휴먼 머신 인터페이스 설명: 정의 및 올바른 방법

휴먼 머신 인터페이스란 실제로 무엇인가

거의 보편적으로 HMI로 축약되는 휴먼 머신 인터페이스(Human Machine Interface)는 인간 조작자와 기계 또는 자동화 시스템 간의 접점입니다. 가장 기본적으로 HMI는 사람이 산업 장비 또는 프로세스를 모니터링, 제어 및 상호 작용할 수 있도록 하는 모든 장치 또는 소프트웨어입니다. 이러한 정의는 공장 현장 기계에 장착된 터치스크린 패널, 제어실 워크스테이션의 그래픽 대시보드, 태블릿에서 액세스하는 웹 기반 인터페이스, 표시등이 있는 간단한 푸시 버튼 패널 등 광범위한 물리적 형태를 포괄합니다. 이들 모두가 공유하는 것은 복잡한 기계 상태와 프로세스 데이터를 인간이 읽고 실행할 수 있는 형식으로 변환하고 인간 명령을 기계가 실행할 수 있는 신호로 다시 변환한다는 근본적인 목적입니다.

현대 산업 자동화에서 HMI 시스템은 모든 시설에서 운영상 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 잘 설계된 운영자 인터페이스가 없으면 그 뒤에 있는 가장 정교한 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC) 또는 분산 제어 시스템(DCS)이라도 효과적으로 작동, 모니터링 및 문제 해결하기가 어렵습니다. HMI는 작업자가 근무 시간을 보내고, 경보를 확인하고, 프로세스 매개변수를 조정하고, 전체 생산 라인의 상태를 한눈에 볼 수 있는 곳입니다. 하드웨어 선택, 소프트웨어 설계 및 화면 레이아웃 측면에서 HMI를 올바르게 설정하는 것은 운영자 효율성, 응답 시간, 궁극적으로 작업의 안전과 생산성에 직접적인 영향을 미칩니다.

HMI 시스템 작동 방식: 기술 기반

산업용 HMI 시스템의 작동 방식을 이해하려면 운영자를 물리적 프로세스에 연결하는 하드웨어 및 소프트웨어 계층을 이해해야 합니다. HMI는 기계를 직접 제어하지 않습니다. 해당 역할은 PLC, DCS 또는 그 아래의 기타 제어 하드웨어에 속합니다. 대신 HMI는 제어 시스템에서 데이터를 읽고 이를 운영자에게 시각적으로 표시하며 명령이나 매개변수 변경 시 운영자의 입력을 제어 시스템에 다시 전달합니다.

PLC 및 제어 시스템과의 통신

HMI는 산업용 통신 프로토콜을 통해 기본 제어 하드웨어(일반적으로 PLC 또는 DCS 컨트롤러)와 통신합니다. 일반적인 프로토콜에는 Modbus RTU, Modbus TCP/IP, EtherNet/IP, PROFIBUS, PROFINET, DeviceNet 및 OPC UA 등이 포함됩니다. HMI 소프트웨어는 PLC의 특정 레지스터, 태그 또는 데이터 주소를 화면의 그래픽 요소에 매핑하므로 PLC 메모리의 온도 센서 값이 변경되면 HMI 화면의 해당 게이지 또는 숫자 디스플레이가 실시간으로 업데이트됩니다. 작업자가 HMI 터치스크린의 가상 버튼을 누르면 HMI는 해당 PLC 레지스터에 값을 쓰고, PLC는 해당 제어 논리에 따라 작동합니다.

태그 데이터베이스 및 데이터 매핑

모든 HMI 시스템의 핵심은 태그 데이터베이스입니다. 이는 HMI가 연결된 제어 시스템에서 읽고 쓰는 모든 데이터 포인트(태그)의 구조화된 목록입니다. 각 태그에는 이름, 데이터 유형, 통신 주소, 공학 단위 및 스케일링 매개변수가 있습니다. 잘 구성된 태그 데이터베이스는 안정적인 HMI 구성의 기초입니다. 잘못된 이름, 일관되지 않은 구조 또는 잘못된 주소의 태그는 산업 환경에서 HMI 문제의 가장 일반적인 원인 중 하나입니다. 최신 HMI 소프트웨어 패키지를 사용하면 PLC 프로그래밍 환경에서 직접 태그를 가져올 수 있으므로 수동 데이터 입력 오류가 줄어들고 HMI 데이터베이스가 제어 시스템 구성과 동기화된 상태로 유지됩니다.

화면 그래픽 및 페이스플레이트

HMI의 시각적 측면은 운영자가 빠르게 해석할 수 있는 방식으로 프로세스를 나타내는 소프트웨어 플랫폼에 따라 페이지, 보기 또는 디스플레이라고 불리는 그래픽 화면으로 구성됩니다. 프로세스 흐름 다이어그램, 애니메이션 장비 표현(작동 시 회전하는 것처럼 보이는 펌프, 열리거나 닫힐 때 색상이 변하는 밸브), 추세 그래프, 알람 목록 및 데이터 입력 양식은 모두 산업용 HMI 화면 디자인의 표준 요소입니다. 단일 제어 루프 또는 장비에 대한 모든 관련 데이터를 표시하는 표준화된 팝업 창인 페이스플레이트를 통해 운영자는 기본 프로세스 개요 화면을 어지럽히지 않고 자세한 정보를 드릴다운할 수 있습니다.

HMI 하드웨어 유형: 패널 HMI부터 PC 기반 시스템까지

HMI 하드웨어는 다양한 애플리케이션 환경과 운영 요구 사항에 적합한 여러 가지 개별 폼 팩터로 제공됩니다. 올바른 선택은 모니터링되는 프로세스의 복잡성, 설치 위치의 환경 조건, 필요한 기능 수준에 따라 달라집니다.

독립형 HMI 패널

운영자 패널 또는 OIT(운영자 인터페이스 터미널)라고도 하는 독립형 HMI 패널은 디스플레이, 터치스크린 또는 키패드 입력, 프로세서 및 통신 하드웨어를 기계에 직접 장착할 수 있도록 설계된 견고한 단일 인클로저에 결합한 독립형 장치입니다. 이 제품은 일반적으로 대각선 4인치부터 최대 21인치까지 다양한 화면 크기로 제공되며 먼지가 많거나 습하거나 화학적으로 공격적인 환경에서 사용할 수 있도록 다양한 IP 보호 등급으로 제공됩니다. 이러한 패널은 범용 운영 체제가 아닌 전용 HMI 펌웨어를 실행하므로 PC 기반 솔루션보다 구성이 더 간단하고 장기적으로 더 안정적입니다. 이 분야의 주요 제조업체로는 Siemens(SIMATIC HMI), Rockwell Automation(PanelView), Mitsubishi Electric(GOT 시리즈), Schneider Electric(Magelis), Weintek 등이 있습니다.

PC 기반 HMI 시스템

PC 기반 HMI 시스템은 표준 데스크탑 또는 랙 장착형 PC, 패널 PC(터치스크린 인클로저에 내장된 PC) 또는 산업용 씬 클라이언트 등 산업용 PC 플랫폼에서 HMI 소프트웨어를 실행합니다. PC 기반 시스템은 독립형 HMI 패널보다 훨씬 더 뛰어난 유연성과 처리 능력을 제공합니다. 더 복잡한 그래픽을 실행하고, 더 많은 태그 수를 처리하고, 데이터베이스 및 엔터프라이즈 시스템과 통합하고, 여러 소프트웨어 애플리케이션을 동시에 실행할 수 있습니다. 단점은 초기 비용이 더 높고 IT 관리(운영 체제 업데이트, 바이러스 백신, 사이버 보안)가 더 복잡하고 전용 HMI 패널보다 하드웨어 수명 주기가 더 짧을 수 있다는 점입니다. PC 기반 HMI는 크고 복잡한 감독 시스템 및 제어실 워크스테이션에 선호되는 접근 방식입니다.

모바일 및 웹 기반 HMI

점점 더 현대적인 HMI 플랫폼은 웹 브라우저나 전용 모바일 앱을 통한 원격 액세스를 지원하므로 운영자와 엔지니어는 공장 네트워크 어디에서나 스마트폰이나 태블릿을 통해 프로세스 데이터를 모니터링하고 경보 알림을 받을 수 있습니다. 또는 오프사이트에서 안전한 원격 연결을 통해 점점 더 늘어나고 있습니다. 웹 기반 HMI는 일상적인 모니터링 작업을 위해 패널에 실제로 있어야 할 필요성을 줄이고 근무 시간 외 알람에 더 빠르게 응답할 수 있도록 해줍니다. 그러나 원격 액세스에는 신중하게 관리해야 하는 사이버 보안 고려 사항이 도입되며, 모바일 인터페이스는 일반적으로 전용 패널 설치의 정확성을 활용하는 복잡한 제어 작업보다 모니터링에 더 적합합니다.

HMI와 SCADA: 차이점 이해

HMI와 SCADA(감시 제어 및 데이터 수집)라는 용어는 자주 함께 사용되며 때로는 같은 의미로 사용되어 상당한 혼란을 야기합니다. 서로 관련되어 있지만 별개의 개념이므로 산업 제어 시스템을 지정하거나 사용하는 모든 사람에게 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.

가장 엄격한 의미에서 HMI는 단일 기계 또는 프로세스 영역을 위한 로컬 운영자 인터페이스입니다. HMI는 데이터를 시각화하고 직접 연결된 장비에 대한 운영자 입력을 받아들입니다. SCADA는 전체 시설, 플랜트 또는 지리적으로 분산된 작업 전반에 걸쳐 여러 HMI, PLC, RTU(원격 터미널 장치) 및 기타 현장 장치의 데이터를 집계하여 중앙 집중식 감독 가시성과 제어를 제공하는 상위 수준 시스템 아키텍처입니다. SCADA 시스템에는 일반적으로 장기 데이터 로깅, 고급 경보 관리, 보고 도구 및 공장 전체 IT 시스템과의 통합을 위한 히스토리언이 포함됩니다.

실제로 대부분의 최신 SCADA 소프트웨어 패키지에는 전체 HMI 개발 환경이 포함되어 있으며 운영자가 SCADA 시스템에서 사용하는 HMI 화면은 독립형 기계 HMI와 동일한 도구 및 원리를 사용하여 구축됩니다. 차이점은 운영자 인터페이스 자체보다는 규모와 아키텍처에 더 가깝습니다. 소규모 제조 셀은 위에 SCADA 레이어가 없는 독립형 HMI 패널만 사용할 수 있습니다. 대규모 처리 공장에서는 PC 기반 워크스테이션에서 실행되는 SCADA 소프트웨어를 사용하며, 수십 개의 개별 기계 HMI가 중앙 SCADA 시스템에 데이터를 공급합니다.

주요 HMI 기능 및 기능 비교

HMI 시스템(하드웨어 패널이든 소프트웨어 플랫폼이든)을 평가할 때 모든 산업용 애플리케이션에 대해 비교해야 할 가장 중요한 기능 영역은 다음과 같습니다.

HMI 시스템의 일반적인 산업 응용

HMI 기술은 산업 및 인프라 운영의 거의 모든 부문에 배포됩니다. 애플리케이션의 범위를 이해하면 실제로 제공해야 하는 다양한 HMI 구성이 무엇인지 명확히 하는 데 도움이 됩니다.

• 제조 및 조립 라인: 개별 작업 셀과 기계 스테이션에 장착된 HMI 패널을 통해 운영자는 스테이션을 떠나지 않고도 생산량을 모니터링하고, 기계 매개변수를 조정하고, 결함을 해결하고, 유지보수를 요청할 수 있습니다. 감독자 영역의 라인 수준 개요 화면은 전체 생산 라인의 상태를 한 번에 보여줍니다.
• 물 및 폐수 처리: SCADA 기반 HMI 시스템은 수도 시설 운영 전반에 걸쳐 중앙 제어실에서 지리적으로 분산된 인프라 전반에 걸쳐 펌프장, 처리 프로세스, 탱크 수위, 유속 및 수질 매개변수를 모니터링하는 데 사용됩니다.
• 석유, 가스, 화학 처리: 공정 플랜트 HMI 및 SCADA 시스템은 안전 및 제품 품질을 위해 엄격한 작동 한계 내에서 유지되어야 하는 압력, 온도, 유속 및 화학 성분과 관련된 복잡한 연속 공정을 모니터링하고 제어합니다. 이러한 애플리케이션에서는 경보 관리가 특히 중요합니다.
• 식품 및 음료 생산: 식품 가공의 HMI 시스템은 종종 식품 안전 규정에 따른 감사 추적 및 배치 기록 요구 사항에 따라 충전 라인, 저온살균기, CIP(Clean-In-Place) 시스템 및 포장 장비와의 작업자 상호 작용을 지원해야 합니다.
• 빌딩 자동화 및 HVAC: 빌딩 관리 시스템(BMS)은 HMI 스타일 운영자 인터페이스를 사용하여 일반적으로 PC 워크스테이션이나 웹 브라우저를 통해 액세스되는 상업용 및 산업용 건물 전체의 HVAC 시스템, 조명, 액세스 제어 및 에너지 관리 상태를 표시합니다.
• 에너지 및 발전: 발전소, 변전소 및 재생 에너지 설비에서는 HMI 및 SCADA 시스템을 사용하여 발전 출력, 그리드 연결, 장비 상태 및 보호 시스템 상태를 모니터링하며, 종종 매우 높은 신뢰성과 응답 시간 요구 사항이 적용됩니다.

실제로 운영을 개선하는 HMI 화면 디자인 모범 사례

HMI 화면 디자인의 품질은 운영자가 프로세스를 얼마나 효과적으로 모니터링하고 대응할 수 있는지에 직접적인 영향을 미칩니다. 열악한 HMI 설계(어수선한 화면, 일관되지 않은 색상 사용, 과도한 애니메이션, 읽기 어려운 알람 목록)는 산업 사고 및 운영자 오류를 유발하는 요인으로 잘 문서화되어 있습니다. 좋은 HMI 디자인은 화면을 인상적으로 보이게 만드는 것이 아닙니다. 이는 올바른 정보를 모호함 없이 빠르고 명확하게 제공하는 것입니다.

고성능 HMI 방법론

ASM 컨소시엄과 Bill Holliday 및 Ian Nimmo와 같은 업계 실무자가 개발하고 대중화한 HPHMI(고성능 HMI) 방법론은 시각적 복잡성보다 상황 인식과 빠른 이상 징후 감지를 우선시하는 산업용 HMI 설계에 대한 구조화된 접근 방식을 제공합니다. 핵심 원칙에는 정상 작동 상태(회색 배경, 회색 프로세스 요소)에 대해 차분하고 중립적인 색상 팔레트 사용, 비정상적인 조건 및 경보 전용으로 밝은 색상(특히 빨간색과 노란색) 보존, 아날로그 값을 빠르게 판단하기 어렵게 만드는 채우기 및 그라데이션 사용 최소화, 장비 지리보다는 프로세스 흐름을 중심으로 화면 구성 등이 포함됩니다. 운영자는 고성능 HMI 화면에서 밝은 색상을 보면 주의가 필요한 사항이 있다는 것을 즉시 알 수 있습니다. 이는 정상 작동 시 화면이 이미 다채로운 애니메이션과 그래픽 요소로 가득 차 있는 경우에는 불가능합니다.

화면 계층 및 탐색

잘 설계된 HMI 시스템은 화면을 명확한 계층 구조로 구성합니다. 레벨 1은 플랜트 또는 구역 개요입니다. 전체 프로세스의 상태를 상위 레벨로 표시하는 단일 화면으로, 몇 피트 떨어진 곳에서도 한 눈에 읽을 수 있도록 설계되었습니다. 레벨 2 화면에는 개별 프로세스 단위 또는 섹션이 더 자세히 표시됩니다. 레벨 3 화면에는 자세한 장비 전면판, 제어 루프 및 특정 기기 판독값이 표시됩니다. 레벨 4는 유지 관리 및 진단 화면을 다룹니다. 레벨 간 탐색은 빠르고 논리적이어야 하며 탐색 컨트롤을 일관되게 배치하여 운영자가 헌팅 없이 필요한 화면으로 빠르게 이동할 수 있도록 해야 합니다. 일반적으로 필요한 정보를 얻기 위해 여러 화면 전환이 필요한 제대로 구성되지 않은 탐색은 시간이 중요한 상황에서 상당한 생산성과 안전 문제를 야기합니다.

경보 관리 설계

수백 개의 동시 경보 활성화로 인해 운영자가 당황하게 되는 경보 플러딩(종종 단일 근본 원인 이벤트로 인해 발생)은 산업 운영에서 가장 심각한 HMI 관련 안전 문제 중 하나입니다. 경보 시스템에 대한 EEMUA 191 지침과 ISA-18.2 표준은 모두 경보 합리화, 우선 순위 지정 및 관리에 대한 자세한 지침을 제공합니다. 주요 설계 원칙에는 실제로 운영자 작업이 필요한 알람 수로 제한하고, 정의된 응답 시간으로 명확한 우선순위 수준(높음, 중간, 낮음)을 할당하고, 알려진 프로세스 상태의 예측 가능한 결과인 알람을 억제하고, 알람 목록 표시를 통해 우선순위가 낮은 알림의 스크롤 목록에 묻혀 있지 않고 가장 중요하고 실행 가능한 알람이 즉시 표시되도록 보장하는 것이 포함됩니다.

HMI 사이버 보안: 점점 더 중요한 고려 사항

HMI 시스템이 격리된 독점 네트워크에서 공장 IT 시스템과 통합되고 경우에 따라 원격 액세스를 위해 인터넷에 연결되는 이더넷 연결 플랫폼으로 이동함에 따라 사이버 보안은 정말 중요한 관심사가 되었습니다. 산업용 HMI 시스템과 SCADA 네트워크는 랜섬웨어를 포함한 사이버 공격의 표적으로 알려져 있으며, 수처리, 에너지 및 제조 시설에서 발생한 여러 가지 중요한 사고는 부적절한 산업 사이버 보안이 실제로 미치는 영향을 보여주었습니다.

HMI 시스템에 대한 기본 사이버 보안 조치에는 HMI/SCADA 네트워크와 기업 IT 네트워크(일반적으로 비무장 지대 또는 DMZ 아키텍처를 사용하여 구현됨) 간의 네트워크 분할, 역할 기반 사용자 권한을 포함한 HMI 액세스에 대한 강력한 인증, HMI 소프트웨어 및 운영 체제의 정기적인 패치, 사용하지 않는 통신 포트 및 서비스 비활성화, 기본 자격 증명 제거, USB 드라이브를 통한 맬웨어 유입을 방지하기 위한 이동식 미디어 액세스 제어 등이 포함됩니다. IEC 62443 표준 시리즈는 HMI 및 SCADA 시스템 보안에 대한 구체적인 지침을 포함하여 산업 사이버 보안을 위한 가장 포괄적인 프레임워크를 제공합니다.

HMI 시스템을 선택할 때 고려해야 할 사항

신규 또는 개조 애플리케이션에 적합한 HMI 하드웨어 및 소프트웨어를 선택하려면 기술 요구 사항, 환경 제약, 공급업체 지원 및 장기적인 수명 주기 고려 사항의 균형을 맞춰야 합니다. 다음 요소는 특정 플랫폼을 사용하기 전에 신중하게 평가할 가치가 있습니다.

• PLC 및 제어 시스템 호환성: HMI는 기존 또는 계획된 PLC 플랫폼에 대한 기본 통신 드라이버를 지원해야 합니다. OPC UA는 대부분의 최신 시스템 간의 범용 통합 경로를 제공하지만 기본 드라이버는 일반적으로 더 나은 성능, 더 쉬운 구성 및 더 긴밀한 통합을 제공합니다. PLC 브랜드에 대한 HMI 공급업체의 드라이버가 적극적으로 유지 관리되고 사용 중인 펌웨어 버전을 지원하는지 확인하십시오.
• 환경 등급: 기계 장착형 HMI 패널은 설치 위치의 환경 조건에 따라 등급이 지정되어야 합니다. IP65 또는 IP66 등급은 식품 가공, 실외 및 세척 환경에서 일반적으로 요구되는 물 분사 및 먼지 유입으로부터 보호합니다. 온도 범위 등급은 고온 및 저온 등 극한의 주변 조건을 사용하는 응용 분야에서 중요합니다.
• 화면 크기 및 해상도: 표시해야 하는 정보의 양과 운영자의 시청 거리에 맞게 화면 크기를 맞추세요. 소수의 매개변수가 있는 단일 기계 인터페이스에는 7인치 패널이면 충분합니다. 복잡한 프로세스 개요에는 최소 15인치 디스플레이가 필요하며 제어실 SCADA 워크스테이션은 일반적으로 24인치 이상의 모니터를 사용합니다. 고해상도 와이드스크린 디스플레이는 가독성을 저하시키지 않으면서 화면당 더 많은 정보를 제공합니다.
• 소프트웨어 개발 환경: 사용 용이성, 사용 가능한 그래픽 라이브러리, 스크립팅 또는 프로그래밍 기능, 라이브 하드웨어 없이 테스트하기 위한 시뮬레이션 도구, 문서 품질 및 기술 지원에 대해 HMI 개발 소프트웨어를 평가하십시오. HMI 구성이 진행 중입니다. 운영자는 화면을 추가하고, 매개변수를 변경하고, 새 장비를 추가해야 합니다. 따라서 개발 환경은 전문 통합업체가 아닌 유지 관리 팀이 액세스할 수 있어야 합니다.
• 하드웨어 수명주기 및 예비 가용성: 산업용 HMI 패널은 지원되어야 하며 최소 10~15년 동안 예비 부품을 사용할 수 있어야 합니다. 구매하기 전에 공급업체가 게시한 제품 수명주기 약속과 고려 중인 특정 모델에 대한 교체 장치의 가용성을 확인하세요. 제품을 자주 단종하는 공급업체의 플랫폼을 선택하면 수년 후에 고통스럽고 비용이 많이 드는 마이그레이션 프로젝트가 발생합니다.
• 확장성: 오늘 선택하는 HMI 플랫폼이 귀하의 시설과 함께 성장할 수 있는지 고려하십시오. 현재 요구 사항을 충족하지만 2년 이내에 태그 수 또는 화면 제한에 도달하는 시스템은 불필요한 업그레이드 비용을 발생시킵니다. 동일한 공급업체 에코시스템 내에서 독립형 패널에서 PC 기반, SCADA까지 명확한 업그레이드 경로가 있는 플랫폼을 선택하면 요구 사항이 증가함에 따라 마이그레이션 노력이 줄어듭니다.

휴먼 머신 인터페이스 기술의 미래

HMI 기술은 연결성, 컴퓨팅 성능 및 인터페이스 설계의 발전에 힘입어 빠르게 발전하고 있습니다. 여러 가지 추세가 산업 운영자 인터페이스의 모양과 작동 방식을 적극적으로 재편하고 있으며, 이를 이해하면 조직이 몇 년 내에 구식이 될 플랫폼에 투자하는 대신 미래 지향적인 기술 결정을 내리는 데 도움이 됩니다.

클라우드에 연결된 HMI 및 SCADA 플랫폼은 기존 온프레미스 아키텍처에서는 불가능했던 규모의 중앙 집중식 데이터 저장, 원격 모니터링 및 분석을 지원합니다. 산업용 IoT(IIoT) 통합을 통해 HMI 시스템은 PLC뿐만 아니라 스마트 센서, 에지 장치 및 상태 모니터링 시스템의 데이터를 집계하여 운영자에게 장비 상태 및 프로세스 성능에 대한 보다 풍부한 그림을 제공합니다. 운영자가 스마트 안경이나 태블릿 카메라를 통해 실제 장비에 중첩된 HMI 데이터를 볼 수 있는 증강 현실(AR) 인터페이스가 유지 관리 및 검사 작업 흐름에 나타나기 시작하여 판독값을 확인하기 위해 종이 절차를 수행하거나 장비에서 시선을 돌릴 필요성이 줄어들고 있습니다. 인공 지능과 기계 학습은 SCADA 및 HMI 플랫폼에 통합되어 단순히 원시 데이터를 보고하는 것이 아니라 운영자를 지원하는 예측 경보 관리, 이상 징후 감지 및 운영 최적화 권장 사항을 제공합니다.

이러한 모든 변화를 통해 인간 기계 인터페이스 보이지 않는 것을 보이게 하고, 기계의 복잡성을 인간의 이해로 변환하고, 운영자에게 프로세스를 안전하고 효율적으로 실행하는 데 필요한 정보와 제어권을 제공하는 것입니다. 기술은 계속 발전하고 있지만 HMI를 진정으로 유용하게 만드는 설계 원칙(명확성, 속도, 일관성, 운영자가 실제로 필요로 하는 것에 초점)은 여전히 ​​유효합니다.