HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트란?

HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트란 엔지니어가 임베디드 시스템 소프트웨어를 테스트하고 검증할 때 사용하는 기술입니다. HIL을 사용하면 소프트웨어를 실행하는 제어 장치를 임베디드 시스템에 의해 제어되는 센서 및 액추에이터의 정확한 시뮬레이션에 전자적으로 연결할 수 있습니다.

시뮬레이션된 시스템은 실제 시스템의 가상 모델과 물리적 모델로 모두 구성할 수 있습니다. HIL 테스트 시스템을 사용하면 엔지니어가 실제 자동차나 기계, 장치, 시스템 등에 솔루션을 배포하기 전 통제된 환경에서 실시간으로 소프트웨어 성능을 미리 테스트할 수 있습니다. 안전이 중요한 분야에서 엔지니어들이 사용하는 제품이나 소프트웨어가 점점 복잡해짐에 따라 HIL 테스트의 중요성 역시 더욱 증가하였습니다. 

HIL 시뮬레이션 시스템의 주요 구성 요소에는 제어 장치, 시뮬레이션 플랜트, 디지털 트윈이라고도 하는 시뮬레이션된 하드웨어 등이 있습니다. 이러한 구성 요소가 결합되면 제어 시스템의 실시간 폐쇄 루프 시뮬레이션이 완성됩니다.

제어 소프트웨어

테스트 중인 소프트웨어는 테스트 설정의 제어 장치 부분에서 기본 구성 요소입니다. 이 소프트웨어는 하드웨어에 로드된 실제 코드로 구성되며 제어 장치의 소프트웨어 부분에 해당합니다.

전자제어장치(ECU)

전자제어장치(ECU)란 소프트웨어를 실행하는 장치로, 이 장치가 제어하는 플랜트에 입출력(I/O)을 제공합니다. HIL 테스트의 주요 이점은 소프트웨어가 배포되고 실행될 실제 전자 장치 하드웨어에서 소프트웨어를 테스트할 수 있다는 점입니다.

HIL 시뮬레이션 시스템

최종 제품에서는 제어 장치가 센서와 장비에 직접 연결됩니다. HIL 테스트 환경에서는 NI(National Instruments), dSPACE와 같은 업체에서 공급하는 소프트웨어와 특수 HIL 장치를 통해 실제 플랜트를 시뮬레이션하는 구성 요소와 ECU를 연결합니다. HIL 테스트 시스템으로도 불리는 이 시스템은 테스트 관리, I/O 구성, 자동화 도구 등의 기능을 제공합니다. 이 시스템은 1개 단위 또는 여러 개의 단위로 구성될 수 있습니다.

가상 구성 요소

일부 하위 시스템을 사용할 수 없는 경우, 또는 실제 하드웨어처럼 시스템을 빠르고 쉽게 시뮬레이션할 수 없는 경우에는 테스터가 이를 대신해 수학적 표현을 사용합니다. 각 가상 구성 요소는 입력된 명령과 데이터를 수신하여 실제 시스템과 동일하게 디지털 또는 아날로그 전자 출력을 생성할 수 있습니다. 이러한 가상 시뮬레이션은 방정식만큼 간단할 수도 있지만, 궤도 위성에 장착된 안테나 시스템의 다중 물리 시뮬레이션처럼 복잡할 수도 있습니다.

물리적 구성 요소

대부분의 시스템 테스트 설정에서는 최종 완성품이나 프로토타입, 하위 시스템의 물리적 표현과 같은 실제 하드웨어를 사용합니다. 그러나 시뮬레이션된 시스템에는 가상 구성 요소와 연결된 물리적 구성 요소가 포함될 수도 있습니다. 하드웨어 루프에서 센서가 가상 버전으로 표시되는 시스템의 경우에는 특히 일반적입니다. 

대부분의 복잡한 제어 시스템, 특히 안전이 중요한 시스템에서는 HIL과 유사한 SIL(Software-in-the-loop)이라는 기술을 사용합니다. HIL에서는 I/O에 실제 하드웨어를 사용하지만, SIL 시스템의 설정은 소프트웨어 도구를 사용해 ECU의 마이크로프로세서나 FPGA(field-programmable gate array) 및 I/O에 사용되는 전자적 연결 네트워크의 작동을 에뮬레이션합니다.

SIL 테스트는 일반적으로 물리적 ECU를 아직 사용할 수 없는 제품 개발 초기 단계에서 수행됩니다. 소프트웨어 개발팀은 소프트웨어와 실제 하드웨어를 통합하기 전 단계에서 SIL을 사용해 알고리즘, 로직 및 전반적인 소프트웨어 작동을 검증합니다. SIL을 사용하면 실제 하드웨어나 물리적 공간이 없어도 저비용으로 테스트할 수 있습니다.

하지만 SIL 테스트를 사용하는 팀에게도 HIL 테스트가 필요할 수 있습니다. 지연, 노이즈와 같은 실제 시그널을 사용해 ECU에서 소프트웨어를 검증해야 하기 때문입니다. 소프트웨어로 시뮬레이션할 수 없는 ECU 동작이 포함되는 사용 사례는 많이 볼 수 있습니다. HIL 테스트를 사용하면 하드웨어와 소프트웨어를 결합하여 안전 테스트를 수행하고 항공　우주, 의료, 자동차 분야에서 일반적인 산업 표준을 준수하도록 보장할 수 있습니다. 

HIL 테스트는 일정, 비용, 안전성 및 성능 측면에서 상당한 이점이 있습니다. 일부 산업에서는 HIL 인증을 요구하는 경우도 있습니다. 이러한 이점은 시뮬레이션의 정확도, 하드웨어/소프트웨어에서 시뮬레이션을 구축하는 데 필요한 비용, 시간이 많이 소요되는 작업의 자동화 가능성, 테스트의 철저한 계획과 효율성에 따라 그 효과가 달라질 수 있습니다.

HIL 시뮬레이션의 주요 이점은 다음과 같습니다.

시간 단축

HIL은 다양한 방법으로 제품 개발 일정을 개선하는 데 도움이 됩니다. 그중에서도 가장 중요한 이점으로 HIL 테스트는 속도가 빨라 여러 테스트 벤치를 병렬로 실행하면서 24시간 내내 테스트할 수 있습니다. 개발 시간을 단축하는 또 다른 방법은 개발 초기 단계에서 HIL 테스트를 도입하는 것입니다. 그러면 문제를 조기에 식별할 수 있어 전체 생산 일정에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. HIL에서 지원되는 자동화 기능을 통해서도 테스트 수행에 필요한 시간을 단축할 수 있습니다. 무엇보다도 HIL을 사용하면 제품의 시장 출시 시간을 크게 단축할 수 있는 점이 중요합니다.

일반적으로 제품의 완전한 실물 프로토타입은 한정된 수량만 준비할 수 있으므로 동시에 수행할 수 있는 테스트의 수가 많지 않습니다. 하지만 HIL 테스트를 사용하면 엔지니어가 병렬로 더 많은 테스트를 실행할 수 있어 개발 주기를 크게 단축할 수 있습니다.

비용 절감

HIL을 통해 제품 개발 일정에 긍정적인 영향을 받으면 비용을 절감하는 데도 도움이 됩니다. 또한 이 테스트 기법은 확장성이 상당히 우수하므로 테스트를 많이 할수록 비용 효율성은 더욱 개선됩니다. 그 외에도 HIL을 사용하면 플랜트 최종 설계에 필요한 물리적 하드웨어와 소프트웨어 제작 비용을 없애거나 줄일 수 있습니다. 또한 여러 테스트 시나리오를 자동화할 수 있어 이에 필요한 노동력과 테스트 시간, 하드웨어 설정에 걸리는 시간도 줄일 수 있습니다.

일관성이 보장되고 재현 가능한 테스트

엔지니어가 일관되고 재현 가능한 방식으로 아이디어를 테스트할 수 있는 강력한 제어 알고리즘을 더 쉽게 개발할 수 있습니다. 통제되지 않고 예측할 수 없는 환경에서의 실제 테스트는 너무 많은 변동성을 초래할 수 있습니다.

최종 제품 테스트에서 통과율 개선

개발 프로그램에서 가장 비용이 많이 들고 생산 일정에 차질을 주는 단계는 바로 최종 인증이나 성능 테스트를 통과하는 것입니다. 테스트 프로세스에 SIL 테스트와 HIL 테스트를 모두 포함한다면 대부분의 실패 요인을 초기 단계에서 발견하고 수정할 수 있습니다.

안전한 테스트 환경에서의 안전성 검증

임베디드 시스템 소프트웨어로 제어되는 다양한 시스템은 안전 검증 테스트가 필수이지만, 대부분의 시스템은 여전히 안전한 환경에서 테스트할 수 없습니다. 예를 들어 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 테스트에서는 ADAS가 어떻게 반응하는지 확인하기 위해 자동차를 위험한 상황에 놓이게 합니다. 이런 테스트는 비용이 많이 필요할 뿐만 아니라 운전자에게 위험할 수 있고 차량이 파손될 수도 있습니다. 가상 구성 요소를 사용하는 HIL 테스트 및 자동화를 사용하면 비용을 절감하면서도 테스트 참여자가 겪을 수 있는 위험을 제거하고 시스템의 안정성을 검증할 수 있습니다. 

임베디드 시스템 소프트웨어로 장치를 제어하는 제품은 컨트롤러 설계 과정에서 HIL 테스트를 활용할 수 있습니다. 그러나 기업이 얻을 수 있는 효과는 산업에 따라 차이가 있을 수 있습니다. 일부 산업은 다른 산업과 비교해 위에 나열된 이점의 중요성이 더 클 수 있기 때문입니다. 다음은 HIL 테스트가 널리 사용되는 6가지 주요 산업입니다.

1. 자동차

소프트웨어 정의 차량(SDV) 설계가 증가세를 보이는 자동차 산업은 HIL을 가장 많이 사용하는 업계 중 하나입니다. 프로토타입이 준비될 때까지 걸리는 시간뿐만 아니라 실제 자동차를 사용했을 때 관련 테스트 비용과 안전성 문제를 고려하면 자동차 설계에 있어 HIL은 매우 중요한 부분을 차지합니다.

예를 들어, ADAS 시스템의 카메라 테스트에 HIL을 사용할 수 있습니다. Ansys AVxcelerate Sensors 소프트웨어 및 NI의 RDMA는 가상 자동차 카메라에서 원시 신호를 생성하고 이 신호를 카메라에 내장된 프로세싱에서 볼 수 있는 신호로 변환한 다음 하위 시스템의 출력을 ECU로 공급할 수 있습니다.

2. 항공 우주

항공 우주 분야용 제어 시스템 개발에 있어 가장 큰 과제로 뽑히는 세 가지는 엄격한 사양 준수, 하드웨어 제작 비용, 현장에서 실제 항공우주 모듈을 테스트하는 데 필요한 어려움과 비용입니다. 이러한 문제로 인해 업계에서는 HIL을 테스트 방법으로 선호하고 있으며 때로는 HIL 인증을 필수로 요구하는 경우가 많습니다. 항공 우주 분야에서 자율 주행 시스템의 도입은 HIL의 필요성을 증가시킬 뿐입니다.

3. 추진 및 발전

전기 시스템이나 기계 추진에 필요한 에너지를 생성하는 발전소는 임베디드 시스템 컨트롤러를 통해 이점을 확보할 수 있습니다. 이 응용 분야에서는 ECU가 센서를 사용해 작동 상태를 감지하고 명령을 전송하여 효율성과 신뢰성, 전력 생산력을 최적화할 수 있습니다. 이는 전력전자 기기에서 에너지를 생산하는 단순한 프로세스부터 천연가스 발전소의 오염 모니터링 및 최소화와 같은 복잡한 프로세스까지 다양하게 활용할 수 있습니다.

4. 산업용 기계 및 로봇공학

로봇공학을 비롯한 다양한 산업 장비를 활용하는 산업용 기계 제조업체와 제조 시설은 점점 증가하고 있으며, 이들은 생산 라인을 새로 구축하기에 앞서 HIL 시뮬레이션을 사용하여 기계나 제조 공정의 효율성을 최적화할 수 있습니다.

5. 의료 기기 및 의료 진단

의료 산업에서는 스마트 기기 사용이 증가하고 엄격한 안전 인증이 필요한 반면 실제 테스트는 쉽지 않기 때문에 HIL 테스트를 사용하는 개발팀이 점점 늘어나고 있습니다. 심장박동기나 인슐린 전달 기기와 같이 안전에 민감한 시스템에서는 설계 과정의 초기 단계 및 인증/검증 단계에서 HIL을 사용해 임베디드 소프트웨어를 점검할 수 있습니다.

6. 배터리 관리 시스템

HIL 테스트를 배터리 관리 시스템(BMS)에 적용하면 자동차, 항공 우주, 전력 생산 분야에서 배터리 개발을 가속할 수 있습니다. HIL 환경에서 BMS의 폐쇄 루프 검증을 활용하면 안전 기능과 성능 기능이 오류 없이 작동하도록 보장할 수 있습니다. CAE(Computer-Aided Engineering) 시뮬레이션을 통해 개발된 배터리 시스템 수준의 모델을 HIL 시스템과 통합하면 물리적 배터리를 나타낼 수 있습니다. 또한 이 모델을 물리적 배터리 시스템과 연결하면 과전압, 과전류, 과열 경고, 셀 밸런싱, 단락 반응, 또는 BMS로 관리되는 주요 이벤트 등 다양한 조건에서 BMS 성능을 검증할 수 있습니다.

수치 시뮬레이션 중에서도 Ansys의 다중 물리 소프트웨어에 포함된 도구 유형은 대부분의 HIL 시뮬레이션에서 중요한 역할을 합니다. 간단한 방정식이나 실험 데이터 조회에 필요한 정확도나 범위를 제공하지 못하는 경우, 또는 물리적 시뮬레이션을 사용하는 것이 가능하지 않거나 비용 면에서 효율적이지 않은 경우에는 수치 시뮬레이션이 해결책을 제시합니다.

수치 시뮬레이션의 장점은 정확성이 매우 높다는 점입니다. 또한 엔지니어가 이미 하드웨어 모델을 보유하고 있을 수 있으므로, 이 경우 팀은 시스템의 해당 모듈에서 제어 시스템이 미치는 영향을 포착할 수 있습니다.

HIL 연구에서는 가상 구성 요소를 다음과 같이 활용할 수 있습니다.

첨단 운전자 보조 시스템 및 자율주행 차량(AV)

ADAS/AV 솔루션 개발에서 HIL 테스트의 핵심은 다양한 상황에서 주행하는 차량을 모델링하고, 실제 센서를 정확하게 모방한 센서에서 전송된 입력 데이터를 이 모델과 결합하는 것입니다. 자동차 산업에서 엔지니어들이 임베디드 시스템 소프트웨어에 입력을 모델링할 때 Ansys AVxcelerate 솔루션과 같은 전체 디지털 모델링 툴 제품군을 사용하는 것도 바로 그런 이유에서입니다.

카메라 및 라이다(Lidar) 입력 모델링을 위한 Ansys AVxcelerate Sensors 소프트웨어나 헤드램프를 변경했을 때 운전자나 다른 차량, 보행자에게 실제로 어떻게 보이는지를 엔지니어가 확인할 수 있는 Ansys AVxcelerate Headlamp 소프트웨어가 좋은 예입니다.

통합

수치 시뮬레이션 모델이 제공된 입력값을 사용해 결과를 생성하면 그 생성 방식과 관계없이 결과를 HIL 시스템으로 전달해야 합니다. 이를 처리하는 간단한 방법 중 하나는 PyAnsys와 같은 스크립트 기능을 사용하여 Python 언어로 소프트웨어를 연결하는 것입니다. Ansys ModelCenter 소프트웨어나 Ansys Thermal Desktop(AEDT) 플랫폼과 같은 모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE) 도구를 사용하면 시스템 수준에서 실시간 동작을 정확하게 확인할 수 있습니다.

Mechanical 구성요소 모델링

HIL 시뮬레이션에서 일반적으로 추가되는 디지털 구성 요소에는 구성 요소의 구조적 거동, 열적 거동 또는 동적 거동을 나타내는 수치 솔버가 있습니다. Ansys Mechanical 소프트웨어와 같은 일반 도구나 다물체 동역학용 Ansys Motion 소프트웨어와 같은 특수 솔루션을 이 용도로 사용할 수 있습니다. 또한 엔지니어는 Ansys optiSLang 소프트웨어와 같은 도구를 사용하여 MBSE 시스템 모델에 삽입이 가능한 차수 감소 모델(ROM)을 만들 수 있습니다.

전자기 구성요소 모델링

임베디드 시스템 소프트웨어로 구동되는 다양한 시스템에서는 전자기 센서와 액추에이터가 중요한 역할을 합니다. 따라서 Ansys Maxwell 소프트웨어나 Ansys HFSS 소프트웨어처럼 빠르고 정확한 전자기 모델링 툴을 디지털 구성 요소로 플랜트에 통합하는 경우가 많습니다.

지금 Ansys 담당자에게 문의하여 업계 최고의 소프트웨어 솔루션이 어떤 도움을 드릴 수 있는지 알아보십시오.

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