PLC Analog Input에서 4-20mA Scaling 계산하는 방법

PLC 아날로그 신호 처리의 기초, 4-20mA 신호 이해하기

산업 자동화 현장에서 가장 흔하게 사용하는 아날로그 신호 방식 중 하나가 4-20mA 전류 루프입니다.

압력 트랜스미터, 온도 트랜스미터, 레벨 센서, 유량계 등 다양한 계측기가 측정한 공정값을 PLC나 DCS로 전달할 때 4-20mA 신호가 널리 사용됩니다.

일반적으로 4mA는 설정된 측정범위의 0%, 20mA는 100%에 해당합니다.

예를 들어 압력 트랜스미터의 측정범위가 0~10bar라면 다음과 같이 대응됩니다.

출력 전류	측정 비율	압력
4mA	0%	0bar
8mA	25%	2.5bar
12mA	50%	5bar
16mA	75%	7.5bar
20mA	100%	10bar

4mA부터 시작하는 방식을 Live Zero라고 합니다.

정상적인 최소 측정값에서도 4mA의 전류가 흐르기 때문에 전원이 끊기거나 배선에 이상이 생겨 전류가 크게 떨어지는 상황과 정상적인 0% 측정값을 구분하기 유리합니다.

다만 0mA 또는 4mA 미만의 신호가 발생했다고 해서 무조건 전선 단선이라고 판단해서는 안 됩니다. 정확한 고장 판단 기준은 트랜스미터와 PLC Analog Input 모듈의 진단 기능 및 설정값을 함께 확인해야 합니다.

왜 PLC에서 Scaling이 필요한가

PLC의 Analog Input 모듈은 4-20mA 전류를 받아 내부의 A/D 변환 과정을 통해 디지털 값으로 변환합니다.

문제는 PLC가 처음부터 이 값을 bar, ℃, %, m³/h와 같은 실제 공정 단위로 이해하는 것은 아니라는 점입니다.

예를 들어 어떤 Analog Input 모듈에서 12mA 입력이 특정 Raw Value로 변환됐다면 PLC 프로그램에서는 그 숫자를 다시 실제 압력이나 온도로 환산해야 합니다.

이 과정을 Scaling이라고 합니다.

신호의 흐름을 간단하게 나타내면 다음과 같습니다.

센서 측정값
→ 4-20mA 전류 신호
→ PLC Analog Input
→ Raw Value
→ Scaling 계산
→ 압력·온도·유량 등의 Engineering Value

여기서 중요한 점은 Analog Input의 Raw Value 범위가 모든 PLC에서 동일하지 않다는 것입니다.

ADC가 12bit라면 이론적으로 4096개의 양자화 단계를 갖지만, 실제 PLC 프로그램에서 표시되는 Raw Value가 반드시 0~4095라는 뜻은 아닙니다.

제조사, Analog Input 모듈, 입력 범위, 데이터 표현 방식에 따라 Raw Value가 서로 다르게 정의될 수 있습니다.

따라서 PLC 프로그램을 작성하기 전에 반드시 사용하는 Analog Input 모듈의 매뉴얼을 확인해야 합니다.

4-20mA를 직접 공정값으로 계산하는 공식

현재 전류값을 알고 있다면 가장 기본적인 Scaling 공식은 다음과 같습니다.

공정값 = LRV + ((입력전류 – 4) ÷ 16) × (URV – LRV)

여기서 각 항목의 의미는 다음과 같습니다.

• LRV: 측정범위의 최소값
• URV: 측정범위의 최대값
• 입력전류: 현재 측정된 4-20mA 신호

예를 들어 0~10bar 압력 트랜스미터에서 현재 입력전류가 12mA라고 가정하겠습니다.

공정값 = 0 + ((12 – 4) ÷ 16) × (10 – 0)

= 8 ÷ 16 × 10

= 5bar

따라서 12mA는 5bar에 해당합니다.

최소값이 0이 아닌 경우의 Scaling

현장에서 자주 하는 실수 중 하나는 4mA가 항상 물리량 0을 의미한다고 생각하는 것입니다.

4mA는 숫자 0을 의미하는 것이 아니라 설정된 측정범위의 0%를 의미합니다.

예를 들어 온도 트랜스미터의 측정범위가 -50~150℃라고 가정해 보겠습니다.

이 경우

• 4mA = -50℃
• 20mA = 150℃

입니다.

12mA는 전체 전류 범위의 정확히 50%이므로 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

공정값 = -50 + ((12 – 4) ÷ 16) × (150 – (-50))

= -50 + 0.5 × 200

= 50℃

따라서 이 트랜스미터에서 12mA는 50℃입니다.

4mA를 무조건 0℃로 설정하면 50℃가 아닌 100℃로 잘못 계산하는 심각한 Scaling 오류가 발생할 수 있습니다.

PLC Raw Value를 이용한 Scaling 공식

PLC에서 실제로는 전류값보다 Analog Input 모듈이 변환한 Raw Value를 이용해 Scaling하는 경우가 많습니다.

가장 일반적인 선형 Scaling 공식은 다음과 같습니다.

Engineering Value = Eng Min + ((Input Raw – Raw Min) ÷ (Raw Max – Raw Min)) × (Eng Max – Eng Min)

각 항목은 다음과 같습니다.

• Input Raw: 현재 PLC가 읽은 Raw Value
• Raw Min: 4mA 입력 시 Raw Value
• Raw Max: 20mA 입력 시 Raw Value
• Eng Min: 실제 측정범위 최소값
• Eng Max: 실제 측정범위 최대값

예를 들어 어떤 Analog Input 모듈을 4-20mA로 설정했을 때 다음과 같이 동작한다고 가정하겠습니다.

• 4mA = Raw 0
• 20mA = Raw 27648
• 압력 측정범위 = 0~10bar

현재 Raw Value가 13824라면 다음과 같이 계산합니다.

공정값 = 0 + ((13824 – 0) ÷ (27648 – 0)) × 10

= 0.5 × 10

= 5bar

따라서 Raw Value 13824는 5bar입니다.

Raw Value는 PLC마다 다르다

앞의 0~27648 값은 특정 PLC와 Analog Input 모듈에서 사용할 수 있는 예시일 뿐 모든 PLC에 적용되는 공통 규격은 아닙니다.

제조사나 모듈에 따라 다음처럼 다른 데이터 표현 방식을 사용할 수 있습니다.

예시 데이터 방식	특징
0~4095	12bit 범위를 직접 활용하는 형태에서 볼 수 있음
0~27648	Siemens 계열 일부 모듈에서 사용하는 형태
Engineering Units	전류값 또는 공학단위와 연계해 표현
Raw/Proportional	모듈의 내부 Raw Count를 사용
Percent Range	측정범위를 백분율 형태로 표현

따라서 인터넷에서 본 Raw Min과 Raw Max를 그대로 PLC 프로그램에 입력하면 안 됩니다.

반드시 사용 중인 Analog Input 모듈의 데이터시트 또는 매뉴얼에서 다음 항목을 확인해야 합니다.

1. 입력 모드가 4-20mA인지
2. 4mA에서의 Digital Value
3. 20mA에서의 Digital Value
4. Overrange와 Underrange 범위
5. Wire Break 진단 기능
6. 데이터 형식이 Raw인지 Engineering Unit인지

Siemens 모듈 예제로 이해하기

Siemens의 일부 Analog Input 모듈에서는 4-20mA 입력 범위를 다음과 같이 표현합니다.

• 4mA = 0
• 20mA = 27648

이 경우 12mA는 측정범위의 50%이므로 Raw Value 역시 약 13824에 해당합니다.

하지만 Siemens 제품이라고 해서 모든 Analog Input 모듈이 반드시 같은 방식으로 처리한다고 단정해서는 안 됩니다.

CPU와 I/O 모듈 종류, 설정된 Measuring Range 및 데이터 표현 방식에 따라 차이가 있을 수 있으므로 실제 프로젝트에서는 해당 모듈 매뉴얼을 기준으로 사용해야 합니다.

Scaling과 고장 진단을 분리해야 하는 이유

PLC 프로그램을 구성할 때 중요한 실무 원칙 중 하나는 Scaling과 신호 진단을 가능하면 분리하는 것입니다.

예를 들어 0~10bar 트랜스미터의 입력이 3.5mA까지 떨어졌다고 가정하겠습니다.

이를 아무런 진단 없이 Scaling 공식에 넣으면 다음과 같이 계산됩니다.

(3.5 – 4) ÷ 16 × 10

= 약 -0.31bar

PLC 화면에는 -0.31bar라는 값이 표시될 수 있습니다.

하지만 실제 상황은 음압이 아니라 트랜스미터의 고장 출력 또는 루프 이상일 수도 있습니다.

따라서 먼저 신호가 정상적인 측정 영역에 있는지 판단하고 그 이후에 Scaling을 수행하는 것이 좋습니다.

NAMUR NE43 방식의 고장 진단을 사용하는 시스템이라면 예를 들어 다음과 같은 영역을 참고할 수 있습니다.

• 3.6mA 이하: Low Failure 영역
• 3.8~4.0mA: Underrange 확인
• 4.0~20.0mA: 정상 측정범위
• 20.0~20.5mA: Overrange 확인
• 21.0mA 이상: High Failure 영역

다만 실제 Alarm Threshold와 고장 출력값은 트랜스미터 제조사 및 PLC/DCS 설정에 따라 다를 수 있으므로 해당 장비 매뉴얼을 우선해야 합니다.

PLC 프로그램에서 실수 연산이 중요한 이유

Scaling 공식을 PLC에서 직접 구현할 때는 데이터 형식에도 주의해야 합니다.

예를 들어 다음과 같은 계산이 있다고 가정하겠습니다.

13824 ÷ 27648

수학적으로 결과는 0.5입니다.

하지만 PLC에서 두 변수를 Integer 형태로 처리하고 정수 나눗셈을 수행하면 사용 언어와 명령어에 따라 소수 부분이 손실될 수 있습니다.

그 결과 Scaling 값이 예상과 다르게 계산될 수 있습니다.

따라서 정밀한 Analog Scaling에서는 REAL 또는 FLOAT 형태로 변환한 뒤 연산하는 것이 일반적으로 안전합니다.

PLC 기종에 따라 데이터 형식과 형 변환 방법이 다르므로 사용하는 프로그래밍 환경의 연산 규칙을 확인해야 합니다.

실제 현장 적용 사례

예를 들어 탱크 수위를 측정하는 레벨 트랜스미터의 측정범위가 0~5m라고 가정하겠습니다.

• 4mA = 0m
• 8mA = 1.25m
• 12mA = 2.5m
• 16mA = 3.75m
• 20mA = 5m

PLC에서 Scaling된 수위값을 이용하면 다음과 같은 자동제어가 가능합니다.

• 수위 0.5m 이하: Low Level Alarm
• 수위 1m 이하: 급수펌프 가동
• 수위 4.5m 이상: 급수펌프 정지
• 수위 4.8m 이상: High Level Alarm

이처럼 Scaling은 단순히 숫자를 보기 좋게 변환하는 기능이 아니라 실제 자동제어 로직의 기준이 됩니다.

Scaling 값이 틀리면 알람이나 펌프 동작 시점 역시 잘못될 수 있기 때문에 시운전 단계에서 반드시 실제 입력값과 표시값을 비교해야 합니다.

필터를 적용할 때 주의할 점

현장의 Analog Signal은 펌프, 인버터, 모터, 배선 환경 등에 의해 순간적으로 흔들릴 수 있습니다.

PLC 프로그램에서 Moving Average Filter나 Low-pass Filter 등을 적용하면 표시값을 안정화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

하지만 필터를 강하게 적용하면 실제 공정 변화에 대한 응답 속도가 느려지는 문제가 생길 수 있습니다.

예를 들어 급격한 압력 상승을 즉시 감지해야 하는 보호 로직에서 지나치게 긴 이동평균 필터를 사용하면 중요한 변화가 늦게 감지될 수 있습니다.

따라서 필터는 단순히 값이 흔들린다는 이유로 적용하기보다 다음 사항을 먼저 확인하는 것이 좋습니다.

• 센서 자체의 이상 여부
• 배선과 단자 접촉 상태
• 접지와 차폐 상태
• 전원 품질
• 주변 인버터 및 전력 케이블의 영향
• Analog Input 모듈 자체 필터 설정

소프트웨어 필터는 원인을 해결한 후 필요한 수준에서 사용하는 것이 좋습니다.

4-20mA 배선과 노이즈

4-20mA 방식은 일반적으로 전압 신호보다 장거리 전송과 전압강하의 영향에 유리합니다.

그러나 노이즈의 영향을 완전히 받지 않는 것은 아닙니다.

대형 모터, VFD, 전력 케이블 등이 가까이 있는 환경에서는 적절한 케이블 배치와 차폐, 접지 설계가 중요합니다.

실드 케이블의 사용과 접지 방식은 현장의 EMC 조건과 제조사의 설치지침을 기준으로 결정해야 하며 모든 환경에 동일한 접지 방법을 적용해서는 안 됩니다.

Loop Calibrator를 이용한 Scaling 검증

프로그램 작성이 끝났다면 실제 센서만 바라보고 정상 여부를 판단하기보다 Loop Calibrator를 사용해 입력값을 단계별로 시험하는 것이 좋습니다.

0~10bar 압력 Scaling이라면 다음과 같이 시험할 수 있습니다.

시험 전류	기대 표시값
4mA	0bar
8mA	2.5bar
12mA	5bar
16mA	7.5bar
20mA	10bar

4mA와 20mA만 확인하는 것보다 25%, 50%, 75% 중간 지점까지 확인하면 Scaling 공식의 오류를 발견하기 쉽습니다.

필요하다면 Underrange와 Overrange, 고장 Alarm Threshold도 함께 시험합니다.

단, 운전 중인 실제 설비에서 시험 신호를 강제로 입력하면 인터록이나 제어 출력이 동작할 수 있으므로 작업허가, 제어 바이패스 등 해당 현장의 안전절차를 반드시 따라야 합니다.

자주 묻는 질문

4mA 아래로 내려가면 무조건 단선인가요?

아닙니다.

4mA 미만이라고 해서 모든 경우를 단선으로 판단해서는 안 됩니다. 측정범위를 약간 벗어난 Underrange일 수도 있고 트랜스미터의 Low Failure 출력일 수도 있습니다.

정확한 판단 기준은 센서 또는 트랜스미터의 고장 출력 설정과 PLC Analog Input의 진단 사양을 확인해야 합니다.

PLC Analog Input의 Raw 범위는 어떻게 확인하나요?

사용 중인 Analog Input 모듈의 제조사 매뉴얼에서 확인하는 것이 가장 정확합니다.

같은 제조사의 PLC라도 모듈에 따라 Raw Value와 데이터 표현 방식이 다를 수 있습니다.

12bit Analog Input이면 Raw Value가 0~4095인가요?

반드시 그렇지는 않습니다.

12bit ADC는 이론적으로 4096개의 변환 단계를 갖지만 PLC 프로그램에 제공되는 데이터는 내부 Scaling이나 데이터 형식에 의해 다른 범위로 표현될 수 있습니다.

따라서 ADC bit 수만 보고 Raw Min과 Raw Max를 결정하면 안 됩니다.

Scaling 계산에서 REAL을 사용하는 이유는 무엇인가요?

Scaling에는 나눗셈이 포함되기 때문에 소수점 계산이 필요합니다.

Integer 연산만 사용하면 소수 부분이 손실될 수 있으므로 일반적으로 REAL 또는 FLOAT 연산을 사용하는 것이 안전합니다.

4mA와 20mA만 Loop Check하면 충분한가요?

최소값과 최대값만 확인하면 기본 범위는 확인할 수 있지만 Scaling 오류를 보다 정확하게 찾으려면 25%, 50%, 75% 지점도 함께 시험하는 것이 좋습니다.

현장 엔지니어 체크리스트

PLC Analog Input Scaling을 설정하거나 점검할 때는 다음 항목을 확인합니다.

1. 센서 또는 트랜스미터 출력이 4-20mA인지 확인
2. PLC Analog Input 채널이 Current Mode로 설정되어 있는지 확인
3. 트랜스미터의 LRV와 URV 확인
4. 4mA와 20mA에 대응하는 실제 Raw Value 확인
5. PLC 데이터 형식 확인
6. Scaling 계산에서 REAL 또는 FLOAT 연산 여부 확인
7. Underrange와 Overrange 진단 확인
8. Wire Break 및 Sensor Fault 진단 설정 확인
9. Loop Calibrator로 4·8·12·16·20mA 시험
10. HMI 또는 DCS 표시값과 실제 계산값 비교

정리

PLC의 4-20mA Scaling에서 가장 중요한 것은 공식을 외우는 것보다 신호가 변환되는 전체 과정을 이해하는 것입니다.

트랜스미터가 측정한 물리량은 4-20mA 전류로 변환되고, PLC Analog Input 모듈은 이를 디지털 값으로 변환한 뒤 프로그램에서 다시 실제 공정값으로 Scaling합니다.

이때 반드시 기억해야 할 핵심은 세 가지입니다.

첫째, 4mA는 항상 숫자 0을 의미하는 것이 아니라 측정범위의 0%를 의미합니다.

둘째, Analog Input의 Raw Value는 PLC 제조사와 모듈 및 데이터 형식에 따라 다르므로 인터넷에서 본 숫자를 그대로 사용해서는 안 됩니다.

셋째, Scaling과 신호 고장 진단을 분리해야 비정상적인 전류값을 실제 공정값으로 잘못 표시하는 문제를 줄일 수 있습니다.

마지막으로 Loop Calibrator를 이용해 최소값, 중간값, 최대값을 실제로 입력하고 PLC 표시값을 비교하면 Scaling 오류를 효과적으로 확인할 수 있습니다.

참고자료

• Siemens SIMATIC Analog Input Module 기술 매뉴얼
• Rockwell Automation Analog Input Module User Manual
• Rockwell Automation Analog I/O Scaling Documentation
• Schneider Electric Analog Input 및 Scaling 기술문서
• NAMUR Recommendation NE43

함께 보면 좋은 글

• PLC Analog Input의 12bit·16bit Resolution 차이와 측정오차 계산
  PLC 아날로그 입력의 비트 수가 실제 Resolution과 Accuracy에 어떤 차이를 만드는지, Raw Value와 함께 이해할 수 있습니다.
• NAMUR NE43 기준과 4-20mA 고장 신호 해석 방법
  4mA 이하와 20mA 이상의 신호를 단순 Scaling 값이 아니라 Underrange·Overrange·Failure 영역으로 구분하는 방법을 정리한 글입니다.
• 4-20mA 신호에서 250Ω 저항을 사용하는 이유
  4-20mA 전류 신호가 250Ω 저항을 통해 1-5V로 변환되는 원리와 PLC·DAQ 입력에서의 활용 방법을 확인할 수 있습니다.