4차산업혁명을 이끌어 갈 IoT·HMI·SCADA의 진화

4차 산업혁명: 그 첨단기술 범위의 한계가 아직은 애매해서 제어계측 또는 ICT 전문가 입장에서 독일의 Industrie 4.0 개념으로 제한해서 생각했다. 4차 산업혁명은 ICT 기술이 발전하면서 파생되는 산업진화이다. 즉, Industry 3.0 시대는 PLC, HMI/SCADA와 인터넷 환경이 구축된 시기로, Industry 4.0은 IoT나 Big Data를 기반으로 지식과 경험이 반영되고 그리고 생산/소비자 등의 요구로 산업시스템이 최적화로 운용되는 지능화되는 시기로 생각한다.


■ 산업용 IoT의 진화

IoT: 이 글에서 다루는 IoT (Industrial Internet of Things) 는 산업용으로만 적용한다. 즉 헬스케어나 홈오토메이션, 은행 결제, 광고 이벤트나 쇼핑센터에서의 온라인 구매 등에 활용되는 IoT가 아닌, 순수하게 제조업 중심으로 지금 IoT 기술은 어떻게 발전 응용되고 있는 것에 촛점을 맞췄다.
 

1. 프로토콜의 진화와 동향

산업에서 IoT 적용은 일반 생활지향 IoT보다 먼저 활용되고 왔다. 즉, 사물에 인터넷 통신기술을 산업이 먼저 적용 왔다는 이야기다. 그 대표적인 것이 Ethernet/TCP 통신프로토콜 기술이고 Ethernet/IP 프로토콜 등이다. 이러한 IoT로의 진화 배경에는 다음 3가지가 조금씩 다른 배경을 가지고 있어서 최근 무선통신을 기반으로 한 IoT에도 조금 영향이 미치기도 한다.

그 뿌리의 한 축은 분산제어시스템 (DCS; Distributed Control System) 에 있다. 1970년대 중반 인텔 4비트 CPU가 탄생하자마자 그 기술이 플랜트장치 산업분야에서 활용되었다. 그 네트워크는 Data Highway라고 불렀고 나아가서 HDLC X.25 표준프로토콜로 진화됐다. 또 한 축은 자동차와 같은 기계 또는 그 부속품의 부품 조립 라인에서 활용되는 PLC 간의 네트워크로 RS-422/485와 같은 시리얼 통신에 Modicon (현재 스나이드 전기) 의 Modbus RTU와 같은 프로토콜이 Ethernet으로 진화해 Modbus/TCP로 확대된 IoT다.

그기고 또 다른 한 축은 앞서 두 경우와는 전혀 다른 Telemetry(TM/TC라고도 불리었음) 통신으로 SCADA 시스템 분야로 진화된 경우다. 그 대표적인 프로토콜로는 DNP 3.0이 있으며, 최근 블루투스 BLE 등 무선 IoT 프로토콜에서 두각을 보이고 있는 MQTT (MQ Telemetry Transport) 프로토콜이 있다.

이상은 산업용 IoT에 적용되는 대표적 프로토콜이다. 그리고 지금은 SCADA HMI에서의 표준 OPC 기술이 IoT에 맞게 Windows나 Linux, iOS 등 OS를 가리지 않는 OPC-UA라는 독립 플랫폼으로 확장 진화되어 가고 있다. 현재 이 OPC-UA는 제4차 산업혁명 Industry 4.0에서 국제 표준으로 자리를 잡고 있다.

무선망 또는 이동통신망에서의 IoT 기반 기술도 최근 급속도로 발전되고 있다. 즉, 그 동안 단거리 무선망에 적용되어온 Wi-Fi와 ZigBee, Z-wave 기술이 통신 거리와 속도가 이 보다 수배나 빠른 Bluetooth 5.0이 곧 시장에 공급된다. 예) Silicon Labs EFR32 Gecko SoC.

무선망이나 이동통신망 (LoRa, NB-IoT 등) 에서 프로토콜은 위에서 말한 3가지 유형의 Ethernet을 기반 하는 산업용 프로토콜과는 다르다. 즉, 독자적인 자가네트워크를 형성하고 있다. 따라서 이런 네트워크에서 자체 프로토콜은 게이트웨이나 허브 또는 브리지에서 산업용 표준 프로토콜로 변환되어 산업망에 활용된다, 또 반대로 산업용 프로토콜도 이런 과정을 거쳐서 무선망이나 이동통신망을 활용한 IT망에 연동된다.

요즘 IoT에서 특히 산업 IoT에서 가장 중요한 요소로 보안 문제가 부각되고 있다. 최근 한 보고서에 따르면 유선통신 방식과 무선통신(이동통신포함)방식의 투자비를 비교할 때 무선이 유선보다 투자비가 25~50% 밖에 들지 않았다고 한다. 보안 문제만 잘 해결된다면 고려해볼만하지만 큰 사고가 나면 막대한 비용이 발생한다. 

최근에는 팬타시큐리티사의 s/w기반의 암호와 모듈이나 ISO 27001 정보보호관리시스템 (Information Security Management System: ISMS), 스마트공장추진단에서 배포하는 최소 정보보안 가이드라인 및 체크리스트, 그리고 가상화폐로 유명한 비트코인에서 사용되는 블록체인 (Block Chain) 기술 등이 IoT에 적용되는 사례가 실험되고 있다. 특히 블록체인기술은 금융 쪽에서 성공을 거두고 있는 것으로 그 안정성이 높다고 평가되어 SCM 및 IoT 응용에도 적극 검토되고 있다.

2. 하드웨어의 진화

산업용 IoT 첫 하드웨어는 PLC (Programmable Logic Controller) 이며, 1969년에 처음 출현했다. GM과 DEC사가 PDP-14 미니컴으로 1969년 6월에 첫 PLC SW 응용이, PDQ-II로 그 해 여름에, 그리고 임베디드 컴퓨터 형태로 1969년 11월에 기아밀링머신 제어용으로 사용되어온 기존의 릴레이 패널을 Modicon 084라는 첫 PLC로 교체했다. 이것이 제3차 산업혁명의 시작 즉 자동화와 정보화의 시작이었다. (사진 참조).

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▲ 1969년 PLC개발자들. 임베디드형 첫 PLC인 Modicon 084모델의 전신으로 미국 Smithsonian 박물관에 전시되어 있음.

    
PLC 국산 제조업체는 LS산전이 대표적이다. 1982년 금성계전(LS산전의 전신)은 당시 미국 TI사의 PLC를 국내에서 처음 소개하면서 이 사업에 첫 발을 내디뎠다. (*주: 필자는 금성계전 입사 전 TI사의 PLC로 태양금속에서 생산한 도금설비와 동서식품의 제품출하 컨베이어라인에 국내 처음으로 적용했다. 그 후 금성계전에 시스템기술실장으로 입사하고 계장제조부장으로 PLC, DCS, SCADA 기술 사업을 선도했다.) 

LS PLC 진화는 1983년에 국산 첫 소형 PLC로 발표된 STARCON-A를 시작으로 그 동안 Master-K -> GLOFA -> XGT 로 현재까지 발전되어 왔고 그 XGT 시리즈에는 4가지로 XGK (Master-K 프로그램 호환용), XGI (Glofa 프로그램 호환 및 IEC 61131 표준언어 지원용), XGR(XGI와 호환되는 이중화 PLC용), XHB (블록형 소형 PLC) 가 있다. 그리고 그 통신 프로토콜은 CPU 내장형(RS-232C), C net (RS-422/485시리얼통신), E net (이더네트) 및 타사 PLC 연동 지원용으로  Ethernet/IP (A-B PLC) 와 Profibus (Siemens PLC) 통신모듈이 있다. 참고로  CC-Link (Mitsubishi PLC) 모듈은 특정 칩이 필요하므로 연동모듈이 개발되어 있지 않다. 그리고 LS PLC의 C net과 E net의 프로토콜은 공개되어 있다. 

3. 현재 
    
다가오는 본격적인 IoT를 향해 최근 매일 매일 새로운 하드웨어와 신기술이 쏟아져 나오고 있다. 그 시발점은 리눅스 OS를 탑재한 초소형 라즈베리파이라는 보드이고, 간단한 I/O를 탑재한 아두이노 보드 시리즈다. 이 제품과 비슷한 또는 호환이 되는 1-2만원대의 제품들 또한 몇 달 간격으로 발표되고 있다.

그런데 이런 제품들 모두는 직접 TCP/IP 망을 통해서 측정값이나 상태 값을 바로 HMI나 IT시스템 서버에 전송을 하고 또 조작 신호를 받아 수행한다. 그래서 여기서 새롭게 등장하는 기술은 대표적으로 MQTT, Node-RED, OPC-UA 기술이 부각되고 있다. 또 이런 기술의 제품이 작년부터 많이 보이고 있다. 산업용 IoT에 관심이 있는 분들은 빨리 이 3가지 요소 기술을 습득해야 된다. 더욱 나아가서 이 3가지 요소는 이제까지 우리가 본 HMI나 SCADA와는 다른 새로운 클라우드 (Cloud) 시스템이라는 초대형 IT 서비스 시스템에 그 데이터를 보내어 빅데이터 수집, 통계, 분석, 예측으로 제어기술의 본래 목적인 최적화 제어로 나아가고 있다.

 

■ HMI와 SCADA 진화

HMI: 현장 설비를 감시제어하기 위해서 사람이 보거나 조작하기 위한 화면 인터페이스인 이 HMI는 감시제어 규모가 크질 경우 ‘SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템’의 영역으로 들어가고 같은 기능을 가질 수도 있으나, 이 글에서는 시스템적 규모가 아닌 단독설비용으로 ‘가벼운 HMI’에 초점을 맞춰 최근 기술 동향을 설명한다.

SCADA: SCADA는 1981년 IBM-PC가 출현하기 이전, 그리고 UNIX O/S가 있기 이전인 DEC사의 미니컴퓨터 등을 사용하면서부터 있었다. 그리고 그 배경은 원격전송 (Telemetry) 설비 TM/TC (Tele-Metering/Tele-Control) 에 컴퓨터가 연결돼 SCADA가 됐고 텔레미터리 시스템은 RTU (Remote Terminal Unit) 와 MTU (Master Terminal Unit) 로 나누는데 MTU는 SCADA에서 소프트웨어로 처리됐고 RTU도 PLC(Programmable Logic Controller)로 많이 대체됐다. SCADA의 가장 큰 특징은 원격데이터수집감시 (Data Acquisition) 다.

따라서 현재 회자되고 있는 빅데이터 수집기술의 원조다. 본고에서는 주로 유선으로 수집된 데이터 량이, 최근에 4차 산업화 시대로 들어가면서 와이파이나 ZigBee, Z-Wave, Bluetooth와 같은 단거리 무선망이나 최근 부각되는 LTE-M, NB-IoT, LoRa 등으로 불리어지는 IoT 전용 이동통신망으로 수집되는 그 빅데이터의 수집 처리를 위한 것까지를 포함한 SCADA 시스템의 진화와 최근 기술 동향을 설명한다.
 

1. HMI와 SCADA의 진화

HMI의 진화
HMI와 SCADA의 진화 과정은 좀 다르다. HMI는 PC가 출현된 이후부터이고 SCADA는 PC 출현 이전 미니컴퓨터와 컬러그래픽 터미널이 일체화되어 시스템화 된 것으로 진화과정이 다르다. 이를 쉽게 이해하려면, HMI는 그래픽 카드가 탑재된 것이어야 하고, SCADA는 그래픽 카드가 탑재가 안 된 미니컴퓨터에서도 PC HMI로 보거나(이 기능을 통신 에뮬레이터라고 함) 미니컴을 조작할 수 있는 차이점이 있다.

필자는 이 HMI 패키지의 시조를 1983년에 탄생한 ONSPEC S/W로 꼽는다. IBM-PC는 1981년에 출현했는데 그래픽 카드가 모노였다. 그리고 산업용으로 필요한 컬러그래픽 CGA (해상도 320×200) 4 Colors 카드의 등장은 1983년이었다. 그러니까 IBM사에서 RGB 컬러모니터를 내놓자마자 바로 그 해 첫 HMI로 ONSPEC S/W가 출현한 것이다. 

한국에서 첫 HMI는 필자가 1985년에 개발하고 설치한 옥계 한라시멘트 공장의 광산으로부터 공장 분쇄기까지 연결된 컨베이어밸트 라인의 원격감시제어시스템이다. 원격 I/O는 OPTO-22의 Optomux를 사용했고 S/W는  BASIC언어로 만들었다. 그리고 컬러화면에 한글 표시는 그래픽에 비트맵으로 한글을 그려 넣었다. 본격적으로 컬러그래픽 한글 HMI가 구현된 시기는 1985년에 IBM-AT에서 EGA (해상도 640 x 350) 출현 이후이다. 한글은 그 자모결합의 특성상 최소 640×400은 되어야 되는데 EGA는 이 조건에 맞지 않아서 영문 DOS PC에서 한글 오토마타를 탑재한 변형EGA 카드를 국내 옴니테크 사가 개발해서 시장에 공급했는데, 이를 이용해서 사료공장 및 빌딩 전력감시제어시스템 HMI 개발에 적용했다. 

컬러그래픽에서 한글 HMI 구현의 애로는 1992년 Windows 3.1 OS가 탄생하기 전까지 지속됐다. (참고 Windows 1.0버전 1987년 탄생). 그 이전에는 MS-DOS에서 Paintbrush를 사용했다. 필자는 영문 MS-DOS에서 컬러 한글과 그래픽을 자유자재로 구현할 수 있는  편집도구를 채택한 HMI를 처음 개발해서 자체 수주한 프로젝트에 적용했고, 이 컬러 그래픽 에디터를 ‘색동그림글’이라는 이름으로 1990년 3월에 케텔에 업로드 했다. 이것은 한국 최초의 셰어웨어 프로그램이다. 한편 이 색동그림글과 비슷한 에디터는 1991년 초 자동화전시회에서 한 대학생이 개발하여 SW공모전 수상 작품을 전시를 했는데 이것이 ‘수채화’이고 오토베이스(AutoBase HMI) 원조다. 

PC기반의 HMI는 1990년대 초에 크게 보급됐다. 미국 Wonderware의 InTouch가 HMI 시장을 주도했다. 현재 이 회사는 프랑스 기업인 슈나이더 일렉트릭 그룹에 속해 있다. 

*참고: 이 슈나이드는 계장기술로 유명한 Foxboro(Invensys), PLC로 유명한 Modicon과 Indusoft Web Studio를 인수한 글로벌 에너지관리 및 자동화 전문기업이다. 경쟁 HMI/SCADA 제품으로는 독일의 Siemens와 미국의 Rockwell Automation(Allen Bradley), GE, Honeywell 제품이 있다. 그리고 국내 HMI/SCADA(PC용) 제품으로는 LS산전의 Info-U, ㈜싸이몬의 CIMON, 그리고 ㈜오토베이스사의 AutoBase가 있다. 

SCADA의 진화
SCADA 역사는 1965년 이후부터로 시작됐다고 전해진다. 국내 첫 도입은 1977~1979년에 한국전력 자동급전 및 변전소 원격감시제어 시스템에 미국 Leeds and Northrup사의 LN5400 컴퓨터시스템이 45개 발변전소에 설치된 것과, 1978년 미국 Harris사의 Microplex7500을 서울 배전사령부에 설치하고 20개 변전소에 RTU를 운영한 것이 최초다. 그리고 그 이후 일본 Toshiba 기종도 들어왔다.

SCADA 응용S/W 개발과 한글 HMI화는 1982년 금성계전(현 LS산전)에서 수주한 구미광역상수도시스템과 그 이듬해 서울대공원 동물사 원격감시제어시스템에 처음으로 시도됐다. 모두 DEC사의 PDP 11/24 하드웨어였고 SCADA 툴은 캐나다 CSG사 S/W였는데 필자가 속한 팀 과장 4명이 직접 프로젝트 도면과 문서를 캐나다로 가지고 가서 배워가면서 수처리 응용SW를 개발하였다. 그리고 RTU는 캐나다 Willowglen사 제품이었고, 컬러그래픽터미널은 Aydin 5217로 자판에 있는 세미그래픽 폰트 ROM에 한글 폰트를 심어서 한글 컬러디스플레이 HMI를 구현했다.

이후 MS 한글윈도우 95의 출현과 함께 본격적으로 한글 HMI 및 한글 SCADA시스템이 개발되게 된다. 그리고 컬러그래픽카드가 없는 미니컴퓨터를 사용한 SCADA시스템에서는 PC에 통신에뮬레이터 S/W를 사용하게 되는데 PC에서 주로 Tektronix 1401 에뮬레이터가 사용됐다. 여기서 에뮬레이터란 말은 Tektronix 1401 스팩트럼 분석기의 하드웨어에서 보여 지는 컬러 표준처럼 PC에서의 컬러그래픽카드와 컬러편집기를 사용해 그림을 그린 후 통신으로 미니컴퓨터에 보관했다가 다시 보는 것이다. 참고로 Aydin 5217에서는 DEC사의 모도 비디오 터미널인 VT-220를 흉내 낸 통신 에뮬레이터에 Aydin 자체 컬러그래픽 폰트 코드를 추가한 것이다.

이 방식이 활용될 즈음 PC 기능을 확장하고 또 여기에 Tektronix 1401와 같은 고급 컬러그래픽 구현이 가능한 워크스테이션이 발표되기 시작했다. 그 선두 주자는 HP와 SUN이었고 O/S은 Unix였다. 그리고 미니컴퓨터의 컬러단말기로 X-터미널도 등장했다. 1990년대 이르러 비로소 미니컴을 이용한 SCADA 시스템에서도 한글 HMI를 구현할 수 있는 기반이 이루어진 것이다. 그 다음 문제는 SCADA 툴 팩키지 S/W를 개발하는 것이었다.

PC가 아닌 미니컴퓨터를 SOC 사업에 이용하는 등 대규모 SCADA 팩키지 도구 SW 개발은 1990년 초에 현 LS산전에서 개발된 TADCOM과 TADCOM/X로 시작해 지하철, 철도. 공항 등에 설치됐다. TADCOM이란 가칭 UNIX Based Total Automation Distribution COMputer의 약자로 UNIX 또는 LINUX다.  

한편 이 개발과 병행해 한전에서는 한국형EMS(K-EMS) 산·학·연 공동 연구개발을 추진(2005.11~2010.10)했는데, EMS 주요 기능인 SCADA 기능과 데이터베이스 개발은 한전KDN이 주관했으며, 발전계획 기능은 전기연구원이, 계통해석과 급전원 모의훈련 기능은 LS산전이 개발을 주관했다. 여기서 LS산전은 TADCOM/X 기술을 향상시켜 TOPAS를 개발하고 최근에는 SCADA PAS를 개발 공급하고 있는데, 2017년 인천공항 확장공사 전력관제시스템 및 증설 프로젝트에 설치된다. 

2. 현재

최근 HMI는 획기적인 IoT 보드의 출현과 함께 많이 바뀌고 있다. 근본적으로는 이런 IoT보드가 그 동안 HMI의 바탕이 되었던 MS-Windows나 CE 환경에서 벗어나서 리눅스나 HTML 5 기반으로 바뀌고 있기 때문이다. 따라서 값싸고 작은 IoT 보드에 탑재할 수 있는 공개 S/W 또는 무료 HMI도 많이 나오고 있다. 또 이런 보드 즉, 여러 센서나 여러 곳에 배치된 노드를 통해서 수집하는 게이트웨이에서의 작은 HMI도, MS사 애저나, IBM사 블루믹스, 아마존 같은 IoT 서비스 서버를 통해서 매우 큰 역할을 해내고 있다. 

또, SCADA시스템인 경우는 기존의 Windows나 유닉스/리눅스 플랫폼을 벗어나서 완전한 개방형 구성으로 DB와 Visualization은 SCADA 기능 서비스를 넘어서 MES와 EMS 영역에서 아주 중요한 역할을 하고 있다. 그리고 MS-Windows에서 지금까지 SCADA 기술도 Silverlight, HTML 5 그리고 WPF 기술을 사용해 더욱 고급화되어 가고 있다.

■ 이 글을 끝내면서 

이 글은 필자가 1966년도 유네스코 한국정밀기기센터 공업계기 단기과정 제1기생으로 졸업한 이후 50년 동안 계장분야에서 종사해 오면서 직접 보고 체험해 본 진화 과정의 설명이다. 끝으로 국내외 IoT, HMI/SCADA, MES, EMS 기술의 진단과 동향을 지면 제한으로 더 추가해 쓰지 못해 아쉬움이 남는다. (본 글은 계측제어 자동화 기술 전문지 월간 계장기술에 기고한 글의 온라인 버전이다.)

[이 상 길 새길로시스템 대표  sklee@wellintech.com, https://www.facebook.com/saegilro]