1. Control Basis의 정의

Control Basis는 범용기계의 제어시스템을 설계하기 전에 반드시 정의해야 하는 기본 원칙, 설계 범위, 판단 기준 및 구현 구조를 의미한다.

제어는 모터, 실린더, 센서, PLC와 같은 장치를 단순히 연결하는 작업이 아니다. 기계가 수행해야 할 기능을 실행 가능한 명령으로 변환하고, 실제 상태를 확인하며, 정상조건에서 벗어난 경우 적절히 조정·정지·복구하도록 만드는 전체적인 시스템 설계이다.

Control Basis는 다음 질문에 답해야 한다.

• 무엇을 제어해야 하는가

• 제어의 목적은 무엇인가

• 기계의 상태를 어떻게 정의할 것인가

• 어떤 조건에서 동작을 허용하거나 금지할 것인가

• 목표 상태와 실제 상태의 차이를 어떻게 처리할 것인가

• 이상 발생 시 기계는 어떤 상태로 이동해야 하는가

• 제어기능을 어떤 하드웨어와 소프트웨어 구조로 구현할 것인가

• 조립·제조·시험 단계에서 어떻게 동일한 제어성능을 재현할 것인가

따라서 Control Basis는 개별 제어기능의 설명이 아니라, 모든 제어설계가 따르는 공통 기반이다.

2. 기계설계에서 Control의 위치

범용기계의 설계는 일반적으로 다음과 같은 흐름으로 진행된다.

요구사항 → 기능 → 구조 → 메커니즘과 운동 → Control → Assembly → Manufacturing → Validation

각 영역은 다음과 같은 역할을 갖는다.

Control은 Mechanism & Motion에서 결정된 운동을 실제 운전으로 전환하는 단계이다.

메커니즘이 “어떻게 움직이는가”를 정의한다면, Control은 다음을 정의한다.

• 언제 움직일 것인가

• 어떤 조건에서 움직일 것인가

• 어느 위치와 속도로 움직일 것인가

• 움직임이 완료되었음을 어떻게 확인할 것인가

• 명령과 실제 결과가 다를 때 어떻게 반응할 것인가

• 위험하거나 불확실한 상태에서 어떻게 정지할 것인가

Control은 기계구조를 실제 운전 가능한 시스템으로 완성하는 연결 영역이다.

3. Control의 기본 목적

범용기계의 Control은 다음 다섯 가지 목적을 가진다.

3.1 기능 실행

기계가 요구된 공정과 작업을 정해진 순서로 수행하도록 한다.

예:

• 제품 공급

• 위치 결정

• 클램핑

• 절단

• 성형

• 검사

• 배출

3.2 상태 확인

명령된 동작이 실제로 이루어졌는지 확인한다.

예:

• 제품이 도착했는가

• 실린더가 전진 완료 위치에 도달했는가

• 회전체가 정지했는가

• 설정온도에 도달했는가

• 클램핑력이 확보되었는가

3.3 동작 조정

목표값과 실제값의 차이를 줄이도록 출력을 조정한다.

예:

• 위치 보정

• 속도 조절

• 가압력 유지

• 온도 조절

• 압력 조절

3.4 동작 제한

필수조건이 충족되지 않은 경우 동작을 허용하지 않는다.

예:

• 클램프 완료 전 가공 금지

• 원점복귀 전 자동운전 금지

• 윤활압력 부족 시 주축운전 금지

• 안전도어 개방 시 위험동작 금지

3.5 이상 대응과 복구

정상조건을 벗어난 경우 이상을 검출하고, 기계를 안전하고 확인 가능한 상태로 복귀시킨다.

예:

• 타임아웃

• 위치 불일치

• 제품 걸림

• 과부하

• 센서 불일치

• 전원 또는 공압 상실

4. Control의 기본 구성요소

Control은 장치 목록이 아니라 다음 요소 사이의 관계로 구성된다.

4.1 Command — 명령

기계에 수행하도록 지시하는 내용이다.

• 이동

• 회전

• 정지

• 가압

• 클램핑

• 가열

• 냉각

• 공급

• 배출

• 복귀

명령은 단순한 출력 ON/OFF가 아니라 목표 상태를 포함해야 한다.

예:

• “서보 ON”이 아니라 “작업축을 250 mm 위치로 이동”

• “실린더 전진”이 아니라 “제품을 작업 위치에 고정”

• “히터 ON”이 아니라 “챔버 온도를 80°C로 유지”

4.2 State — 상태

기계가 현재 어떤 조건에 있는지를 나타낸다.

• 전원 상태

• 운전 모드

• 축 위치

• 장치 동작 상태

• 제품 위치

• 공정 진행 상태

• 이상 상태

• 안전 상태

상태는 제어 판단의 기준이 된다.

4.3 Condition — 조건

특정 동작의 시작·지속·완료·중단을 판단하는 기준이다.

• 시작 조건

• 허용 조건

• 완료 조건

• 전환 조건

• 정지 조건

• 재시도 조건

• 복구 조건

• 재기동 조건

4.4 Signal — 신호

기계의 실제 상태를 제어시스템에 전달하는 정보이다.

• 디지털 입력

• 아날로그 입력

• 엔코더 신호

• 통신 데이터

• 진단 정보

• 안전 신호

4.5 Response — 반응

기계가 특정 상태와 조건에 대해 수행하는 대응이다.

• 출력 조정

• 속도 제한

• 동작 대기

• 재시도

• 알람 발생

• 정상정지

• 고장정지

• 안전정지

• 비상정지

• 작업자 개입 요청

Control은 이 다섯 요소를 명확하게 연결해야 한다.

Command → State → Condition → Signal → Response

5. 제어대상의 정의

Control 설계의 첫 단계는 무엇을 제어할 것인지 명확히 정의하는 것이다.

5.1 운동 관련 제어대상

• 위치

• 이동거리

• 회전각

• 속도

• 가속도

• 감속도

• 회전수

• 동기화

• 위상

• 정지 위치

5.2 힘과 에너지 관련 제어대상

• 힘

• 토크

• 압력

• 장력

• 유량

• 진공

• 전류

• 출력

• 에너지 공급 상태

5.3 열 및 공정 관련 제어대상

• 온도

• 가열시간

• 냉각시간

• 유지시간

• 제품 중량

• 공급량

• 레벨

• 점도

• 공정시간

5.4 상태 관련 제어대상

• 제품 유무

• 공구 상태

• 도어 상태

• 클램프 상태

• 윤활 상태

• 공급 상태

• 통신 상태

• 고장 상태

제어대상은 단순히 측정 가능한 항목이 아니라, 기계의 기능·품질·안전에 실질적으로 영향을 주는 항목이어야 한다.

6. 제어변수와 상태변수

Control Basis에서는 제어변수와 상태변수를 구분해야 한다.

6.1 제어변수

Control Variable

제어변수는 목표값이 존재하며, 실제값이 목표값을 따르도록 직접 조정하는 변수이다.

예:

• 목표 위치

• 목표 속도

• 목표 토크

• 목표 온도

• 목표 압력

• 목표 장력

제어변수에는 일반적으로 다음이 필요하다.

• 목표값

• 허용편차

• 측정방법

• 조정수단

• 제어주기

• 이상범위

6.2 상태변수

State Variable

상태변수는 기계가 현재 정상적으로 작동하고 있는지를 판단하기 위해 관찰하는 변수이다.

예:

• 제품 도착

• 실린더 전진 완료

• 도어 닫힘

• 공압 정상

• 윤활 정상

• 통신 정상

• 모터 과부하

상태변수는 반드시 연속적으로 조정되는 것은 아니지만, 동작 허용과 상태 전환을 결정하는 중요한 기준이 된다.

7. 제어범위와 시스템 경계

Control 설계에서는 제어가 담당하는 범위를 명확히 정의해야 한다.

7.1 기계 내부 경계

• 센서

• 액추에이터

• 구동기

• 밸브

• 모터

• 히터

• 브레이크

• 로컬 I/O

• PLC

• HMI

7.2 외부 시스템 경계

• 상류 및 하류 장비

• 로봇

• 컨베이어

• 품질검사 장비

• 생산관리시스템

• MES

• SCADA

• 원격 서비스 시스템

• 사용자 설비

7.3 경계에서 정의해야 할 사항

• 신호의 송신자와 수신자

• 신호 의미

• 정상 상태

• 비정상 상태

• 응답시간

• 통신 장애 시 기본동작

• 재연결 조건

• 책임 범위

• 인터페이스 시험방법

제어경계가 불명확하면 장비 간 이상 발생 시 원인과 책임을 판단하기 어렵다.

8. 제어 아키텍처

제어 아키텍처는 기능을 어떤 계층과 장치에 배치할 것인지 정의한다.

8.1 기본 계층

Field Level

실제 상태를 검출하고 물리적 동작을 수행하는 계층이다.

• 센서

• 스위치

• 엔코더

• 모터

• 실린더

• 밸브

• 히터

• 브레이크

Device Control Level

개별 장치를 제어하는 계층이다.

• 서보 드라이브

• 인버터

• 스테핑 드라이버

• 온도조절기

• 밸브 매니폴드

• 로컬 컨트롤러

Machine Control Level

기계 전체의 기능과 시퀀스를 제어한다.

• PLC

• 모션 컨트롤러

• 산업용 PC

Safety Control Level

안전 관련 입력을 처리하고 위험출력을 제한한다.

• 안전 릴레이

• 안전 PLC

• 안전 드라이브 기능

Operator Level

작업자와 기계 사이의 인터페이스를 제공한다.

• HMI

• 조작반

• 버튼

• 표시등

• 경고장치

Supervisory Level

생산·품질·이력·유지보수 정보를 관리한다.

• SCADA

• MES

• 데이터 로깅

• 원격 모니터링

8.2 중앙집중형과 분산형 제어

중앙집중형 제어

하나의 주 제어기가 대부분의 기능을 처리한다.

장점:

• 구조가 단순하다

• 프로그램 관리가 쉽다

• 전체 시퀀스 파악이 용이하다

한계:

• 배선이 길어질 수 있다

• 제어기 고장의 영향이 크다

• 대형 시스템에서 확장성이 떨어질 수 있다

분산형 제어

여러 로컬 제어기가 기능을 분담한다.

장점:

• 모듈화가 쉽다

• 배선을 줄일 수 있다

• 확장성과 유지보수성이 높다

한계:

• 통신 의존성이 높다

• 상태 동기화가 필요하다

• 시스템 통합이 복잡해질 수 있다

아키텍처는 장비의 규모, 모듈성, 응답속도, 배선거리, 유지보수 방식에 따라 결정해야 한다.

9. 기능 단위와 제어 단위

기계의 기능을 제어 가능한 단위로 분해해야 한다.

예:

• 공급 모듈

• 정렬 모듈

• 클램프 모듈

• 가공 모듈

• 검사 모듈

• 배출 모듈

각 제어 단위에는 다음 항목을 정의한다.

기능 단위를 명확하게 정의하면 제어 프로그램, 조립검사, 시운전 및 유지보수가 동일한 기준을 공유할 수 있다.

10. 운전 상태와 상태 전이

기계는 단순히 ON과 OFF로만 구분되지 않는다.

10.1 대표적인 운전 상태

• Power Off

• Initialization

• Ready

• Automatic

• Manual

• Setup

• Homing

• Paused

• Normal Stop

• Fault Stop

• Emergency Stop

• Recovery

• Maintenance

10.2 상태 전이 정의

각 상태 사이의 전환에는 명확한 조건이 필요하다.

예:

• Initialization → Ready
  원점복귀와 기본 진단이 완료된 경우

• Ready → Automatic
  자동운전 조건과 안전조건이 충족된 경우

• Automatic → Fault Stop
  동작 타임아웃 또는 장치 이상이 발생한 경우

• Fault Stop → Recovery
  작업자가 이상을 확인하고 리셋한 경우

• Recovery → Ready
  위치와 장치 상태가 확인된 경우

상태 전이는 제어 프로그램의 핵심 구조이며, 운전 모드·이상 처리·안전 로직과 연결되어야 한다.

11. 운전 모드의 기본 원칙

11.1 자동운전

정해진 공정과 시퀀스를 반복적으로 실행한다.

필요 조건:

• 원점 확인

• 안전조건 충족

• 제품과 공구 상태 확인

• 상·하류 장비 준비

• 주요 알람 해제

11.2 수동운전

작업자가 개별 기능 또는 축을 직접 조작한다.

검토사항:

• 자동 인터록을 어느 범위까지 유지할 것인가

• 제한속도를 적용할 것인가

• 버튼을 누르는 동안만 동작하도록 할 것인가

• 위험한 위치에서 동작을 금지할 것인가

11.3 조정운전

센서 위치, 속도, 행정, 타이밍 및 공정조건을 조정한다.

조정값은 권한과 범위를 제한해야 한다.

11.4 원점복귀

제어상의 위치와 실제 기계위치를 일치시킨다.

원점복귀 중에는 이동방향, 속도, 센서 오작동, 충돌 가능성을 검토해야 한다.

11.5 정비 및 청소 모드

가드 개방 또는 일부 부품 분리 상태에서 제한된 동작이 필요할 수 있다.

이 경우 다음을 정의해야 한다.

• 허용 동작

• 제한속도

• 유지조작

• 우회 가능한 인터록

• 유지해야 하는 안전기능

12. 개방루프와 폐루프

12.1 개방루프 제어

명령을 실행하지만 실제 결과를 지속적으로 비교·보정하지 않는다.

적용 예:

• 단순 공압 실린더

• 정해진 시간 동안의 모터 운전

• 펄스 기반 스테핑모터 제어

• 고정출력 히터

적용 조건:

• 하중 변화가 작다

• 정밀도가 높지 않다

• 기계적 스토퍼로 결과가 결정된다

• 별도 완료검출이 존재한다

12.2 폐루프 제어

목표값과 실제값을 비교하고 오차를 줄이도록 출력을 조정한다.

적용 예:

• 서보 위치제어

• 모터 속도제어

• 온도제어

• 압력제어

• 가압력 제어

• 장력제어

폐루프 제어의 적용 여부는 정밀도뿐 아니라 외란, 하중 변화, 마찰 변화, 공정 품질을 고려하여 결정해야 한다.

13. 인터록의 기본 원칙

인터록은 특정 조건이 충족되지 않을 때 동작을 허용하지 않는 제어구조이다.

13.1 인터록의 종류

기능 인터록

기능 간 잘못된 순서를 방지한다.

예:

• 클램프 완료 전 가공 금지

공정 인터록

제품과 공정조건이 충족되지 않은 경우 동작을 차단한다.

예:

• 제품 미검출 시 가압 금지

장치 보호 인터록

장치 손상을 방지한다.

예:

• 윤활압력 부족 시 주축 정지

안전 인터록

작업자의 위험을 방지한다.

예:

• 안전도어 개방 시 위험축 정지

13.2 인터록 정의 항목

• 보호 대상

• 입력 조건

• 허용 동작

• 금지 동작

• 해제 조건

• 바이패스 가능 여부

• 바이패스 권한

• 바이패스 중 제한사항

인터록은 많을수록 좋은 것이 아니다. 복구 가능성과 작업성을 고려하여 필요한 조건만 명확하게 구성해야 한다.

14. 이상과 대응수준

모든 이상에 동일한 정지를 적용해서는 안 된다.

14.1 정상

설정범위 내에서 정상 운전한다.

14.2 자동 보정

작은 편차를 자동으로 보정한다.

14.3 주의

운전은 가능하지만 점검이 필요한 상태이다.

14.4 제한 운전

속도·출력·기능을 제한한 상태로 운전한다.

14.5 자동 재시도

안전한 조건에서 제한 횟수만큼 동작을 재시도한다.

14.6 정상정지

현재 사이클 또는 공정을 안전하게 종료한 후 정지한다.

14.7 고장정지

동작을 중단하고 작업자의 조치를 요구한다.

14.8 안전정지

위험원과 위험에너지를 제한하기 위해 정해진 안전절차로 정지한다.

14.9 비상정지

즉각적인 위험을 줄이기 위해 위험동작을 가능한 빠르게 중단한다.

15. 복구와 재기동의 기본 원칙

알람이 해제되었다고 해서 즉시 자동운전을 재개해서는 안 된다.

복구 전 다음을 확인해야 한다.

• 이상 원인이 실제로 제거되었는가

• 제품 위치를 확인할 수 있는가

• 공구 위치를 확인할 수 있는가

• 축 위치를 신뢰할 수 있는가

• 원점복귀가 필요한가

• 잔류 제품을 제거해야 하는가

• 안전장치가 정상상태인가

• 작업자의 의도적인 리셋이 있었는가

• 상·하류 장비가 준비되어 있는가

재기동은 이전 명령을 단순히 반복하는 것이 아니라, 기계가 다시 알려진 상태에 있다는 확인 후 이루어져야 한다.

16. 기계설계와 제어설계의 경계

기계설계와 제어설계의 역할을 명확하게 구분해야 한다.

기계적으로 해결해야 하는 항목

• 구조 강성

• 하중 지지

• 기본 위치정밀도

• 가이드 정렬

• 백래시 최소화

• 기계식 스토퍼

• 낙하 방지구조

• 과부하 보호기구

제어로 해결해야 하는 항목

• 위치 명령

• 속도 명령

• 상태 확인

• 순서 제어

• 목표값 보정

• 인터록

• 이상 검출

• 정지와 복구

공동으로 검토해야 하는 항목

• 반복정밀도

• 위치결정

• 진동

• 충돌방지

• 과부하

• 브레이크

• 원점과 한계

• 안전정지

Control은 잘못된 기계구조를 보상하는 수단이 아니다. 기계적 기본성능과 제어성능의 역할을 구분해야 한다.

17. Assembly와의 연계 기준

Control 설계 결과는 조립단계에서 정확하게 구현할 수 있어야 한다.

17.1 센서 설치정보

• 설치 기준면

• 설치 위치

• 감지거리

• 감지 방향

• 조정범위

• 반복정밀도

• 케이블 방향

• 오염 보호

• 교체 접근성

17.2 액추에이터 설치정보

• 정렬 기준

• 커플링 편심

• 모터 장착 강성

• 실린더 측하중

• 브레이크 방향

• 원점 위치

• 기계적 한계

• 케이블 굽힘반경

17.3 조정정보

• 센서 위치

• 스토퍼 위치

• 벨트 장력

• 실린더 속도

• 압력 설정

• 서보 원점

• 토크 제한

• 브레이크 간극

Control Basis는 제어요소가 작업자의 경험에 따라 임의로 설치되지 않도록 기준을 제공해야 한다.

18. Manufacturing과의 연계 기준

제어시스템은 제작되는 모든 기계에서 동일하게 재현되어야 한다.

18.1 제조공차와 제어성능

다음을 구분해야 한다.

• 기계가공으로 보장할 정밀도

• 조립조정으로 보정할 범위

• 제어 파라미터로 보정할 범위

• 피드백으로 지속 보정할 범위

18.2 파라미터 표준화

• 속도

• 가속도

• 감속도

• 토크 제한

• 온도

• 압력

• 타임아웃

• 재시도 횟수

• 알람 기준

• 센서 지연시간

파라미터는 프로그램 내부값이 아니라 제조·품질·서비스에서 추적 가능한 관리항목이어야 한다.

18.3 제조검사

• I/O 검사

• 배선 검사

• 회전방향 검사

• 개별동작 검사

• 원점 검사

• 인터록 검사

• 자동운전 검사

• 알람 검사

• 복구 검사

• 안전기능 검사

19. Control Basis의 주요 산출물

20. Control Basis 검토 질문

목적과 범위

• 제어의 목적이 명확한가

• 제어대상과 시스템 경계가 정의되어 있는가

• 기능을 제어 가능한 단위로 나누었는가

상태와 변수

• 제어변수와 상태변수를 구분했는가

• 실제 결과를 확인할 수 있는가

• 센서 위치가 최종 상태를 대표하는가

아키텍처

• 기능을 적절한 제어계층에 배치했는가

• 일반제어와 안전제어의 경계가 명확한가

• 통신 장애 시 기본동작이 정의되어 있는가

운전

• 자동·수동·조정·복구 모드가 정의되어 있는가

• 상태 전환조건이 명확한가

• 원점복귀와 재기동 조건이 정의되어 있는가

이상과 복구

• 타임아웃이 정의되어 있는가

• 자동 재시도의 범위가 적절한가

• 작업자 개입이 필요한 조건이 명확한가

• 복구 후 기계상태를 신뢰할 수 있는가

조립과 제조

• 센서와 액추에이터 설치기준이 있는가

• 조립 후 모든 제어기능을 검사할 수 있는가

• 파라미터를 반복적으로 재현할 수 있는가

• 최종 시험과 합격기준이 정의되어 있는가

21. 결론

Control Basis는 범용기계의 제어를 구현하기 위한 공통 설계기준이다.

그 목적은 제어장치를 선정하거나 프로그램을 작성하는 데 있지 않다. 기계가 무엇을 실행하고, 어떤 상태를 확인하며, 어떤 조건에서 동작을 허용하고, 이상 발생 시 어떻게 정지·복구할 것인지를 체계적으로 정의하는 데 있다.

Control Basis가 명확해야 다음 단계의 문서를 일관되게 구성할 수 있다.

• Function and State Control

• Motion and Process Control

• Sensing and State Detection

• Feedback and Regulation Control

• Interlock and Permissive Control

• Fault, Alarm, Diagnostics, and Recovery

• Safety-Related Control

• Control Hardware and System Implementation

• Manufacturing, Commissioning, and Validation

좋은 Control Basis는 기계의 기능·구조·운동을 실제 운전 가능한 체계로 연결하고, Assembly와 Manufacturing 단계에서 동일한 성능을 반복적으로 구현하고 검증할 수 있도록 한다.