC 내부적으로 0 ~ 32767(또는 0 ~ 4095)의 정수값으로 처리합니다. 이 숫자를 실제 물리량(온도, 압력, 유량 등)으로 변환하는 과정이 바로 스케일링(Scaling)입니다.

배선 단계에서 실드(Shield) 접지를 빠뜨리거나, 스케일링 공식의 최솟값·최댓값을 잘못 입력하면 현장에서 장시간 트러블슈팅이 이어집니다. 이 글에서는 아날로그 입출력 모듈 배선 방법부터 PLC 스케일링 프로그래밍 공식까지 단계적으로 설명합니다.

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전류 신호 (4-20mA)

장거리 노이즈에 강한 산업 표준. 4mA=0%, 20mA=100%이며 단선 감지(0mA) 가능.

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전압 신호 (0-10V)

배선이 단순하고 저렴. 단, 노이즈에 취약하고 배선 저항의 영향을 받음.

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RTD / 열전대

PT100(RTD), K형·J형 열전대. 전용 온도 모듈 또는 트랜스미터가 필요.

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아날로그 출력

밸브·인버터 주파수 지령에 사용. 역스케일링으로 4-20mA 또는 0-10V 출력.

02 / 배선 방법

아날로그 입력 모듈 배선 — 4-20mA와 0-10V

아날로그 배선에서 가장 중요한 것은 신호선 실드 케이블 사용과 올바른 접지입니다. 실드를 드라이브 끝단(PLC 측)에서만 접지하는 단말 접지 방식이 산업 현장 표준입니다. 양쪽을 모두 접지하면 접지 루프(Ground Loop)가 형성되어 오히려 노이즈가 유입됩니다.

① 아날로그 입력 모듈 배선도 (4-20mA 2선식·4선식 / 0-10V)

2선식과 4선식 센서의 차이

2선식(Loop Powered) 센서는 PLC 모듈에서 24V 전원을 공급하고, 같은 2가닥 선으로 4-20mA 신호가 흐르는 방식입니다. 배선이 간단하지만 센서 내부 소비 전류(최대 3.5mA)를 고려해야 합니다. 4선식 센서는 전원선 2가닥과 신호선 2가닥이 분리되어 있어 더 높은 정밀도를 제공합니다.

구분	신호 종류	배선 방식	케이블 종류	이격 거리	접지 방식
4-20mA 2선식	전류	+·- 2가닥	실드 2C×0.75㎟	동력선 +30cm	단말 접지
4-20mA 4선식	전류	전원+신호 분리	실드 4C×0.75㎟	동력선 +30cm	단말 접지
0-10V	전압	V+·COM 2가닥	실드 2C×0.75㎟	동력선 +50cm	단말 접지
PT100 RTD	저항	3선식 권장	실드 3C×0.5㎟	동력선 +30cm	단말 접지
열전대(K형)	mV	극성 주의	보상 도선 전용	동력선 +30cm	단말 접지
아날로그 출력	전류/전압	부하 연결	실드 2C×1.5㎟	동력선 +30cm	단말 접지

03 / 스케일링 공식

스케일링 공식 완전 이해 — 원시값 → 물리값 변환

PLC의 A/D(아날로그→디지털) 변환기는 아날로그 신호를 정수값으로 저장합니다. 분해능(Resolution)에 따라 12비트 모듈은 0~4095, 16비트 모듈은 0~32767(또는 -32768~32767)로 처리합니다. 스케일링 공식은 이 원시 디지털 값을 실제 물리 단위(℃, kPa, m³/h 등)로 변환하는 수식입니다.

실제값 = (원시값 − Raw_min) × (Eng_max − Eng_min) ÷ (Raw_max − Raw_min) + Eng_min

Raw_min=0, Raw_max=32767 (16bit) 또는 4095 (12bit) | Eng: Engineering Unit (공학 단위)

실전 예제 — PT100 온도 센서 (0~100℃ / 4-20mA 변환기)

PT100 온도 센서를 4-20mA 신호 변환기(트랜스미터)를 통해 PLC에 연결하는 예제입니다. 트랜스미터는 0℃에서 4mA, 100℃에서 20mA를 출력하도록 설정됩니다. PLC 모듈(16비트)에서는 4mA=0, 20mA=32767에 해당합니다.

온도(℃) = (원시값 − 0) × (100 − 0) ÷ (32767 − 0) + 0
온도(℃) = 원시값 × 100 ÷ 32767

예) 원시값이 16383이면 → 16383 × 100 ÷ 32767 ≈ 49.99℃ (약 50℃)

② 스케일링 변환 개념도 — 원시값 ↔ 물리값 매핑

비트 분해능에 따른 원시값 범위

분해능	원시값 범위	최소 분해능	대표 모듈 예	비고
12비트	0 ~ 4,095	0.024%	미쓰비시 Q64AD	일반 제어 충분
14비트	0 ~ 16,383	0.006%	지멘스 SM 334	고정밀 온도 제어
16비트	0 ~ 32,767	0.003%	미쓰비시 R60AD	계측·정밀 공정
16비트 양극	-32,768 ~ 32,767	0.003%	LS XBF-AD04A	부호 있음, 양방향
24비트	0 ~ 16,777,215	0.0001%	로크웰 1769-IF4	정밀 계측 전용

04 / 프로그래밍

PLC 래더 프로그램 스케일링 — 실전 코드 예제

PLC 제조사마다 전용 스케일링 펑션블록(Function Block)을 제공합니다. 미쓰비시 MELSEC의 SCL(스케일링) 명령어나 지멘스 TIA Portal의 SCALE_X 펑션블록을 사용하면 공식을 직접 작성하지 않아도 됩니다. 하지만 공식의 원리를 알아야 오류 발생 시 빠르게 대처할 수 있습니다.

③ 스케일링 래더 프로그램 — 미쓰비시 GX Works3 예제

구조적 텍스트(ST) 언어 스케일링 예제

(* ======================================================= *) (* PLC 아날로그 스케일링 — IEC 61131-3 ST 언어 예제 *) (* 센서: PT100 온도 0~100℃ / 신호: 4-20mA / 모듈: 16비트 *) (* ======================================================= *) (* 변수 선언 *) VAR AI_Raw : INT; (* 원시 아날로그 값 0~32767 *) Temp_Real : REAL; (* 스케일링 후 실제 온도(℃) *) Eng_Min : REAL := 0.0; (* 물리값 최솟값 *) Eng_Max : REAL := 100.0; (* 물리값 최댓값 *) Raw_Min : REAL := 0.0; (* 원시값 최솟값 *) Raw_Max : REAL := 32767.0; (* 원시값 최댓값 *) END_VAR (* 스케일링 공식 적용 *) Temp_Real := (INT_TO_REAL(AI_Raw) - Raw_Min) * (Eng_Max - Eng_Min) / (Raw_Max - Raw_Min) + Eng_Min; (* 결과: AI_Raw=16383 → Temp_Real≈49.99℃ *)

💡 프로그래밍 팁

정수(INT) 연산만 사용하면 소수점 이하가 손실됩니다. 정밀한 온도 제어가 필요하다면 반드시 실수(REAL/FLOAT) 변환 후 계산하십시오. 미쓰비시는 EMUL/EDIV, 지멘스는 NORM_X/SCALE_X 펑션블록이 내부적으로 REAL 연산을 처리합니다.

05 / 아날로그 출력

역스케일링 — 물리값 → 아날로그 출력 신호

밸브 개도(0~100%)나 인버터 주파수(0~60Hz) 제어처럼 PLC에서 아날로그 출력 모듈을 통해 4-20mA 또는 0-10V를 내보낼 때는 역스케일링을 적용합니다. 목표 물리값을 원시 디지털 값으로 변환한 뒤 D/A 변환기에 전달합니다.

원시출력값 = (목표값 − Eng_min) × (Raw_max − Raw_min) ÷ (Eng_max − Eng_min) + Raw_min

예) 밸브 개도 75%를 4-20mA로 출력: 원시값 = 75 × 32767 ÷ 100 = 24,575

④ 아날로그 출력 모듈 배선도 — 밸브·인버터 제어

출력 형태	Raw 범위	물리 범위	부하 임피던스	응용 예	비고
4-20mA	0 ~ 32,767	0 ~ 100%	최대 500Ω	전동 밸브, 전류 입력 장치	산업 표준
0-20mA	0 ~ 32,767	0 ~ 100%	최대 500Ω	특수 제어기	단선감지 불가
0-10V	0 ~ 32,767	0 ~ 100%	최소 2kΩ	인버터 속도 지령	단거리 전용
±10V	-32,768 ~ 32,767	-100 ~ +100%	최소 2kΩ	서보 드라이브	양방향 제어
1-5V	0 ~ 32,767	0 ~ 100%	최소 1kΩ	DCS 연동	4-20mA 등가

06 / 노이즈 대책

아날로그 신호 노이즈 원인과 현장 대책

아날로그 신호는 디지털 신호보다 노이즈에 훨씬 취약합니다. 인버터·모터·형광등·변압기 근처를 지나는 신호선은 전자기 유도로 인해 오측정이 발생합니다. 노이즈로 인한 값 오차는 제어 불안정, 밸브 헌팅(Hunting), 경보 오동작으로 이어집니다.

🛡️

실드 케이블 사용

실드(차폐) 케이블을 사용하고 PLC 측 단말에서만 접지합니다. 양단 접지 시 접지 루프 형성으로 역효과가 납니다.

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이격 배선

동력선(200V, 400V)과 아날로그 신호선은 최소 30cm 이상 이격합니다. 같은 배선 덕트 사용을 피하고 교차 시 직각으로 합니다.

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페라이트 코어

신호선에 페라이트 코어(Ferrite Core)를 장착하면 고주파 노이즈를 흡수합니다. 인버터 출력선 인접 배선에 특히 효과적입니다.

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필터링 프로그램

PLC 프로그램에서 이동 평균(Moving Average) 또는 저역 통과 필터를 적용합니다. 샘플 수 8~16개 평균이 현장 표준입니다.

⚠ 현장 트러블슈팅 — 값이 불안정할 때 확인 순서

1단계: 실드 접지 확인 (테스터로 SHD → PE 도통 확인) → 2단계: 신호선 배선 경로 확인 (동력선 이격) → 3단계: 모듈 통신 이상 확인 (LED 점검) → 4단계: 프로그램 필터링 추가 → 5단계: 센서/트랜스미터 교체 검토.

07 / KEC 법규 기준

KEC 및 관련 법규 — 아날로그 신호 배선 기준

KEC 212.6

약전류 전선과 강전류 전선의 이격

아날로그 신호선(약전류)과 동력선(강전류)은 동일 덕트 내 배선을 원칙적으로 금지하며, 이격이 불가피할 경우 접지된 금속 격벽을 설치해야 합니다.

KEC 142.4

등전위 본딩 및 접지 시스템

계장 시스템의 실드 접지는 보호 접지(PE)와 연결하되, 단말 접지 원칙을 준수합니다. 접지 저항 10Ω 이하를 권고합니다.

전기설비기술기준 제21조

전기 측정·제어설비 기준

전기 측정 및 제어 설비는 EMC(전자기 호환성) 기준에 적합한 케이블 및 접지 방식을 적용해야 하며, IEC 61000 시리즈를 준용합니다.

IEC 60381-1

아날로그 신호 국제 표준

산업용 아날로그 신호의 표준을 규정합니다. 4-20mA가 1차 표준(전류 신호)이며, 0-10V는 전압 신호 표준으로 병행 사용됩니다.

조항	내용	요구 수준	현장 적용	위반 시 조치
KEC 212.6	약전·강전 이격	분리 또는 금속 격벽	배선 덕트 별도 구성	시정명령
KEC 142.4	접지 저항	10Ω 이하 권고	단독 접지봉 또는 PE 연결	재접지 요구
IEC 61000-4-4	전기 빠른 과도 내성	Level 3 (2kV)	페라이트 코어, 실드	EMC 재시험
IEC 60381-1	전류 신호 표준	4-20mA ±0.1%	정기 영점·스팬 교정	교정 후 재가동
전기기술기준 §21	측정·제어설비	EMC 적합 인증	CE·KC 인증 기기 사용	사용 중지

08 / 안전 수칙

아날로그 모듈 배선 작업 안전 수칙

⛔ 활선 배선 절대 금지

PLC 아날로그 모듈 배선은 반드시 정전 후 잠금장치(LOTO)를 적용하고 작업합니다. 24V DC라도 감전 위험이 있습니다.

⛔ 단락 주의

A/O 출력 단자 단락(Short Circuit) 시 모듈이 소손됩니다. 배선 전 테스터로 단락 여부를 확인합니다.

⚠ 극성 확인 필수

4-20mA 신호선의 + / - 극성을 반드시 확인합니다. 역접속 시 모듈 내부 보호 회로가 동작하며 신호가 나오지 않습니다.

⚠ 임피던스 초과 금지

4-20mA 출력 루프에 500Ω을 초과하는 저항을 연결하면 신호가 포화됩니다. 수신기 임피던스를 사전에 확인하십시오.

✅ 정기 교정 실시

아날로그 모듈과 센서는 6~12개월 주기로 영점(Zero)·스팬(Span) 교정을 실시합니다. 교정 기록은 설비 이력카드에 기재합니다.

✅ 배선 번호 태그 부착

모든 아날로그 신호선에 케이블 번호 태그를 부착합니다. 향후 트러블슈팅과 유지보수 시간을 크게 단축합니다.

FAQ

자주 묻는 질문

4-20mA 신호는 어떻게 배선하나요?

센서(트랜스미터)의 + 단자를 PLC 아날로그 입력 모듈의 AI+ 단자에, - 단자를 AI- 단자에 연결합니다. 2선식 센서는 PLC 모듈의 24V 전원을 그대로 사용하며, 실드 케이블을 사용해 PLC 측에서만 단말 접지를 합니다. 4선식 센서는 별도 24V 전원을 공급하고 신호선만 모듈에 연결합니다.

스케일링 공식에서 32767은 무엇인가요?

32767은 16비트 부호 없는 정수(0~32767)의 최댓값으로, PLC A/D 변환기가 20mA(또는 10V 최대 신호)를 이 숫자로 표현하기 때문입니다. 12비트 모듈의 경우 최댓값이 4095이며, 제조사와 모듈 사양에 따라 다를 수 있으므로 반드시 해당 모듈의 매뉴얼을 확인해야 합니다.

KEC 아날로그 배선 기준은 무엇인가요?

KEC 212.6에서 약전류(아날로그 신호선)와 강전류(동력선)의 이격 또는 금속 격벽 설치를 규정합니다. 또한 KEC 142.4에서 계장 접지 저항 10Ω 이하 및 단말 접지 원칙을 요구합니다. 국제 표준인 IEC 60381-1(아날로그 신호 표준)과 IEC 61000 시리즈(EMC 내성)도 병행 준수해야 합니다.

아날로그 출력 모듈의 역스케일링은 어떻게 계산하나요?

역스케일링 공식은 원시출력값 = (목표물리값 − 최솟값) × 32767 ÷ (최댓값 − 최솟값)입니다. 예를 들어 밸브를 75% 열도록 명령할 때, 원시값 = 75 × 32767 ÷ 100 = 24,575를 아날로그 출력 모듈에 씁니다. 대부분의 PLC 제조사는 SCALE/UNSCALE 전용 펑션블록을 제공하므로 적극 활용하십시오.

전기기술사 시험에 아날로그 스케일링 문제가 출제되나요?

네, 전기기술사 1·2차 시험 모두에서 PLC 아날로그 스케일링 공식 계산, 4-20mA 배선 설계, 노이즈 대책 관련 문제가 출제됩니다. 특히 스케일링 공식 유도와 비트 분해능에 따른 변환 정밀도 계산, KEC 배선 기준 적용이 핵심 출제 포인트입니다.

📝 핵심 요약

4-20mA 아날로그 입력 모듈 배선은 실드 케이블을 사용하고 PLC 측 단말에서만 접지합니다. PLC 스케일링 공식은 선형 1차 함수로, 원시값에서 물리값으로 또는 역방향으로 변환합니다. 16비트 모듈의 최대 원시값은 32767이며, 정밀 계산 시 실수(REAL) 변환 후 연산해야 소수점 손실을 방지할 수 있습니다. 노이즈 대책으로 이격 배선, 페라이트 코어, 평균 필터링을 적용하면 현장 신뢰성이 크게 향상됩니다.