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HMI 기술의 3대 트렌드와 구현 방안
2013. 01. 25.
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I. 들어가며 우리가 아이폰과 같은 스마트폰에 열광하는 이유는 무엇일까? 국내에서도 아이폰 도입 을 계기로 스마트폰이 시장의 흐름을 완전히 바뀌어 버렸다. 스마트폰은 모바일 생활을 새롭게 만들었으며, 모바일 게임에 열광하게 만들기까지 했 다. 그렇다면 왜 우리는 스마트폰에 열광하는 것인가. 우리를 열광하게 하는 최고의 기술은 바로 직관적인 유저 인터페이스에 있다. 산업용 기기에서의 직관적인 유저 인터페이스 기술은 어디까지 다다랐을까?
II. 산업용 HMI 3대 트렌드 1. 이용자 만족도를 실현하는 통합요소로서의 HMI 유저 인터페이스(HMI: Human Machine Interface)의 중요성은 지난 수년에 걸쳐 점 차 부각되어 왔다. 직관적인 유저 인터페이스가 특정 형태의 제품에 대한 인식을 어떻게 완벽하게 변화시 키고, 어필하는지를 보여주는 하나의 상징이 된 아이팟(iPod) 혹은 아이폰(iPhone)과 같은 애플의 제품을 생각해 보자. 애플의 제품과 다른 컨수머 기반 상품들의 성공은 제품 및 그래픽, 환경 면에서 범용의 룩-앤-필(Look and Feel)이 브랜드의 차별화와 일관적인 고객 만족도에 기여한다는 것 을 분명하게 보여준다. 많은 산업 분야의 기업들도 동일한 결론에 이르렀으며, 자사 제품에서 더욱 더 유저 인 터페이스의 품질에 주력하기 시작했다. 여러 면에서 HMI는 머신 혹은 공정 분야를 선 도하고 있다. 보다 높은 수준의 기능과 상호작용이 HMI에 임베디드되어 있으며, 더 많이 유저 인터 페이스에 머신 혹은 공정 분야의 필수적인 사용 만족도를 반영하고 있다. 미래의 성공적인 HMI의 컨셉은 단지 기능적 애드-온 형태에서 적합한 룩-앤-필을 추가
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함으로써 사용 만족도를 실현하는 통합요소로 부상하게 될 것이다. 디자인 특성에는 사진 품질을 손상시키지 않고 크기에 상관없이 확장이 가능한 WPF 객체를 비롯해 인터넷에서 구매하고 찾을 수 있는 .Net 객체가 사용될 것이다. 탬플릿과 객체 방식을 사용함으로써 효율적인 방법으로 일관성있고 재사용이 가능한 설 계를 유지할 수 있게 될 것이다. 윈도우 미디어 객체를 비롯해 모든 기능적 객체들을 임베디드함으로써 원하는 화면 디자인을 사용자 만족도를 높이는 방향으로 보다 더 향 상시킬 수 있을 것이다. 한편 머신 빌더들에게 미치는 이러한 경쟁력있는 이점 이외에도, 잘 설계된 직관적 유 저 인터페이스 개발에 대한 투자가 엔드 유저들에게도 혜택을 제공할 수 있다는 확고한 주장들이 제시되고 있다.
2. 최신의 실용적인 소프트웨어 기술에 기반한 혁신 HMI의 발전은 견고한 고성능 패널 하드웨어 이면에서 지속적으로 진행되어 온 소프트 웨어 개발을 통해 이뤄졌다. 오늘날 패널 하드웨어는 HMI 소프트웨어 플랫폼을 위한 엔진으로 간주되고 있으며, OEM 디자인 엔지니어들이 기능 및 디자인 특성을 위해 다 양한 옵션을 부가함으로써 자사 제품의 가치를 높이는데 기여한다.
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따라서 이 소프트웨어 플랫폼은 HMI 솔루션의 중요한 요소이다.
HMI 소프트웨어 개
발은 비용이 많이 들고 복잡한 문제이다. 혁신적인 HMI 제조업체들은 .Net 기술과 같 이 충분히 광범위한 툴과 기능에 액세스할 수 있는 폭넓게 확산되어 있는 최신 기술을 기반으로 한 자사의 소프트웨어 플랫폼이 필요할 것이다. 이와 동일한 주장이 HMI 솔루션의 기술 플랫폼 개발 및 향후 유지관리 문제에도 적용 될 수 있을 것이다. .Net 이면의 리소스는 엄청나며, 이는 HMI 소프트웨어에서 지속적 으로 새로운 기능들을 개발하는데 반영될 것이다. 독점적 기술이나 소규모 벤더들의 기술에 기반하여 고유의 접근방식이 고려되어야 하지 만 이는 위험한 전략이다. 마이크로소프트의 .Net 프레임워크나 유사한 기술에 기반한 HMI 솔루션은 장기적 전략 에 기반한 OEM들이 자체 제품이나 외부 공급업체들을 위해 상당한 수준의 지속적인 서비스 지원 및 업데이트를 제공함으로써 혁신적인 미래 지향적 툴을 보장할 수 있을 것으로 예상된다. 3. 통합 솔루션을 위한 오픈 플랫폼 아키텍처 HMI는 기본적으로 운영자로부터의 피드백을 통해 머신 혹은 공정 운영을 통합하고 있 다. 한가지 측면은 그래픽 유저 인터페이스의 품질과 이의 접속 및 유용성이다. 다른 중요한 측면은 HMI 솔루션의 개방성이다. 서로 다른 시스템이나 컨트롤러로 필수 정보를 주고 받는 것이 용이한가 아니면 어려운 가? 애플리케이션 코드가 기능 혹은 객체를 사용자가 지정할 수 있도록 잠겨 있는가? 런타임 소프트웨어가 서로 다른 하드웨어 플랫폼에서 동작할 수 있을 것인가? 디자인 엔지니어들은 표준 .Net 객체를 자신들의 프로젝트에 사용할 수 있는가? 이러한 사항들 은 고객들과 벤더들 간의 대화에서 자주 논의되고 있는 이슈들이다. 차세대 HMI 솔루션의 오픈 플랫폼 아키텍처는 OEM들이 상당한 수준의 완결성을 갖춘 독보적인 제품을 만들 수 있도록 애플리케이션의 외형 및 기능, 접속성을 향상시킬 수 있는 광범위한 가능성을 제공할 것이다. HMI 솔루션은 독점적 형태는 줄어들고, 서로 다른 제조업체로부터 소형 오퍼레이터 패
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널에서 산업용 PC에 이르기까지 런타임 플랫폼 선택이 보다 더 자유로워질 것이다. 또 한 오직 하나의 프로젝트를 유지하면서도 서로 다른 컨트롤러 브랜드 및 패널 해상도에 적용할 수 있는 확장 가능한 마스터 프로젝트를 만드는 것이 가능하게 될 것이다. 엔지니어는 객체의 외형 및 기능을 직접 지정할 수 있도록 C# 스크립트와 같은 스크립 트 툴을 사용할 수 있기를 요구할 것이다. 이 디자인 툴은 중요한 써드파티 객체 및 .net 컨트롤이 가능하도록 해줄 것이다. 자유로운 접속성 및 통신은 진정한 오픈 HMI 솔루션의 특징이며, 컨트롤러 간의 간단 한 데이터 실시간 교환을 비롯해 다른 장비 및 IT 시스템과의 SQL 및 OPC 통신에 이 르기까지 다양한 범주의 옵션을 포함하게 될 것이다.
III. 구현 방안 HMI를 포함하고 있는 복잡한 기계장비나 자동차, 선박 제조업체들은 모두 자체적으로 HMI(Human-Machine Interface)를 구현할 것인지, 아니면 이러한 핵심 부품을 다른 공급업체로부터 상용품이나 주문형 제품으로 구매할 것인가에 대해 중요한 결정을 내려야 한다.
HMI 솔루션 도입에서의 고려 사항
출처: www.beijerelectronics.se
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구현 혹은 구매에 대한 결정은 모두 중요하고 복잡하며, 여러 어려운 문제들이 수반된다. 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 자체적으로 개발하는 것이 가장 비용 효과적인 솔루션인가? 핵심 기능으로서 이러한 엔지니어링 프로젝트를 일관되게 유지할 수 있는가? 기업 내 엔지니어들이 자체적으로 이러한 디바이스를 개발할 수 있는 시간적 여유가 있는가? 관련 기회 비용을 산출했는가? 상용으로 공급되고 있는 제품라인은 비용적으로 합당한 ROI(Return on Investment) 수준에서 필요한 동작 안정성과 기능들을 제공하는가? 구현 혹은 구매 결정의 딜레마를 해결하는데 도움을 얻기 위해, 전형적인 제품 개발 사이클을 개괄적으로 살펴봄으로써 HMI 시스템의 디자인 및 구현, 테스트, 유지관리와 관련된 문제들을 보다 세밀하게 검토해 볼 수 있다. 1. 계획 기업이 보유하고 있는 실제적인 엔지니어링 능력을 정확하게 평가하는 것으로 시작한다. 현재 회사의 핵심 기능과 우선순위뿐만 아니라 관련 기회 비용을 고려하자. HMI 터미널 디자인이 중대한 엔지니어링 리소스를 가장 효과적으로 사용하는 것인가? 2. 디자인 단계 엔지니어링 디자인 단계에서 가장 먼저 고려해야 할 사항은 회사의 엔지니어가 복잡한 HMI 디자인 및 구현 경험을 보유하고 있는가이다. 다음으로는 독창적인 것이 아니라면 산업 환경의 요구조건과 제약요소에 맞게 전기 및 기계적 디자인의 여러 측면을 매우 구체적으로 고려한다. 예를 들어, 진동 및 충격에 견딜 수 있도록 부품을 탑재하거나 물이나 먼지, 그리고 다른 환경적 위험요소들로부터 디스플레이 및 키패드를 밀폐하는 것은 고도의 전문 지식이 필요하며, 대부분의 엔지니어링 디자인 팀들은 이를 완벽하게 수행하기 위해 고군분투하고 있다. 아무런 사전지식 없이 이러한 기술을 개발하는 것은 비용 부담이 크고 시간이 많이 소모된다. 마지막으로 간단한 HMI라 할지라도 소프트웨어 개발의 복잡성을 무시해서는 안된다. 오늘날 대부분의 디스플레이는 3차원 동작의 직관적 내비게이션 요소들과 작업자에게 그래픽 피드백을 제공하고 있다.
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그래픽 환경에서의 프로그래밍 요구는 문자 기반의 디스플레이를 위한 프로그래밍보다 훨씬 더 복잡하다. 3. 시제품 제작 새로운 제품의 디자인 단계에서는 보통 초기에 시제품을 제작하는 것이 중요하다. 기계장치의 시제품을 빠르고 비용 효과적으로 개발할 수 있는 회사의 능력을 평가한다. 예를 들어, 회사의 엔지니어들이 3D 프린터에 액세스할 수 있는지, 혹은 CAD 파일을 외부 서비스에 의뢰해야만 하는지도 고려해야 한다. 4. 테스트 회사의 엔지니어링 팀이 하드웨어 및 소프트웨어 분야에 대한 테스트 문제를 모두 해결할 수 있는가? 회사내의 팀이 테스트 소프트웨어를 작성하고 테스트 기구를 구현하고 디자인할 수 있는 능력을 보유하고 있는가? 또한 기구 및 소프트웨어는 제품의 최종 어셈블리 이전에 만들어져야만 한다. 여러분의 회사는 환경적인 테스트를 수행하기 위한 장비를 갖추고 있는가? 5. 반복 제품의 개발 스케쥴에서 어느 정도의 디자인 반복이 가능한가? HMI 디자인 및 제조에는 여러 잠재적인 오류 지점들이 있으며, 여러 번의 재설계와 시제품 제작으로 개발시간의 상당 기간을 다 소모할 수 있다. 대부분의 복잡한 엔지니어링 프로젝트는 완벽하게 최종 제품을 최적화하기 위해 3번에서 6번의 시제품 제작 단계를 필요로 한다. 6. 최종 테스트 및 인증 최종 테스트 및 인증은 까다로운 항목이 될 수 있다.
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예를 들어, 머신이 사용되는 환경에 따라 극한의 온도범위뿐만 아니라 디바이스에 순간적으로 양극간의 극한의 온도가 주어짐으로써 발생하는 열 충격에서도 HMI가 제대로 동작하는지 테스트되어야 한다. 또한 습도 요건에도 부합해야 하며, 침수나 대량의 액체 스프레이에도 견딜 수 있는 밀폐 테스트도 수행되어야 한다. 진동 및 충격 테스트에도 부합해야 하며, ESD(Electrostatic Discharge) 및 EMI(Electromagnetic Interference) 내성도 갖춰야 한다. 이러한 테스트는 고가인데다 시간 소모도 많다. 많은 환경적 테스트는 특수장비 없이는 수행이 불가능하며, 특수 연구소에서 수행되어야 한다. 규격 인증도 통과하는데 수주 혹은 수개월의 스케줄이 소요될 수 있다. 7. RTM 최종 RTM(Release to Manufacturing)은 제조 서류, 어셈블리 도면, 플로우 다이어그램 등 여러 종류의 문서작성이 수반된다. 또한 서비스 기술자를 위한 보수 설명서와 최종 사용자를 위한 운영 설명서가 필요하다. HMI를 위한 문서 작업에만 많은 사람들의 협력작업이 필요하며, 뿐만 아니라 시스템 이력 및 업데이트 문서 작업도 수반된다. 회사가 이러한 업무를 수행할 준비가 되어있는가? 8. 엔지니어링 유지 HMI를 제품에 포함시킨 다음에는 유지관리, 보수, 대체 등의 문제가 주요 비용요소가 되며, 이는 선행투자가 이뤄져야 한다. 만약 써드파티를 터미널 공급자로 두었다면, 제품의 유지관리 및 보수는 품질 보증을 통해 처리되기 때문에 자체적인 내부 엔지니어링 노력이 필요 없다. 반면 직접 디자인한 HMI의 업그레이드가 필요하거나 노후가 될 경우에는 회사의
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엔지니어가 재설계를 담당해야 한다.
IV. 오픈 플랫폼 아키텍처 지향 HMI 솔루션은 변화되고 있다. 산업용 유저 인터페이스는 사용자에게 친숙하고 직관적 인 유저 인터페이스를 이용해 첨단 3D-방식 그래픽과 네비게이션 및 컨트롤 아이콘을 갖추고 있는 모바일 폰, MP3 플레이어 등과 같은 컨수머-기반 제품을 통해 촉발되고 있다. 이러한 경향을 반영하고 있는 HMI 솔루션은 폭넓게 확산되어 있는 유연한 최신 소프트 웨어 기술 및 진정한 오픈 플랫폼 아키텍처에 기반한 잘 디자인된 직관적 유저 인터페 이스를 통해 최첨단 그래픽 및 기능을 완벽하게 임베디드하여 제공함으로써 이를 지원 하게 될 것이다. 그래픽 유저 인터페이스는 반드시 첨단 그래픽 솔루션을 사용할 필요가 없다. 간단함과 일관성은 종종 복잡성 및 지나치게 예술적인 솔루션을 능가한다. 하지만 종종 디자인 프로세스는 그래픽 디자이너와 애플리케이션 엔지니어 간의 협력에는 유익하다. 거의 대부분의 자동화시스템이나 기계장비에서 운용 엔지니어의 편의성을 제공하기 위한 대화형 HMI는 필수기능이 되었다. 이제 HMI가 부착되지 않은 기계장비는 아무리 좋은 성능을 갖추었을지라도 시장에서 선택받지 못하고 있다. 이러한 상황에서 과연 우리 기계와 시스템에서 HMI를 어떻게 해결해야 할까를 심각하게 고민할 필요가 있다. 자체적으로 개발하여 구현할 것인지, 외부 전문업체 솔루션을 구매할 것인지, 아니면 개발 스택만을 구매할 것인지에 대한 다양한 조건을 심사숙고해야 한다.
[참조 자료] * 아이씨엔웹 www.icnweb.co.kr
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