“4-20mA 결선” 완벽 가이드 싱크(Sink) vs 소스(Source) 차이점 정리

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현장에서 계장(Instrumentation) 설비를 다루다 보면 가장 혼동되는 부분이 바로 4-20mA 아날로그 신호의 결선입니다. 특히 싱크(Sink)와 소스(Source) 타입에 따라 배선 방향이 뒤집히는 것을 보고 당황했던 경험이 한 번쯤은 있으실 겁니다.

4-20mA 신호는 산업 현장에서 물리적 변수를 전기 신호로 변환하기 위해 사용되며, 이를 통해 PLC(Programmable Logic Controller)가 이러한 정보를 수신하고 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 온도 센서가 20도일 때 4mA, 100도일 때 20mA의 신호를 송신하는 식입니다. 이를 통해 PLC는 해당 온도를 정확히 판단할 수 있습니다.

아날로그 신호의 결선은 전기 회로의 이해가 필요합니다. 예를 들어, 전기 회로의 저항, 전압, 전류의 관계를 설명하는 오옴의 법칙을 기반으로 한 해석이 가능합니다. 이 법칙을 활용하여 다양한 실험을 통해 실제 환경에서 신호의 변화를 측정하고 분석할 수 있습니다.

보통 “싱크는 4선식, 소스는 2선식”이라고 단순 암기하는 경우가 많지만, 이는 반쪽짜리 정답입니다. 싱크(Sink) 입력 카드라도 외부 전원만 있다면 2선식 센서를 얼마든지 사용할 수 있기 때문입니다. 또한, 소스타입에 대한 이해가 필요합니다.

오늘은 실무자들도 자주 헷갈리는 싱크/소스의 정확한 개념과, 2선식 센서를 싱크 카드에 연결할 때의 배선 원리(전위차)를 완벽하게 정리해 드립니다.

소스타입의 개념을 명확히 이해하는 것은 시스템 설계와 구현에 큰 도움이 됩니다.

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또한, 센서와 PLC 간의 결선 시, 신호의 안정성을 보장하기 위해 적절한 케이블을 사용하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 쉴딩된 케이블을 사용하면 외부 전자기 간섭을 줄일 수 있습니다. 이를 통해 신호의 왜곡을 방지하고, 보다 정확한 데이터 전송이 가능합니다.

1. 4-20mA 결선의 전류의 주체는 누구인가? (Sink vs Source)

결선이 달라지는 근본적인 이유는 “누가 전원을 공급하는가(Power Source)”와 “전류가 PLC 기준으로 들어오는가, 나가는가”의 차이입니다.

① 4-20mA 결선 소스(Source) / Active 타입: “PLC가 전원을 준다” // PLC 기준

• 전류 방향: SMPS(+) → 센서(+) → 센서(-) → PLC(+) → PLC(-) →SMPS(-)
• 특징: PLC 카드의 PLC DO 출력은 ACTIVE타입인지 스펙을 확인할것.
• 주 용도: 별도의 전원이 필요 없는 2-Wire(루프 파워) 센서와 직결할 때 가장 편리합니다.

② 4-20mA 결선 싱크(Sink) / Passive 타입: “PLC는 받기만 한다” // PLC 기준

• 전류 방향: 센서(+) → PLC (+) → PLC(-) → 센서(-)
  • 특징: PLC는 전원을 공급하지 않고, 회로를 흐르는 전류를 받아들이는(Sink) 역할만 합니다.
• 주 용도:
  1. 전원이 별도로 필요한 경우 4-Wire 센서
  2. 외부 전원(SMPS)을 사용하여 2-Wire 센서를 구성할 때

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2. [핵심] 싱크(Sink) 2선식(2-Wire, 4-20mA 결선) 결선

싱크 카드라고 해서 2선식 센서를 못 쓰는 것은 아닙니다. 다만, 전류의 흐름이 반대가 되어야 하므로 PLC의 COM 단자 설정과 센서의 위치가 달라집니다.

이때 형성되는 루프(Loop)의 흐름은 다음과 같습니다.

1) 결선 흐름도 (싱크 타입 기준)

회로 완성: 센서 (-)에서 나온 선을 → 외부 SMPS(-)에 연결하여 전기를 회수합니다.

전원 공급 (COM 설정): 외부 SMPS (+)에서 출발한 선을 → PLC COM 단자에 먼저 연결합니다. (전기가 PLC 내부로 먼저 들어갑니다.)

PLC 출력: PLC 내부를 거친 전기가 → PLC 입력 단자로 흘러나옵니다.

센서 연결: PLC 입력 단자에서 나온 선을 → 센서 (+)에 연결합니다.

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3. 심화 분석: 왜 4-20mA 결선에서 센서(-)를 PLC(+)에 연결할까? (전위차의 원리)

실제 산업 자동화 시스템에서 4-20mA 신호는 센서와 제어 장치 간의 데이터 전송을 담당하며, 이는 공정의 효율성을 높이는 데 기여합니다. 예를 들어, 유량계에서 흐르는 유체의 양을 감지하여, 이에 따라 밸브를 조절하는 등의 작업이 있습니다. 이러한 자동화 과정은 인력의 의존도를 줄이고, 작업의 정확성을 높입니다.

결선도를 보면 의문이 생깁니다.

“전류는 (+)에서 (-)로 흐른다는데, 왜 센서의 마이너스(-) 선을 PLC의 플러스(+) 단자에 물리나요?”

이 현상을 이해하려면 단자의 이름이 아니라 전위(Electric Potential, 전압의 높이)를 봐야 합니다. 이를 계단식 물 흐름으로 비유해 보겠습니다. (전체 전압 24V 기준)

① 전압의 높이 변화 (Voltage Drop)

1. 외부 전원 (+): 24V (가장 높은 곳에서 출발)
2. 센서 (+): 24V 그대로 진입
3. 센서 (-):약 18~20V (중요!)
   • 센서가 동작하기 위해 전압을 일부 썼지만, 이 지점은 0V가 아닙니다. 여전히 전기가 꽉 차 있는 높은 상태입니다.
   • 센서 입장에서는 전기가 나가는 곳이라 (-)라고 부를 뿐입니다.
4. PLC 입력 (+):20V를 받아들임
   • PLC 입력단은 센서의 (-) 지점보다 전위가 낮습니다. 따라서 물이 위에서 아래로 흐르듯, 전류는 센서(-) → PLC(+) 로 흐릅니다.
5. PLC COM (-):0V (바닥)
   • 임무를 마친 전류는 가장 낮은 곳인 전원 (-)로 복귀합니다.

② 결론

도면상의 (-) 표기는 “상대적으로 전위가 낮은 쪽”이라는 뜻이지, 전압이 없다는 뜻이 아닙니다. 센서의 (-)는 PLC의 입력단보다 전압이 훨씬 높기 때문에, 그곳에서 PLC의 (+)로 전류를 밀어 넣어주는 것이 전기적으로 정확한 방향입니다.

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4. 한눈에 보는 결선 요약표

현장에서 작업 전, 아래 표를 확인하면 실수를 줄일 수 있습니다.

결선도를 통해 전류 흐름의 방향을 이해하는 것이 중요합니다. 전류는 항상 높은 전압에서 낮은 전압으로 흐릅니다. 따라서 전류의 흐름을 지켜보는 것은 회로 설계와 문제 해결에 있어 중요한 요소입니다. 또한, 전류가 흐르는 경로를 명확히 이해하면, 시스템의 문제 발생 시 보다 신속하게 대처할 수 있습니다.

구분	소스 (Source) 타입	싱크 (Sink) 타입 (with 2-Wire)
전원 공급	PLC & SMPS	센서 자체 공급
센서 종류	2-Wire (Active)	2-Wire (Passive)/출력, 전원단 별도
전류 흐름	PLC(+) → 센서(-)	PLC(+) → 센서(+)
(+) 결선	PLC (24V,+) → 센서 (+)	PLC (24V,+) → 센서 (+)
(-) 결선	센서 (-) → PLC 입력	센서 (-) → PLC 입력(-)
COM 처리	PLC COM → 전원 (-)	–

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마치며

4-20mA 루프 결선의 핵심은 “전류가 한 바퀴 돌아서 제자리(0V)로 갈 수 있게 길을 터주는 것”입니다.

• 소스 타입: PLC가 쏘아주니, 받아줄 센서만 연결하면 됩니다.
• 싱크 타입: PLC가 받기만 하니, 외부에서 전원을 쏘아주고(SMPS), PLC를 거쳐 다시 전원(0V)으로 돌아가는 길(COM)을 만들어주면 됩니다.

특히 “센서의 (-)단자는 0V가 아니라, 여전히 높은 전압(약 20V)을 가지고 있다”는 사실만 기억하신다면, 왜 센서의 (-)가 PLC의 (+)로 들어가는지 헷갈리지 않고 정확하게 결선하실 수 있을 것입니다.

4-20mA 신호는 산업 자동화에서 널리 사용되는 아날로그 신호입니다. 이는 센서와 측정 장비 간의 안정적인 데이터 전송을 가능하게 합니다. 4-20mA 신호의 이점 중 하나는 긴 거리에서도 전압 강하가 적다는 점입니다. 또한, 노이즈에 저항력이 뛰어나고, 여러 센서를 병렬로 연결할 수 있는 유연성을 제공합니다.

이와 같은 결선 원리를 이해하면, 4-20mA 신호를 효과적으로 관리할 수 있습니다. 또한, 결선에 문제가 발생했을 때, 신속하게 원인을 파악하고 해결할 수 있는 능력이 향상됩니다. 이는 전반적인 시스템의 신뢰성과 안전성을 높이는 데 기여합니다.

마무리하자면, 현장에서 4-20mA 아날로그 신호를 다룰 때는 정확한 결선과 신호 해석이 필수적입니다. 이를 통해 오류를 최소화하고 시스템의 최적화를 도모할 수 있습니다. 또한, 이론과 실습을 병행하면서 경험을 쌓는 것이 중요합니다.