[05] 스마트팩토리 (Level 2) - HMI 중심

지난 포스팅에서는 스마트팩토리의 Level 1인 PLC와 DCS에 대해 자세히 알아보았습니다. 오늘은 수직적 구조의 다음 단계인 Level 2, 스마트팩토리에서 사람과 기계 간의 효율적인 소통을 가능하게 하는 핵심 인터페이스 HMI(Human Machine Interface)에 대해 심층적으로 살펴보겠습니다. HMI는 작업자가 생산 설비를 실시간으로 모니터링하고 제어하며 중요한 데이터를 분석하여 궁극적으로 생산 효율성을 향상시키는 데 중추적인 역할을 담당합니다. 마치 조종석의 계기판과 컨트롤러 처럼, 복잡한 설비의 현재 상태를 명확하게 보여주고 작업자의 의도를 정확하게 전달하는 통로인 셈입니다.

 

그럼 지금부터 HMI의 주요 기능과 다양한 종류, 개발 주체, 그리고 하위 레벨인 PCS/DCS와의 긴밀한 연계 관계까지 자세히 알아보도록 하겠습니다.

HMI 예시 (출처: https://sjse.co.kr/dolphin/sub_03.asp)

 

HMI 주요 기능 - 실시간 정보와 제어의 중심

HMI는 작업자가 생산 현장을 효과적으로 관리하고 운영할 수 있도록 다음과 같은 핵심적인 기능들을 제공합니다.

• 실시간 모니터링: 생산 설비의 현재 작동 상태, 실시간 생산량, 각종 오류 정보 등을 시각적으로 표시하여 작업자가 설비의 상황을 빠르게 파악하고 이상 상황에 즉각적으로 대처할 수 있도록 지원합니다. 마치 공장의 상황판과 같습니다.
• 제어 및 조작: 작업자는 HMI 화면을 통해 설비의 작동/정지, 운전 모드 변경, 각종 설정 값 조정 등 필요한 제어 명령을 직관적으로 내릴 수 있습니다. 이는 작업 효율성을 높이고 오조작으로 인한 사고 예방하는 데 중요한 역할을 합니다.
• 데이터 분석: 실시간으로 수집되는 생산 데이터를 추적, 저장, 분석하여 생산성 향상, 불량률 감소, 설비 유지보수 시점 예측 등 공장 운영 효율화를 위한 Valuable Information을 제공합니다.
• 시각화: 복잡한 생산 데이터를 다양한 그래프, 차트, 이미지 등의 시각적인 형태로 변환하여 작업자가 데이터를 쉽게 이해하고 분석할 수 있도록 돕습니다. 데이터 기반의 의사 결정을 효과적으로 지원하는 핵심 기능입니다.
• 알람 및 경고: 설비에 이상이 발생하거나 특정 위험 조건이 감지되면 작업자에게 시각적 또는 청각적인 알람이나 경고를 즉시 제공하여 잠재적인 문제를 사전에 방지하고 신속한 초기 대응을 가능하게 합니다.

HMI의 종류 - 다양한 현장 요구에 맞춘 선택

HMI는 사용 환경 및 조작 방식에 따라 다양한 형태로 존재합니다.

• 터치스크린 HMI: 화면을 직접 터치하여 조작하는 방식으로, 직관적인 인터페이스와 쉬운 사용법을 제공하여 가장 널리 사용되는 형태입니다.
• 패널 HMI: 물리적인 버튼, 스위치, 키패드 등을 사용하여 조작하는 방식으로, 안정적인 작동과 오작동 방지에 강점을 가지며 극한 환경이나 장갑을 착용한 상태에서 주로 사용됩니다.
• 소프트웨어 HMI: PC 기반으로 운영되는 HMI 소프트웨어 형태로, 뛰어난 확장성과 유연성, 그리고 강력한 데이터 처리 및 분석 기능을 제공하여 대규모 시스템에 적합합니다.

HMI 개발 주체 - 전문성과 최적화의 조화

HMI 개발은 주로 다음과 같은 주체들을 중심으로 이루어집니다. 각 개발 주체는 고유한 강점을 바탕으로 최적의 HMI 솔루션을 제공합니다.

• 설비 회사: 자신들이 제작하는 특정 설비에 최적화된 HMI를 함께 개발하여 제공하는 경우가 많습니다. 해당 설비의 특성을 완벽하게 반영하여 최고의 호환성과 안정적인 작동을 보장하며, 설비와 함께 피키지 형태로 판매 및 설치되는 경우가 일반적입니다.
• HMI 전문 업체: 다양한 산업 표준 및 프로토콜을 지원하며 광범위한 호환성과 다양한 기능을 갖춘 HMI 제품을 전문적으로 개발하여 판매합니다. 사용자는 자신의 설비와 요구 사항에 맞는 HMI를 선택하여 사용할 수 있습니다. 대표적인 HMI 전문 업체로는 Siemens(WinCC, TP Comfort Panel), ABB(Automation Builder, Panel 800), Schneider Electric(EcoStruxture Operator Terminal, Magelis), Rockwell Automation(FactoryTalk, View SE.ME), Mitsubishi Electric(GOT Series, iQ Works) 등이 있습니다.
• 시스템 통합(SI) 업체: 고객의 특수한 요구사항에 맞춰 맞춤형 HMI를 개발하여 제공합니다. 특정 설비나 시스템에 특화된 기능 구현 및 기존 시스템과의 완벽한 통합을 통해 고객의 생산 환경에 최적화된 솔루션을 제공하며, 주로 대규모 생산시스템이나 복잡한 공장에서 활용됩니다.

HMI 선택 시 고려 사항 - 성공적인 시스템 구축을 위한 핵심 요소

최적의 HMI를 선택하는 것은 스마트팩토리 구축의 중요한 단계입니다. 다음 요소들을 신중하게 고려하여 시스템의 효율성과 작업자의 편의성을 극대화해야 합니다.

• 설비와의 호환성: HMI가 현장의 PLC, DCS등 제어 시스템과 정상적으로 통신하고 데이터를 원활하게 주고받을 수 있는지 반드시 확인해야 합니다.
• 기능: 필요한 실시간 모니터링, 제어, 데이터 분석, 시각화, 알람 관리 등의 기능을 충분히 제공하는 HMI를 선택해야 합니다.
• 사용 편의성: 작업자가 쉽게 이해하고 조작할 수 있는 직관적인 인터페이스를 제공하는 HMI를 선택하여 작업 효율성을 높이고 사용자 교육 부담을 줄여야 합니다.
• 가격: 예산 범위 내에서 합리적인 가격대의 HMI를 선택해야 합니다. 초기 도입 비용 뿐만 아니라 유지보수 비용까지 고려하는 것이 좋습니다.
• 기술 지원: HMI 제조사의 신뢰할 수 있는 기술 지원 체계를 확인하여 시스템 문제 발생 시 신속하고 효과적인 지원을 받을 수 있는지 확인해야 합니다.

HMI - PLC, DCS의 기능적 관계

HMI는 하위 레벨의 제어 시스템인 PLC, DCS와 긴밀하게 연동하여 스마트팩토리의 효율적인 운영을 지원합니다.

• 제어 및 감시의 통로: 작업자는 HMI 화면을 통해 PLC나 DCS에 연결된 센서의 실시간 값, 장비의 현재 작동 상태 등 다양한 정보를 실시간으로 확인하고, 필요한 경우 제어 명령을 내릴 수 있습니다. HMI는 작업자와 제어 시스템 간의 양방향 소통 채널 역할을 수행합니다.
• 데이터 제공 및 시각화: PLC나 DCS는 현장의 센서로부터 수집한 방대한 양의 데이터와 제어 결과를 HMI로 전송합니다. HMI는 이러한 데이터를 사용자가 이해하기 쉬운 시각적인 형태(그래프, 차트 등)로 가공하여 제공함으로써, 작업자의 상황 인식 능력과 의사 결정 능력을 향상십니다.
• 기능 확장 및 사용자 편의성 증대: HMI는 PLC나 DCS의 기본적인 기능을 시각적으로 표현하고, 작업자가 더욱 쉽고 편리하게 접근하고 활용할 수 있도록 사용자 친화적인 인터페이스를 제공하여 시스템의 전반적인 사용성을 향상시킵니다.

HMI - PLC, DCS의 연계 방식 : 데이터 통신의 다양한 경로

HMI와 PLC/DCS는 다양한 통신 방식을 통해 데이터를 주고 받으며 긴밀하게 연동됩니다. 크게 직접 연결 방식과 네트워크 연결 방식으로 나눌 수 있습니다.

1. 직접 연결
   • HMI와 PLC를 물리적인 케이블로 직접 연결하는 방식으로, 주로 소규모 시스템에 적용됩니다.
   • (장점) 시스템 구성이 간단하고 초기 구축 비용이 저렴하며, HMI와 PLC 간의 통신 속도가 빠릅니다. 또한, 연결 상태 및 신호 이상 여부를 직접 확인하여 문제 진단이 용이합니다.
   • (단점) 시스템 확장에 제약이 있으며, 케이블 관리의 어려움이 발생할 수 있습니다.
   • (주요 통신 방식) RS-232C, RS-422/485 와 같은 시리얼 통신 방식이 주로 사용됩니다.
2. 네트워크 연결
   • HMI와 PLC를 이더넷(Ethernet), Wi-Fi 등의 네트워크를 통해 연결하는 방식으로, 대규모 시스템에 적합합니다.
   • (장점) 시스템 확장이 용이하며, 다양한 기기를 네트워크에 연결하여 통합 관리할 수 있습니다. 또한, 원격지에서 HMI에 접속하여 설비를 모너티렁하고 제어하는 것이 가능합니다.
   • (단점) 시스템 구축 비용이 직접 연결 방식에 비해 높으며, 네트워크 환경에 따라 통신 속도가 영향을 받을 수 있습니다.
   • (주요 통신 방식) TCP/IP, Modbus TCP, Ethernet/IP, PROFINET 등 산업용 이더넷 프로토콜이 주로 사용됩니다.
   • 최근 추세: 다양한 제조사의 장비 및 시스템 간의 호환성을 높이고 효율적인 데이터 교환을 가능하게 하는 OPC UA와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용하여 HMI와 PLC를 연동하는 방식이 점차 확대되고 있습니다.

HMI, 스마트팩토리 운영의 핵심 조력사

HMI는 스마트팩토리의 Level 2에서 작업자와 생산 현장 간의 가교 역할을 수행하는 핵심적인 요소입니다. 실시간 정보 제공, 직관적인 제어 인터페이스, 데이터 시각화 및 분석 기능 등을 통해 작업자의 효율적인 설비 관리 및 의사 결정을 지원하며, 궁극적으로 스마트팩토리의 생산성 향상에 크게 기여합니다.

 

HMI는 하위 레벨의 PLC, DCS와 긴밀하게 연동될 뿐만 아니라, 상위 레벨의 설비 제어 시스템(TC/MC/EAP) 및 MES(생산실행시스템)와도 중요한 데이터 교환 및 기능적 연계를 가집니다. 이와 관련된 자세한 내용은 향후 상위 시스템에 대한 설명을 통해 다시 한 번 다루도록 하겠습니다.

 

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[00] 스마트팩토리를 한 번 그려보자.
[01] 스마트팩토리의 수직적 구조
[02] 스마트팩토리(Level 0) - 센서 및 액추에이터
[03] 스마트팩토리(Level 1)- PLC 중심
[04] 스마트팩토리(Level 1)- DCS 중심
[05] 스마트팩토리(Level 2)- HMI 중심
[06] 스마트팩토리(Level 2/3)- RTDB 중심