PLC 아날로그 4-20mA vs 0-10V — 전류 신호가 노이즈에 강한 진짜 이유

PLC 아날로그 입력에서 값이 춤을 추는데, 원인을 못 찾아서 반나절 날린 적 없나요?

실드 케이블도 썼고, 접지도 했는데 0-10V 센서 값이 계속 흔들립니다. 근데 웃긴 게, 같은 센서를 4-20mA로 바꾸면 거짓말처럼 안정되거든요. 처음 겪으면 "뭐야 이게" 싶은데, 알고 보면 물리적으로 당연한 결과입니다.

압력 트랜스미터, 온도 트랜스미터, 유량계, 로드셀 — 정밀 계측 장비가 거의 다 4-20mA를 쓰는 이유가 있습니다.

전압 vs 전류 — 왜 노이즈 차이가 나는가

핵심은 임피던스 차이입니다.

전압 신호(0-10V)는 수신단 임피던스가 수십 kΩ ~ MΩ으로 높습니다. 임피던스가 높으면 뭐가 문제냐면, 외부에서 유도된 아주 작은 노이즈 전류도 큰 전압 변화를 만들어내거든요. V = I × R이니까, R이 크면 V도 커지잖아요.

반면에 전류 신호(4-20mA)는 수신단에 250Ω짜리 저항 하나 달아서 전류를 읽습니다. 임피던스가 낮으니까 같은 노이즈가 들어와도 전압 변화가 거의 없고요.

한마디로, 전압 신호는 안테나처럼 노이즈를 잘 잡고, 전류 신호는 잘 안 잡습니다. 이게 전부입니다.

노이즈 — 숫자로 보면 확 체감됩니다

NI(National Instruments) 측정 데이터가 있는데요:

2A 노이즈 전류, 60Hz, 1µH/ft 상호 인덕턴스, 10피트(약 3m) 케이블 조건에서 유도 전압 노이즈 = 7.5mV

7.5mV가 별것 아닌 것 같죠? 근데 10V 범위 12-bit ADC 기준으로 3.1 LSB, 최소 분해능 3칸분에 해당합니다. 측정값이 3카운트씩 왔다갔다 한다는 뜻이고, 공정 제어에서 이건 꽤 심각한 수준이거든요.

4-20mA 루프에서는요? 같은 노이즈가 수십 µA 수준으로 유입되는데, 16mA 신호 스팬에서 수십 µA는 0.1% 미만이라 사실상 무시할 수 있습니다. 차이가 이렇게 큽니다.

케이블 거리 — 10배 이상 차이 납니다

전압 신호는 케이블이 길어지면 저항 때문에 전압이 떨어집니다. 10mV만 떨어져도 0.1% 오차니까요. 15미터 넘으면 슬슬 불안해지고, 30미터 지나면 진짜 쓰기 힘듭니다.

전류 신호는 원리가 다릅니다. 직렬 회로에서 전류는 어느 지점에서 측정해도 같잖아요. 트랜스미터가 12mA를 출력하면 100미터 떨어진 PLC에서도 정확히 12mA가 들어옵니다. 전원 전압만 충분하면 되고요.

24VDC 기준으로 루프 최대 저항 약 600Ω이니까, 20게이지 동선 기준 1.2km까지도 됩니다. 전압이랑은 비교가 안 되죠.

단선 감지 — 이게 진짜 무서운 차이입니다

0-10V의 치명적인 약점인데, 생각보다 모르는 분이 많더라고요.

0-10V에서 0V가 나오면?

• 측정값이 진짜 0인 건지
• 센서가 고장난 건지
• 전선이 끊어진 건지

구별이 안 됩니다. 이게 왜 무섭냐면, 온도가 0도라고 잘못 읽어서 히터를 풀가동하면 사고가 나거든요. 잘못된 데이터로 공정을 제어하는 상황이 생깁니다.

4-20mA는 이걸 해결한 구조입니다. "살아있는 영점(Live Zero)"이라고 하는데요:

• 4mA = 측정값 최소 (진짜 0)
• 20mA = 측정값 최대
• 0mA = 확실한 이상 상황 (단선, 전원 차단, 센서 고장)

탱크 온도가 실제로 0도여도 신호는 4mA입니다. 선이 끊어진 0mA와 명확히 구별되고요. 대부분의 PLC에서 3.6mA 이하를 감지하면 알람을 띄울 수 있으니까, 고장 난 걸 바로 잡아낼 수 있습니다.

현장에서 뭘 어디에 쓰나

4-20mA를 쓰는 계기:

IEC 60381-1 국제 표준이 4-20mA를 정의하고 있고, 한국 플랜트도 이 표준을 따릅니다. 압력/온도/유량/레벨 계장은 거의 100% 4-20mA라고 보면 됩니다.

0-10V도 쓰는 경우:

인버터 속도 지령은 보통 PLC랑 같은 제어반 안에 있잖아요. 거리가 1~2미터니까 0-10V로도 충분하고요. 근데 인버터 PWM 노이즈가 심한 환경이면 4-20mA로 바꾸는 경우도 있습니다.

4-20mA가 표준이 된 이유 — 역사가 재밌습니다

사실 처음부터 4-20mA는 아니었거든요.

1. 3-15 psi (공압 시대) — 플래퍼-노즐 밸브의 선형 구간
2. 10-50 mA (자기 증폭기 시대) — 최소 10mA 필요
3. 4-20 mA (트랜지스터 시대) — 4mA면 충분

세 표준 모두 최소:최대 = 1:5 비율이라는 공통점이 있습니다. 이 20% 오프셋이 "살아있는 영점"을 가능하게 하고요.

20mA가 상한인 이유도 흥미로운데요. 24V × 0.02A = 0.48W인데, 이게 석유화학 플랜트 같은 폭발 위험 구역에서 가스 점화 에너지보다 낮아서 본질안전 방폭 요건을 충족합니다. 안전 때문에 정해진 숫자였던 거죠.

쉴드 케이블 — 이것만 기억하세요

아날로그 신호선의 쉴드(차폐)는 수신단(제어반) 쪽 한쪽만 접지하세요.

양쪽 접지하면 접지 전위 차이 때문에 쉴드선에 전류가 흐르는데, 그게 오히려 신호선에 노이즈를 유도합니다. 쉴드를 양쪽에 물렸다가 노이즈가 더 심해지는 경우, 생각보다 많거든요. 제이큐브 블로그에서도 같은 얘기를 합니다.

추가 팁:

• 전력선/동력선과 100mm 이상 이격
• 연선(Twisted pair) + 쉴드 타입 케이블 사용
• 접지 저항 100Ω 이하

한눈에 정리

자주 묻는 질문

0-10V를 4-20mA로 바꾸려면 어떻게 하나요?

신호 변환기(Signal Converter)를 쓰면 됩니다. 0-10V 입력 → 4-20mA 출력 모듈이 2~5만원 선이고요. 근데 센서 자체가 4-20mA 출력을 지원하면 그냥 직접 연결하는 게 낫습니다.

PLC 아날로그 입력 모듈은 전압/전류 둘 다 되나요?

대부분 됩니다. DIP 스위치나 소프트웨어 설정으로 채널별 전압/전류 선택이 가능하고요. LS ELECTRIC XGI/XGB 모듈도 마찬가지입니다.

로드셀은 왜 mV/V 신호인가요?

로드셀 자체는 저항 변화를 이용하는 수동 소자라서 출력이 아주 작습니다. 보통 2~3 mV/V 수준인데, 이걸 직접 PLC에 넣으면 노이즈에 완전히 묻혀버리거든요. 그래서 로드셀 앰프(트랜스미터)를 달아서 4-20mA로 증폭해서 보냅니다.

4-20mA 말고 0-20mA를 안 쓰는 이유는요?

0mA부터 시작하면 단선 감지가 안 되니까요. 0mA가 "측정값 0"인지 "선이 끊어진 것"인지 구별이 안 됩니다. 4mA 오프셋이 있어야 이상 상태를 확실히 잡을 수 있습니다.

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