산업용 계측기기 신호 방식 비교: 아날로그 출력 vs 디지털 통신

 

 

1줄 요약

산업용 계측기기의 아날로그 출력(0-5V, 4-20mA)과 디지털 통신(RS232, RS485) 방식의 개념, 차이점, 선택 기준을 실무 중심으로 비교 설명합니다.

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안녕하세요 WITTGUY 입니다.

산업 현장에서 계측기기를 선정할 때 가장 먼저 결정해야 하는 것이 바로 신호 출력 방식입니다. "아날로그로 할까요, 디지털로 할까요?"라는 질문은 압력계, 유량계, 가스 분석기 등 모든 계측기기 선정 시 반드시 마주치게 됩니다. 잘못된 선택은 시스템 오류, 추가 비용, 유지보수 문제로 이어질 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 아날로그 출력과 디지털 통신의 기본 개념과 핵심 차이점을 비교하여, 현장 실무자들이 최적의 신호 방식을 선택할 수 있도록 안내하겠습니다. 본 내용은 시리즈의 첫 번째 편으로, 이후 아날로그 출력 전문편과 디지털 통신 전문편에서 각 방식을 상세히 다룰 예정입니다.

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목차

1. 아날로그 출력과 디지털 통신 기본 개념
2. 아날로그 출력 방식 개요
3. 디지털 통신 방식 개요
4. 아날로그 출력 vs 디지털 통신 핵심 비교
5. 신호 방식 선택 가이드
6. 시리즈 안내

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1. 아날로그 출력과 디지털 통신 기본 개념

1.1 신호 전송 방식의 분류

산업용 계측기기는 측정한 물리량(압력, 온도, 유량, 농도 등)을 제어 시스템으로 전송하기 위해 다음 두 가지 방식을 사용합니다.

구분	아날로그 출력	디지털 통신
신호 형태	연속적인 전기 신호	이진 데이터(0과 1)
전송 방식	전압 또는 전류 변화	통신 프로토콜
대표 방식	0-5V, 0-10V, 4-20mA	RS232, RS485, Modbus
정보량	측정값 단일 정보	측정값 + 상태 + 설정값
통신 방향	단방향 (센서 → 제어기)	양방향 (센서 ↔ 제어기)

1.2 아날로그 출력이란?

아날로그 출력(Analog Output)은 계측기기가 측정한 값을 연속적으로 변화하는 전기 신호로 변환하여 전송하는 방식입니다. 측정 범위의 0%일 때와 100%일 때 신호 크기가 다르며, 수신 측에서는 이 신호의 크기를 읽어 측정값을 계산합니다.

 

작동 원리 예시 (4-20mA)

• 압력계 측정 범위: 0-10 bar
• 0 bar 측정 시 → 4mA 출력
• 5 bar 측정 시 → 12mA 출력
• 10 bar 측정 시 → 20mA 출력

수신 장치(PLC, DCS)는 전류값을 읽어 압력값으로 환산합니다.

1.3 디지털 통신이란?

디지털 통신(Digital Communication)은 계측기기가 측정한 데이터를 **디지털 신호(0과 1의 조합)**로 변환하여 통신 프로토콜에 따라 전송하는 방식입니다. 측정값뿐만 아니라 기기 상태, 알람, 설정값 등 다양한 정보를 양방향으로 주고받을 수 있습니다.

 

작동 원리 예시 (RS485 Modbus)

• 제어기 → 센서: "압력값 전송 요청" (명령 전송)
• 센서 → 제어기: "압력 5.27 bar, 정상 작동, 온도 25°C" (데이터 응답)
• 제어기 → 센서: "알람 설정값 변경" (설정 변경)
• 센서 → 제어기: "설정 완료" (확인 응답)

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2. 아날로그 출력 방식 개요

2.1 아날로그 출력의 종류

출력 방식	신호 범위	전송 거리	주요 용도
전압 출력	0-5V, 0-10V, 1-5V	단거리 (10-20m)	실험실, 근거리 제어
전류 출력	4-20mA, 0-20mA	장거리 (1km 이상)	산업 현장 표준

2.2 4-20mA가 산업 표준인 이유

4-20mA 전류 출력이 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 이유는 다음과 같습니다.

 

1. 노이즈 내성

• 전류 신호는 케이블 저항, 전자기 노이즈의 영향을 거의 받지 않습니다
• 장거리 전송에서도 신호 세기가 일정합니다

2. 단선 감지 (Live Zero)

• 정상 작동 시 최소 4mA 신호 존재
• 0mA 또는 4mA 이하 = 단선 또는 고장으로 즉시 판단 가능
• 0-20mA 방식은 0mA와 단선을 구별할 수 없는 단점 존재

3. 2선식 구성

• 전원과 신호를 하나의 케이블로 전송 (전원선 + 신호선)
• 배선 비용과 설치 공간 절감

4. 범용성

• 전 세계 모든 PLC, DCS가 4-20mA 입력을 표준 지원
• 제조사와 국가에 관계없이 호환 가능

2.3 아날로그 출력의 장점과 단점

장점

• 구현이 간단하여 즉시 사용 가능합니다
• 별도의 통신 설정이나 프로그래밍 불필요합니다
• 비용이 저렴합니다
• 고속 응답이 가능합니다
• 대부분의 제어 시스템이 지원합니다

단점

• 측정값만 전송 가능합니다 (상태, 알람 정보 전송 불가)
• 단방향 통신만 가능합니다
• 원격 설정이나 교정이 불가능합니다
• 센서 1대당 입력 채널 1개가 필요합니다
• A/D 변환 과정에서 정확도 손실이 발생합니다

2.4 아날로그 출력 주요 적용 분야

화학 공정 산업

• 반응기 압력 모니터링
• 유량 제어 시스템
• 온도 감시

가스 플랜트

• 압력 레귤레이터 모니터링
• 안전 밸브 감시
• 가스 유량 측정

수처리 설비

• 펌프 제어
• 탱크 레벨 측정
• 압력 감시

석유화학 플랜트

• 장거리 신호 전송
• DCS 연동
• 프로세스 제어

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3. 디지털 통신 방식 개요

3.1 주요 디지털 통신 방식

통신 방식	전송 거리	연결 방식	주요 특징
RS232 (RS232C)	15m	1:1	단거리, 설정용
RS485	1,200m	1:다 (최대 256개)	산업 현장 표준
Modbus RTU	1,200m	1:다	범용 프로토콜
Modbus TCP/IP	무제한	네트워크	이더넷 기반
HART	3,000m	중첩 통신	4-20mA + 디지털

3.2 RS232와 RS485 비교

RS232 (RS232C)

RS232C는 RS232의 정식 명칭으로, 'Revision C' 즉 세 번째 개정판을 의미합니다. 1969년에 발표된 RS232C가 가장 널리 보급되어 현재까지도 이 명칭이 사용되고 있습니다. RS232와 RS232C는 같은 의미로 사용됩니다.

항목	사양
전송 거리	15m 이내
연결 방식	1:1 (Point-to-Point)
통신 속도	최대 115,200 bps
주요 용도	계측기 설정, PC 직접 연결

 

RS485

항목	사양
전송 거리	1,200m (표준 속도)
연결 방식	1:다 (최대 32-256개)
통신 속도	최대 10 Mbps
주요 용도	공장 자동화, 다중 센서 네트워크

3.3 디지털 통신의 장점과 단점

장점

• 측정값, 상태, 알람 등 다양한 정보 전송 가능합니다
• 양방향 통신으로 원격 설정 및 교정이 가능합니다
• 하나의 통신선에 다중 기기 연결이 가능합니다
• 오류 검출 및 재전송 기능으로 신뢰성이 높습니다
• 디지털 값 직접 전송으로 정확도가 우수합니다
• 예지 보전 및 진단 기능을 제공합니다

단점

• 통신 설정 및 프로그래밍이 필요합니다
• 아날로그보다 구현 비용이 높습니다
• 전문 지식이 필요하여 유지보수 난이도가 높습니다
• 통신 장애 시 복구가 복잡합니다

3.4 디지털 통신 주요 적용 분야

공장 자동화

• 다중 센서 네트워크 구성
• MES 연동
• 실시간 생산 모니터링

스마트 팩토리

• IoT 플랫폼 연결
• 빅데이터 수집
• 예지 보전 시스템

빌딩 관리 시스템

• HVAC 제어
• 에너지 관리
• 환경 모니터링

프로세스 제어

• SCADA 시스템
• 분산 제어
• 원격 감시

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4. 아날로그 출력 vs 디지털 통신 핵심 비교

4.1 종합 비교표

비교 항목	아날로그 출력	디지털 통신	실무 포인트
구현 난이도	★☆☆☆☆ (매우 쉬움)	★★★★☆ (어려움)	아날로그는 즉시 사용 가능
초기 비용	★★☆☆☆ (저렴)	★★★★☆ (고가)	소규모는 아날로그 유리
전송 거리	중간 (1km)	우수 (1.2km~무제한)	장거리는 디지털 필수
노이즈 내성	중간 (4-20mA 우수)	우수	노이즈 환경은 디지털 권장
다중 연결	불가능 (1:1)	가능 (1:다)	10개 이상은 디지털
정보 종류	측정값만	측정값+상태+진단	상세 정보는 디지털
원격 설정	불가능	가능	원격 관리는 디지털 필수
확장성	낮음	높음	향후 확장은 디지털 유리
유지보수	★★☆☆☆ (쉬움)	★★★★☆ (어려움)	전문 인력 필요성 고려

4.2 전송 거리별 적합성

전송 거리	권장 방식	상세 설명
10m 이내	0-5V, 0-10V	전압 출력 사용 가능, 비용 최소
10-50m	4-20mA, RS232	전류 출력 권장, RS232는 설정용
50-1,000m	4-20mA, RS485	둘 다 가능, 다중 연결 필요시 RS485
1,000m 이상	RS485, 이더넷	디지털 통신 필수

4.3 센서 개수별 적합성

센서 개수	권장 방식 배선	비용 비교
1-3개	아날로그 출력	아날로그가 경제적
4-10개	상황에 따라 선택	거리에 따라 판단
10-30개	RS485 권장	디지털이 배선 비용 절감
30개 이상	디지털 통신 필수	아날로그는 비현실적

4.4 용도별 적합성

아날로그 출력이 적합한 경우

1. 단순 제어 루프: 단일 센서 값으로 제어하는 경우
2. 기존 시스템 연동: 레거시 PLC, DCS 유지보수
3. 빠른 응답 필요: 고속 제어 루프
4. 예산 제약: 초기 투자 최소화
5. 전문 인력 부족: 간단한 유지보수 필요

디지털 통신이 적합한 경우

1. 다중 센서 통합: 10개 이상 센서 네트워크
2. 원격 관리: 설정 변경, 진단 필요
3. 상세 정보 필요: 상태, 알람, 트렌드 데이터
4. 스마트 팩토리: MES, ERP 연동
5. 장거리 전송: 100m 이상 거리
6. 향후 확장 계획: 시스템 증설 예정

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5. 신호 방식 선택 가이드

5.1 선택 의사결정 플로우차트

Step 1: 기본 요구사항 확인

Q1. 센서 개수는?
→ 1-5개: Step 2로
→ 5개 이상: 디지털 통신 검토

Q2. 전송 거리는?
→ 50m 이내: Step 3으로
→ 50m 이상: 4-20mA 또는 RS485

Q3. 필요한 정보는?
→ 측정값만: 아날로그 가능
→ 측정값+상태+설정: 디지털 필수

Q4. 예산 상황은?
→ 제한적: 아날로그 우선
→ 충분함: 디지털 검토

Q5. 전문 인력은?
→ 부족: 아날로그 권장
→ 확보: 디지털 가능

5.2 실무 체크리스트

아날로그 출력 선택 체크리스트

• [ ] 센서가 5개 이하입니다
• [ ] 전송 거리가 1km 이내입니다
• [ ] 측정값만 필요합니다
• [ ] 기존 PLC가 아날로그 입력만 지원합니다
• [ ] 빠른 응답 속도가 필요합니다
• [ ] 초기 비용을 최소화해야 합니다
• [ ] 유지보수 인력이 제한적입니다

디지털 통신 선택 체크리스트

• [ ] 센서가 10개 이상입니다
• [ ] 장거리 전송이 필요합니다 (100m 이상)
• [ ] 센서 상태 및 진단 정보가 필요합니다
• [ ] 원격 설정 및 교정이 필요합니다
• [ ] 향후 시스템 확장 계획이 있습니다
• [ ] MES, SCADA 등과 연동해야 합니다
• [ ] 충분한 예산과 전문 인력이 있습니다

5.3 하이브리드 구성

많은 계측기기는 아날로그와 디지털을 동시 지원합니다. 다음과 같은 하이브리드 구성도 효과적입니다.

 

구성 예시

• 주 제어: 4-20mA로 실시간 제어
• 보조 모니터링: RS485로 상태 정보 수집
• 원격 관리: RS232로 주기적 설정 변경

장점

• 제어 신뢰성 확보 (아날로그 백업)
• 고급 기능 활용 (디지털 모니터링)
• 단계적 시스템 업그레이드 가능
• 통신 장애 시에도 기본 제어 유지

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6. 시리즈 안내

본 포스팅은 산업용 계측기기 신호 방식 시리즈의 첫 번째 편입니다. 아날로그 출력과 디지털 통신의 기본 개념과 비교를 다루었으며, 다음 편에서는 각 방식을 심도 있게 다룰 예정입니다.

 

시리즈 구성

1편 (본 포스팅): 아날로그 출력 vs 디지털 통신 비교

• 기본 개념 이해
• 핵심 차이점 비교
• 선택 가이드

2편 (다음 포스팅): 아날로그 출력 완벽 가이드

• 0-5V, 0-10V, 4-20mA 상세 설명
• 배선 방법 및 회로 구성
• 트러블슈팅 가이드
• 실무 적용 사례

3편 (예정): 디지털 통신 완벽 가이드

• RS232, RS485, Modbus 상세 설명
• 통신 설정 및 프로그래밍
• 네트워크 구성 방법
• 트러블슈팅 가이드

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FAQ

Q1. 아날로그 출력과 디지털 통신 중 어느 것이 더 정확한가요?

A1. 디지털 통신이 더 정확합니다. 아날로그 출력은 센서의 측정값을 전기 신호로 변환한 후, 수신 측에서 다시 A/D 변환 과정을 거치면서 양자화 오차가 발생합니다. 일반적으로 12-16bit 분해능으로 0.024-0.0015% 정도의 오차가 생깁니다. 반면 디지털 통신은 센서 내부에서 측정한 디지털 값을 직접 전송하므로 변환 오차가 없으며, CRC 등 오류 검출 기능으로 데이터 무결성을 보장합니다. 다만 일반적인 프로세스 제어에서는 아날로그 출력의 정확도로도 충분한 경우가 많습니다.

 

Q2. 4-20mA 신호가 3.5mA로 측정되면 어떻게 해야 하나요?

A2. 4mA 미만의 신호는 센서 고장 또는 배선 문제를 의미합니다. 4-20mA 신호의 Live Zero 개념에서 정상 작동 시 최소값은 4mA이며, 이보다 낮은 값은 비정상 상태입니다. 다음을 순서대로 확인하시기 바랍니다. 첫째, 센서 전원 공급 상태를 점검합니다 (일반적으로 24VDC). 둘째, 배선 연결 상태와 단선 여부를 확인합니다. 셋째, 루프 임피던스가 사양 범위 내인지 확인합니다 (일반적으로 500-1000Ω 이하). 넷째, 이상이 없다면 센서 자체 고장으로 판단하고 제조사에 문의합니다.

 

Q3. RS232와 RS485 중 어떤 것을 선택해야 하나요?

A3. 용도에 따라 명확히 구분됩니다. RS232(RS232C)는 15m 이내의 단거리에서 1:1 연결만 가능하므로, 계측기 설정 변경, 데이터 다운로드 등 일시적인 PC 직접 연결 용도로 적합합니다. 실험실 환경이나 유지보수 목적으로 주로 사용됩니다. 반면 RS485는 최대 1,200m 장거리 전송이 가능하고, 하나의 통신선에 32-256개 기기를 연결할 수 있어 산업 현장의 상시 모니터링 및 제어 시스템에 적합합니다. 공장 자동화, 다중 센서 네트워크, SCADA 시스템 등에서는 RS485를 선택해야 합니다.

 

Q4. 기존 아날로그 시스템을 디지털로 전환해야 하나요?

A4. 반드시 전환할 필요는 없으며, 현재 시스템의 문제점과 향후 계획을 고려하여 판단해야 합니다. 기존 아날로그 시스템이 안정적으로 작동하고 있고, 측정값만으로 충분하며, 확장 계획이 없다면 굳이 전환할 필요가 없습니다. 다만 다음과 같은 경우 디지털 전환을 검토할 수 있습니다. 첫째, 센서 개수가 지속적으로 증가하여 배선 비용이 과다한 경우. 둘째, 원격 모니터링 및 진단이 필요한 경우. 셋째, MES, SCADA 등 상위 시스템과 연동해야 하는 경우. 넷째, 스마트 팩토리 구축 계획이 있는 경우입니다. 하이브리드 구성으로 단계적 전환도 가능합니다.

 

Q5. 하나의 센서에 아날로그와 디지털을 동시에 사용할 수 있나요?

A5. 예, 대부분의 산업용 계측기기는 아날로그 출력과 디지털 통신을 동시에 지원하며, 실제로 이러한 하이브리드 구성이 많이 사용됩니다. 예를 들어 압력계의 4-20mA 출력은 PLC로 전송하여 실시간 제어에 사용하고, 동시에 RS485 통신으로 SCADA 시스템에서 상세한 상태 정보와 알람을 모니터링할 수 있습니다. 이 방식의 장점은 첫째, 통신 장애 시에도 아날로그 출력으로 기본 제어가 유지됩니다. 둘째, 제어와 모니터링을 분리하여 시스템 안정성이 향상됩니다. 셋째, 기존 아날로그 시스템을 유지하면서 점진적으로 디지털 기능을 추가할 수 있습니다.

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출처

한국산업안전보건공단. (2023). 산업안전보건기준에 관한 규칙. 고용노동부.

한국가스안전공사. (2024). 가스계측기 설치 및 관리 기준. KGS Code.

국가기술표준원. (2023). KS C IEC 60381-1: 아날로그 신호를 위한 전기측정기-제1부: 전류 출력 전송기. 한국산업표준.

국가기술표준원. (2023). KS C IEC 60381-2: 아날로그 신호를 위한 전기측정기-제2부: 전압 출력 전송기. 한국산업표준.

한국전자통신연구원. (2024). 산업용 직렬 통신 인터페이스 기술 가이드. ETRI.

전자부품연구원. (2023). RS-232/RS-485 통신 표준 및 응용. KETI.

대한전기협회. (2024). 산업 자동화 시스템의 신호 전송 방식. KEA.

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※ 본 블로그의 모든 내용은 신뢰할 수 있는 출처에 기반하고 있으나, 실제 적용 시에는 반드시 전문가와 상의하시기 바랍니다.

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