고성능 HMI 시스템

LS산전 PAC Solution팀 홍동욱 과장

1. 개요

불과 몇 년 전만 해도 사람들은 핸드폰을 사람 간 통신 수단으로만 사용하였다. 사람들의 사용 목적에 따라 PDA, PMP, 네비게이션 등을 이용하였으며 이들 제품들은 각 영역에서 시장을 넓혀가고 있었다. 하지만 최근의 스마트폰 출시로 인해 이러한 제품군들의 영역은 순식간에 허물어졌으며 특히, 사람들의 눈높이 또한 이와 같은 제품에 익숙해지고 있다. 이는 더 빠른 CPU 연산처리, 화려한 화면(UI), 무선 통신, 대용량 저장장치, 자유로운 터치 기술 등이 비약적으로 발전되면서 가능하게 되었다.

과거 HMI(Human Machine Interface)는 PLC, 인버터, 각종 제어기기 등 장치의 모니터링 장치로만 여겨졌다. 이와 같은 시스템에 적용되었던 HMI는 빠른 성능보다는 안정적인 품질, 비교적 값싼 제품이 시장을 지배하였다. 이때까지만 해도 고객이 요구하는 성능 수준은 그리 높지 않았다. 주요 부품 역시 기술 발전이 상업용 부품처럼 빠르게 발전하지는 않았다.

이제 시스템의 복잡도가 매우 높아지면서 HMI가 단순 모니터링 장비가 아닌 용도로 발전하고 있다. HMI를 원격지에서 모니터링하거나 제어할 수 있으며 HMI 간 통신을 통해 하위의 동종 또는 이종 간 제어 장치 간 통신이 가능하며 대용량 저장장치를 이용하여 각종 백업 데이터를 저장하고 PC와 같은 서버 시스템에 데이터를 전송하여 중앙에서 관리할 수 있다.
이와 같은 발전은 최근의 스마트폰 출시로 인해 함께 발전한 기술들이 자동화 시스템에 접목이 되면서 더 빠르고 편리한 처리가 가능하게 되었다.

본 기고에서는 고성능화 되고 있는 HMI 시스템과 관련 기술과 당사에서 올해 하반기에 출시될 고성능 HMI 제품에 대해 설명하고자 한다.

2. HMI 시스템 동향

다음은 최근의 HMI가 어떤 방식으로 사용되고 있으며 향후에는 어떤 형태로 발전할 것인지에 대해 살펴보기로 하자.

2.1 게이트웨이 기능
게이트웨이(Gateway)의 사전적 의미는 다른 네트워크(Network)로 들어가는 입구 역할을 하는 네트워크 포인트이다. 쉽게 얘기하면 다른 통신 방식, 통신망, 프로토콜을 사용하는 네트워크, 장치들 간의 통신을 가능하게 하는 장치를 말한다.
과거에는 하위에 연결된 제어기기의 모니터링이 주요 동작이었으나 최근에 HMI 사용의 범위가 확대되고 시스템이 확대되면서 이러한 요구가 증가하고 있는 추세이다. 그림1은 유럽에서 운영 중인 특수 자동차의 사용 예이다.

* 특수 자동차(Special Vehicle)란?
소방차, 앰뷸런스, 트레일러, 청소차, 견인차 등 특수 목적에 의해 제작된 차량을 말함.

자동차의 엔진제어장치(ECU)는 CAN-base J1939 네트워크로 구성되어 있고 특수 목적에 의한 제어 기능은 CAN-based의 네트워크로 구성되어 있을 때 HMI는 기본적인 모니터링 기능뿐만 아니라, 이 2가지 다른 네트워크를 연결하고 서로 간 데이터를 공유할 수 있도록 게이트웨이 역할을 한다. 또한 수집된 데이터를 무선통신을 이용하여 서버에 전송한다.
또한 HMI는 다양한 제어기기에 대한 통신드라이버를 내장하고 있으므로 서로 다른 방식의 제어기기를 연동하여 운영할 수 있다. 이와 같이 HMI는 모니터링 기기에서 서로 다른 네트워크 사이에서 데이터를 공유하고 수집하는 장치로 진화하고 있다.

2.2 원격 제어 장치

최근에 안전ㆍ보건에 대해 이슈가 대두되어 OHSAS18001과 같은 경영시스템을 도입하는 회사들이 증가하고 있다. 또한 위험 요소가 내재된 작업 환경에 대해 작업자들이 기피하는 현상이 두드러지고 있어 작업자들이 현장을 방문하지 않고 원격 또는 사무실에서 시스템을 제어하고 모니터링하길 원하고 있다.
VNC 서버, Web 서버와 같은 원격 프로그램 방식을 이용하여 HMI의 데이터를 원격 또는 사무실에서 모니터링 및 제어가 가능하며 다수의 HMI를 동시적으로 제어할 수도 있다. 또한 데이터서버(Data Server) 기능을 활용하여 HMI가 동작되는 현재 화면 이외에도 원하는 데이터 수집 및 제어가 가능하다.

현장 상태를 한 눈에 볼 수 있는 MES(Manufacturing Execution System) 구축을 위해HMI가 중추적인 역할을 할 수 있다. 이를 통한 작업을 수행하기 위한 제반 활동(스케줄링, 작업지시, 품질관리, 작업 실적 집계 등)을 지원하기 위한 관리 시스템을 구축할 수 있으며, 특히 실시간 정보 수집을 통한 관리자와 작업자의 빠른 의사 결정을 지원하는 역할을 할 수 있다.

* OHSAS18001이란? (Occupational Health and Safety Management System)
국제적으로 인정되는 산업 보건 및 안전 경영 시스템 평가 규격으로, 제3기관이 인증하는 국제 표준의 부재로 인한 격차를 해소하기 위해 선별된 주요 무역기관, 국제 표준 및 인증 기관에 의해 개발되었다.

2.3 카메라 감시 시스템

자동화 산업을 이끄는 분야를 대략적으로 정리해보면 PLC, DCS, HMI, 인버터(모터 드라이버 류), 센서류 등이라고 얘기할 수 있을 것이다. 이 중 센서는 PLC 또는 DCS의 하부 장치로 사용되고 있으나, 비전(Vision) 장치들은 PLC 또는 DCS와 같은 제어기기와 직접적으로 연결하여 사용하지 못하고 별도의 시스템으로 구성되어 사용되고 있다. 인터페이스를 지원하는 문제도 있지만 비전 장치들은 영상처리 알고리즘을 통해 시스템을 제어하므로 PLC 또는 DCS에서 처리하는 것은 한계가 있다. 또한, 반도체, 디스플레이, 자동차, 석유화학, 조선, 철강 등 프로세스 분야는 중앙에서 제어 및 감시를 요구하는 경우가 많으며 특히, 비디오 감시 분야(Video Surveillance)가 대두되고 있다. 이는 중요 시설에 대한 감시를 통해 시스템 보안(Security)을 목적으로 하고 있다.

비디오 감시는 카메라를 통해 원격 감시 시 모니터링뿐만 아니라 비디오 데이터의 대한 저장이 필요하다. 이를 위해서는 대용량 저장 장치(Mass Storage)가 요구되는데, 비디오 데이터의 품질에 따라 저장되는 데이터의 용량이 늘어날 수 있기 때문이다. 일반적으로는DVR(Digital Video Recorder)을 사용하는데 서버 또는 PC가 아닌 별도의 DVR 서버 사용이 요구된다.

최근에 네트워크 환경의 발전으로 인해 네트워크 카메라(Network Camera)가 등장하고 있으며 이더넷과 같은 고속의 네트워크 환경을 이용하여 중앙에서 원격으로 카메라 데이터를 감시하고 저장할 수 있게 되었다. 하지만 이더넷과 같은 네트워크 환경의 한계로 인해 부하가 상승할 경우에는 실시간 감시가 어려울 수 있다는 단점이 있다. 또한 네트워크 환경이 갖춰지지 않은 환경에서는 동 축 카메라를 사용할 수밖에 없으므로 비디오 데이터를 입력 받을 수 있는 장치가 요구된다.

HMI는 로컬에 설치되어 있는 카메라를 통해 비디오 데이터를 수집하고 이를 서버에 전송할 수 있는 기능을 수행할 수 있는 장치로 활용될 수 있다. 이는 HMI의 프로세스 처리 속도가 향상되고 각종 비디오 인터페이스(NTSC/PAL/SECAM) 및 비디오 코덱(Codec)을 지원하면서 가능하게 되었으며, CF 카드, SD 카드, USB 메모리 등 각종 저장 장치를 연결하여 사용할 수 있다는 점에서 대용량의 비디오 데이터를 저장할 수 있다. 또한 이더넷을 기본적으로 지원함으로써 서버에 저장된 비디오 데이터를 전송할 수 있는 기반을 갖추고 있다.
여러 대의 카메라를 연결할 경우에는 비디오 옵션 카드를 사용하여 확장할 수 있고 이더넷을 통한 네트워크 카메라와 연결도 가능하다.

HMI를 비디오 감시 장치로 사용함으로써 별도의 시스템이 필요하지 않으며 원격 제어 기능을 활용하여 중앙에서 각 사이트를 감시할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

* 코덱이란? (Codec)
어떠한 데이터 스트림이나 신호에 대해 인코딩이나 디코딩 혹은 둘 다 할 수 있는 하드웨어 또는 소프트웨어를 말한다. 일반적으로 코덱은 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4와 같은 영상 코덱, 돌비 디지털과 같은 음성 코덱, 그리고 ZIP과 같은 압축 코덱이 있다.

3. 고성능 HMI 시스템 구성

앞서 설명한 다양한 어플리케이션을 충족하기 위해 요구되는 HMI 시스템에 대한 구성 요소에 대해 검토해보자.

3.1 고성능의 임베디드 CPU
최근의 스마트폰 광고를 보면 ‘1기가의 고속 CPU’, ‘듀얼 코어’ 등 문구가 눈에 띤다. 다양한 기능을 제공하기 위해서는 그만큼의 CPU의 성능이 중요시 되고 있다. HMI 시스템의 동작 상 특징은 통신, 화면표시, 터치입력 등 다양한 기능을 동시에 처리하는 것이다. 더 빠른 성능 향상을 위해서는 CPU의 연산 능력 즉, CPU의 처리 속도가 그만큼 중요하다.

최근의 CPU 동향은 고속 연산을 위한 32/64비트 코어(Core)를 기본으로 다양한 기능 블록을 내장하여 보다 빠른 처리를 할 수 있도록 설계되어 있다. 예를 들면, ARM9, ARM11, MIPS32 등 임베디드(Embedded)용 코어를 중심으로 LCD 컨트롤러, 2D/3D 가속기, USB 컨트롤러, 이더넷 컨트롤러, 터치패널 컨트롤러, 메모리 인터페이스 등 다양한 형태의 하드웨어 블록을 내장하여 1개의 칩으로 제공한다. 이와 같은 기능을 내장함으로써 빠른 처리와 기능에 대한 집적화로 주변회로 제거함으로써 재료비 절감 효과를 기대할 수 있다.

3.2 고성능의 LCD
모니터, 노트북, TV, 네비게이션 등 LCD의 수요가 증가함에 따라 고성능, 낮은 가격으로 LCD 시장이 형성되고 있다. 산업용 LCD는 이와 같은 민수용LCD 시장과 같다고 얘기할 수 없으나 기술의 진보로 인해 산업용 LCD 또한 고성능화되고 있다. 높은 품질은 기본이며, 화면 해상도가 높아지고 있고, LED 백라이트를 적용하면서 저온 특성 우수, 방열 감소 및 저전력/친환경 제품이라는 장점을 가지고 있다. HMI 시스템은 이러한 LCD의 특성으로 인해 더 많은 데이터를 화면에 표시할 수 있으며, 높은 색상 및 이미지로 가속성이 향상되고 있다. 또한 주차기와 같이 실외에 설치하는 HMI를 위한 LCD가 여러 가지 출시되어 적용되고 있다.

3.3 대용량의 메모리 및 저장 장치
HMI와 같은 임베디드 시스템은 플래시 메모리(Flash Memory)를 저장 장치로 사용한다. 몇 년 전까지는 NOR 방식의 플래시 메모리가 주종이었으나 높은 가격, 작은 저장 공간 문제라는 한계가 있었다. 이 공간에는 OS, HMI 소프트웨어, 화면 데이터, 기타 백업데이터 등이 저장되었는데 작은 저장 공간으로 인해 10MB 이하의 화면 데이터 공간에 제약을 받았다.
최근에는 NAND 방식의 대용량 플래시 메모리가 낮은 가격에 출시되어 저장 공간이 보다 여유로워졌다. 메모리 공간의 확장을 통해 사용자가 사용하는 화면 데이터의 용량을 늘릴 수 있으며 더 미려한 이미지와 화면을 만들 수 있는 장점을 가져다주고 있다.
USB, CF 카드, SD 카드 등 대용량 저장 장치를 장착하여 사용할 수 있도록 인터페이스를 제공하고 있다. 이와 같은 저장 장치들은 수십 기가바이트(Giga bytes; GB)의 용량을 비교적 저가에 구입하여 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. HMI 동작 상 발생하는 백업 데이터(로깅, 알람, 레서피 등)를 저장할 수 있고 휴대성이 좋기에 유지보수용으로도 사용할 수 있는 장점이 있다.

3.4 멀티미디어 기능

HMI는 앞서 설명한 비디오 기능뿐만 아니라 오디오 기능을 제공하여 멀티미디어 기능을 제공할 수 있다. 비디오 입력뿐만 아니라 오디오 입력을 통해 감시하고자 하는 장소의 소리까지도 저장할 수 있다.

또한 알람 또는 경고 시 소리를 발생하여 사용자에게 현재 상태에 대해 알려줄 수 있으며, RGB, DVI, HDMI(High-Definition Multimedia Interface)와 같은 기능을 이용하여 HMI의 현재 화면 데이터를 화면 크기가 더 큰 LCD 모니터에 표시할 수 있다.

이와 같은 기능은 비디오/오디오 인터페이스 및 다양한 코덱을 지원하여야 가능하며 연산 능력이 뛰어난 CPU 사용으로 실시간 동작이 가능할 수 있다.

3.5 무선 통신 기능
HMI는 PLC와 같은 제어기기와 RS-232C, RS-422/485와 같은 시리얼 통신과 이더넷 통신으로 연결한다. 또한 PC와의 연결은 이더넷, USB 방식으로 연결하여 사용한다. 각 통신 매체의 특징으로 통신 방식을 선정하여 사용하는데 최근에 무선통신이 대두되고 있다. 흔히, 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 3G 등과 같은 명칭으로 불리는데, PLC와 HMI 간 통신은 안정성 때문에 유선을 선호하나 PC와 HMI 간은 유지보수의 편리성으로 무선 통신을 선호하기도 한다. 특히, 일부 업체의 무선 핸디형 HMI의 경우, 스테이션(Station)과 무선 통신을 통해 데이터를 주고받는다. 최근에 유명해진 와이파이는 무선 이더넷 방식의 통신으로 기존 이더넷 망에 무선 공유기와 같은 AP(Access Point)가 연결되어 있는 환경에서는 손쉽게 무선 통신을 사용할 수 있고 속도 또한 매우 빠르다는 장점이 있다.

3.6 다양한 옵션 모듈
하드웨어의 성능이 급속히 신장되면서 본연의 HMI 기능 외에도 여러 용도의 기능을 옵션 모듈로 구현하여 HMI가 PLC의 일부 역할까지도 수행할 수 있게 되었다. 간단한 입출력 모듈, 온도 입력 모듈, 통신모듈은 이전부터 제공을 하였으나 PLC의 CPU 기능, 다채널 비디오 입력 모듈, 다수의 옵션 모듈을 동시에 장착하여 동작할 수 있도록 적층 구조(Piggy-back)도 지원하고 있다. 이를 통해 PLC에서 수행하던 기능 중 일부를 HMI에서 수행하면서 PLC 시스템의 부하를 줄일 수 있을 것으로 기대한다.

4. 당사의 고성능 HMI 시스템

올해 하반기에 고성능 HMI 시스템인 iXPTM(intelligent XGT Panel) 시리즈를 출시할 예정이다. 국내외 프로세스 시장의 요구에 대응하기 위해 고성능의 CPU와 신뢰성이 높은 산업용 부품을 적용한 새로운 플랫폼 가진 제품군이다. iXPTM 는 10.4”, 12.1”, 15”급의 대형HMI 제품들로 구성되어 있다.

주요 특ㆍ장점은 다음과 같다.
ㆍ1GHz, 32bit RISC Embedded CPU 사용으로 혁신적인 성능 향상
ㆍ500㏅/㎡ 이상의 고휘도 지원하는 산업용 LCD 사용을 통한 옥외 설치 시 햇빛 저반사 기능 향상 및 LED 백라이트 적용을 통한 저전력/친환경 제품
ㆍ24bit 컬러(16,777,216색) 제공을 통한 보다 사실적인 색 표시 성능 향상
ㆍ획기적으로 확장된 사용자 화면 데이터 제공(128MB 기본 제공)
ㆍ고속의 USB 2.0 포트(Host/Device) 제공
ㆍ비디오 입/출력, 오디오 입/출력 제공(멀티미디어 기종에 해당)
ㆍ다양한 하드웨어 코덱을 이용한 자연스러운 동영상 표시 기능 제공
ㆍCF, SD 카드(대용량 SDHC 지원) 인터페이스 제공
ㆍ10/100 Base-T 이더넷 및 무선 이더넷(Wi-Fi; Wireless Fidelity) 기능 제공
ㆍ인체감시 센서를 통한 LCD 절전 기능 제공
ㆍ최대 3대의 옵션을 동시에 장착할 수 있는 Piggy-back 확장 인터페이스 제공
ㆍ다채널 비디오 입력을 처리할 수 있는 VM(Video Module)을 위한 인터페이스 제공
ㆍRoHS(유해물질 제한지침, Restriction of Hazardous Substances Directive) 만족을 통해 친환경 제품 제공
ㆍWindows Embedded CE 6.0 기본 제공을 통한 멀티태스킹(Multi-tasking) 능력 향상 및 각종 뷰어(Viewer) 기본 제공
ㆍ실버라이트(Silverlight) 제공을 통한 미려한 메뉴화면 제공
ㆍ기존 XP의 화면 데이터를 그대로 사용 가능
ㆍ데이터서버를 이용한 데이터 실시간 백업 기능 및 VNC/Web 서버 기능을 통한 원격 감시 기능 제공

5. 마무리

현재까지의 HMI 시스템은 HMI 본연의 역할만을 수행하였다. 2010년에 국내 HMI 시장이 호황이었다고 하는 사람도 있다. 하지만 아직까지 국내 HMI 시장은 답보 상태이다. 특히, 글로벌 경기 상황에 따라 시장이 경색되기도 하고 호황이 오기도 한다. 이러한 시장 상황에 흔들리지 않기 위해서는 강력한 하드웨어 및 소프트웨어를 바탕으로 다양한 어플리케이션을 발굴하고 새로운 시장을 개척해야 한다.
자사는 기존의 XGT Panel 시리즈와 고성능의 HMI 제품군(iXPTM) 개발을 통해 저가형 시장부터 고가의 프로세스 시장, 그리고 새로운 시장까지 시장을 개척하고 영역을 확장할 것이라고 기대하고 있다.

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