[기획특집] Softing OPC UA와 IIoT 플랫폼 ThingSPIN (월간 계장기술 2017.07)

2017-07-25 10:28

월간 계장기술 2017년 07월호


4차산업혁명의 기반 : 데이터

4차산업혁명의 화두가 어느때보다 뜨겁다. 3차산업혁명을 만든 정보통신기술이 전산업분야에서 센싱기술과 빅데이터, 인공지능과 융합되면서 전방위적으로 현실화되고 있다. 알파고를 통해 인공지능의 현실적 적용을 목격하고, 포탈 및 통신업체들의 인공지능 비서서비스를 직접 경험하고 있다. 현재 체험하고 있는 기술의 발전 및 서비스는 모두 인터넷을 통해 수집된 데이터를 기반으로 하고 있다. 거의 모든 데이터는 인터넷상에서 생성되고 수집된 디지털 데이터라 할 수 있다. 여기에 더하여 다양한 센서들이 인간의 개입없이 데이터들을 생성하고 있다. 다만 이러한 데이터는 현재까지는 이용이 제한적이며, 폐쇄된 망에서 생성되고 있다. 특히 제조산업분야에서의 혁신은 이러한 독립적이고 제한적으로 운용되고 있는 데이터 및 정보를 IIoT(Industrial Internet of Things)기술을 활용하여 통합하고 분석 및 가시화하는 방향으로 전개되고 있다.

그동안 제조업은 PLC(Programmable Logic Controller) 및 임베디드PC 기반의 공정별 자동화를 통해 생산성향상을 달성할 수 있었다. 이러한 자동화는 PLC벤더사들마다 특화된 산업용 이더넷 프로토콜 EtherNet/IP, Profinet, CC-Link, POWERLINK, EtherCAT 등을 통해 수직계열화된 최적화된 시스템으로 구성되어있다.

현재 제조산업분야에서 진행되고 있는 스마트팩토리는 생산성, 효율성증대 및 에너지절감과 나아가 시장 및 소비자 요구에 즉각적으로 반응하는 지능화된 자율시스템으로 구성된 제조시스템을 구현하는데 있다.

따라서 각 공정별 시스템간의 데이터 통신 및 상위시스템과의 연동이 필수다. 이를 위해 OPC Foundation은 데이터 통합을 위한 산업용 프로토콜 OPC UA를 표준화하였으며, 실시간 데이터 통신 및 보안을 위한 표준 확장을 진행하고 있다.

또한 수집된 데이터를 통합하고, 데이터로부터 유의미한 정보를 처리하고, 분석하여 운용자 및 경영자가 의사결정에 활용할 수 있는 서비스를 제공하기 위한 다양한 플랫폼들이 소개되고 있다.

MDS테크놀로지는 ThingSPIN IIoT 플랫폼을 기반으로 매년 10월 Industrial IoT 컨퍼런스를 통해 스마트팩토리 구현을 위한 요소기술 및 구축사례를 발표해 오고 있다.


데이터 통합을 위한 산업 표준 OPC UA

OPC UA 는 IEC62541 표준으로 PLC 벤더사들로부터 독립적인 통신 프로토콜로 제정되었다. OPC UA의 가장 큰 특징은 기존 OPC classic과 달리 Intel, ARM, PPC 등 CPU Core 및 OS에 독립적인 아키텍처로, ANSI C/C++, .NET, Java 등 모든 프로그램 언어를 지원하고 있으며, 센서, 임베디드 디바이스, PLC, PC, 스마트폰 및 클라우드 등 플랫폼에 제약없이 모든 디바이스 및 시스템에서 구현이 가능하다. 따라서 OPC UA는 스마트팩토리 구현하는데 있어 일차적인 데이터 통합 및 시스템연동을 위한  핵심기술이다.

Title

Description

 Part 1:
 Overview and Concepts

 • Introduction of each of the OPC UA Specifications
 • Overview of the design, security, and scalability goals
 • Client/Server methodology used by OPC - Systems concepts of OPC, such as address-space, subscriptions, and  events
 • Introduction of the concepts behind the Services (interfaces)

 Part 2:
 Security Model

 • Introduction of the security objectives and identifying threats to OPC-based systems
 • Mitigation of identified threats
 • Overview of user-authentication and controlling access rights, application identification using digital certificates, auditing  user and system activities, availability of OPC systems (redundancy) and secure/encrypted message transmission

 Part 3:
 Address Space Model

 • The concepts of an address space, Node and Views
 • Detailed description of Nodes and References and how they are used to logically organize the address space
 • Detailed descriptions of node types, reference types, data-types, event types, and how they can be used for information  modelling

 Part 4:
 Services

 • The UA Services (interfaces) that Servers and Clients must use
 • Server and Client behavior expectations
 • Common data-types used by Service parameters.

 Part 5:
 Information Model

 • Introduction of each of the OPC UA Specifications
 • Overview of the design, security, and scalability goals
 • Client/Server methodology used by OPC, such as address-space, subscriptions, and events
 • Introduction of the concepts behind the Services (interfaces)

 Part 6:
 Mappings

 • Data encoding/decoding overview and rules for standard data-types and for complex data-types and objects
 • Securing OPC UA messages for secure conversations
 • Security validation rules
 • Transport protocol mappings: UA TCP, SOAP/HTTP, and HTTPS

 Part 7:
 Profiles

 • Concepts of Profiles and conformance units
 • UA Server and UA Client categories for behavior, functionality supported, and supported security
 • Detailed descriptions of required behaviors and optional behaviors for each Profile, including nested Profiles

 Part 8:
 Data Access

 • Overview and concepts of Data Access and its evolution from the OPC Classic Data Access specifications.
 • Information model description and behavior rules of data-types
 • Address-space organization
 • Description and rules of the PercentDeadband behavior
 • Detailed description of error codes that are specific to this specification

 Part 9:
 Alarms and Conditions

 • Overview and concepts of Alarms & Conditions and its evolution from the OPC Classic A & E specification
 • Information model description and behavior rules, each data type, and expected behaviors
 • Address-space organization

 Part 10:
 Programs

 • Concepts of a Program, and where they can be used, life-times, and state
 • Information model description and behavior rules including program types, causes and effects, parameters, and return  codes
 • Implementation of diagnostics
 • Example Program implementations

 Part 11:
 Historical Access

 • Overview and concepts of history for data and events, and its evolution from OPC Classic HDA
 • Information model description and behavior rules for nodes and each data-type and event
 • Detailed descriptions of behavior for creating, retrieving, updating, and deleting archived data and/or annotations/notes.
 • Detailed descriptions for security including access rights and auditing

 Part 12:
 Discovery

 • The discovery process
 • Local Discovery Server (LDS) concepts & Global Discovery Server (GDS) concepts
 • Certificate Management for Push and Pull methods
 • Deployment and Configuration

 Part 13:
 Aggregates

 • The concepts of an aggregate and where they can and should be applied to generic applications and Historians
 • Detailed descriptions and behavior requirements of all 37 aggregates
 • Information model description and behavior rules for each data type
 • Extensive library of reference material showing examples of queries and results for each aggregate

 Part 14:
 PubSub

 • a general introduction of the concepts,
 • a definition of the PubSub communication parameters,
 • a PubSub configuration information model, and mappings to messages and protocols

 

Softing OPC UA 개발킷

디바이스 및 시스템개발자와 응용서비스 개발자들이 스마트팩토리 구현을 위한 OPC UA 서버를 탑재한 디바이스의 개발 및 OPC UA 클라이언트를 내장한 응용을 쉽게 개발할 수 있도록 소프팅사는 OPC UA 개발툴킷을 제공하고 있다.

소프팅사는 필드디바이스 및 콘트롤러와 시스템간의 산업용 통신 스택 전문회사로 데이터통합, 네트워크진단, 설비자산관리, 산업자동화 분야에서 30년이상 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션을 공급해 오고 있다. OPC Foundation 창립 멤버로 표준화 및 스택구현과 개발툴을 공급하고 있으며, C++, .NET, Java 용 OPC UA 개발툴킷을 공급하고 있다.


OPC UA C++ Development Toolkits
  • OPC UA C++ Server & Client Toolkit for Windows
  • OPC UA C++ Server & Client Toolkit for Linux
  • OPC UA C++ Server & Client Toolkit for VxWorks
OPC UA .NET Development Toolkit
  • OPC UA .NET Server & Client Toolkit for Windows
OPC UA Java Development Toolkit
OPC UA embedded Toolkit
  • ANSI C standard and features a low memory footprint

 


지난 17년 4월 하노버 메세에서 소형 스마트센서 및 제한된 리소스를 가진 필드 디바이스 등 임베디드시스템에 OPC UA서버를 구현할 수 있는 ANSI C 표준의 개발 툴 킷을 발표했다.
클라이언트/서버 통신을 위한 서비스 기능 개발뿐만 아니라 OPC UA v1.04(RC) 사양의 퍼블리셔 기능과 나노 임베디드 디바이스 서버 프로파일(Nano Embedded Device Server Profile) 보안 기능을 지원한다. 개발자는 툴킷을 활용하여 개발 프로젝트의 시장 출시시기를 크게 단축할 수 있다.

     



Softing  OPC UA 게이트웨이

소프팅의 dataFEED OPC Suite는 OPC 및 IoT 클라우드 통신을 위한 모든 구성요소들을 단일 제품에 통합하고 있다. REST, MQTT, OPC UA를 통합 지원하여 현장에 운용되고 있는 장비 및 신규로 설치하는 디바이스를 Microsoft Azure, IBM의 Bluemix, SAP Hana cloud와 같은 IoT 클라우드 솔루션에 쉽게 연동할 수 있도록 해준다. 지능적이고 실용적인 기본 설정 방식과 직관적인 사용자 가이드를 제공하는 사용자 인터페이스는 시스템 엔지니어 및 최종 고객들이 빠르고, 데이터 통합 솔루션을 구현할 수 있도록 해준다.
또한 소프팅의 echocollect 게이트웨이는 별도의 하드웨어 없이 기존 시스템 및 장비의 프로세스 데이터를 클라우드 솔루션에 보다 간단하고, 안정적으로 통합할 수 있도록 지원한다.



탁월한 유연성과 성능을 지원하는 echocollect 게이트웨이는 대규모 시스템에서도 프로세스 데이터를 통합하는데 적합하며, 시스템 엔지니어 및 사용자들은 유지관리 비용을 낮추고, 견고하면서도 안정적인 동작의 혜택을 얻을 수 있다.
산업분야에 최적화된 게이트웨이인 echocollect는 복잡한 시스템이나 여러 다중 장비에서도 프로세스 데이터를 통합할 수 있는 확장 솔루션을 제공하며, MQTT 퍼블리셔 기능과 OPC UA 서버를 통해 ERP, MES, SCADA의 데이터를 이용할 수 있다. 또한 양방향 데이터베이스 연결, 컨트롤러에서 심볼 가져오기, 이력추적을 위한 로컬 데이터 로깅 등의 기능들도 제공한다.

   


OPC UA 보안 게이트웨이 VIPER

MDS테크놀로지는 통신보안 전문업체 나온웍스와 협력하여 Softing OPC UA 스택을 탑재한 보안 게이트웨이를 최근 출시했다. 다양한 산업용 Legacy 통신 프로토콜들을 보안성이 강화된 OPC-UA 산업용 표준 프로토콜로 변환하여 모든 산업 공정 데이터에 대한 통합관리 및 제어기능을 제공하고 보안이 고려되지 않은 HMI/SCADA 프로토콜에 대한 위변조 데이터를 감시/차단한다. VIPER는 기존 산업용 시스템의 변경 없이 프로토콜변환 및 보안기능을 제공하여 시간 및 비용 부담을 최소화 할 수 있고 ThingSPIN IIoT플랫폼과 연동하여 산업용 제어 프로토콜별 트래픽 및 보안 이벤트 수집 가시화함으로써 스마트팩토리의 취약한 보안을 강화할 수 있도록 지원한다.
     


스마트팩토리 기반 플랫폼 ThingSPIN®

ThingSPIN®은 MDS테크놀로지가 스마트공장에 특화하여 개발 출시한 IIoT플랫폼으로, 데이터의 실시간 수집과 저장, 가시화를 통해 설비모니터링, 생산공정감시, 에너지 관리 등의 산업용 IoT 서비스를 구축하기 위한 기반 플랫폼이다.

다양한 산업용 프로토콜 기반의 데이터 이외에 신규로 추가되는 센서 및 임베디드 디바이스와 데이터를 교환할 수 있는 다양한 데이터채널을 제공하며, 사용자가 원하는 응용서비스 및 분석데이터의 대시보드를 용이하게 개발 하고 운용할 수 있는 기능을 제공한다.

산업현장에 독립적이고 제한적으로 운용되고 있는 다양한 산업 장비와 통신을 위한 표준 프로토콜(OPC UA)를 지원하고, 실시간 이벤트 저장 및 스트리밍을 동시에 지원한다. PLC이외에 임베디드 디바이스 및 스마트센서 등 IoT디바이스와의 통신을 위한 유연한 데이터 파이프라인를 제공하며외부시스템과의 데이터 교환 및 저장을 위한 다양한 Database 연동 기능을 가지고 있다. 또한 빅데이터 및 머신러닝을 통한 예지분석과 차트, 그래프, 표, 반응형 SVG 에니메이션 등 실시간 데이터 및 분석데이터의 가시화를 지원하여, 단시간 내에 손쉽게 공장별 특화된 스마트팩토리를 구현할 수 있다.


플랫폼 기능도

시스템 구성도




데이터 통합 기능

- OPC UA 서버로부터 다양한 산업용 제어기의 데이터를 수집

- 다양한 포맷의 데이터를 쉽게 수집

- 데이터의 발생 빈도와 양을 고려한 서버 스케일 조절 가능

- Simple Value, Key/Value, CSV Type, JSON 등 범용 데이터 포맷 지원

- 수동형 데이터 수집은 물론 능동형 데이터 수집도 가능 (HTTP/S, JDBC 등)

- MQTT 지원으로 센서 데이터 수집 가능

- “ThingSPIN® Workbench”를 통해 데이터의 수집과 분배 채널 설정





양방향 디바이스 관리 및 UI저작 기능

- 원격 제어 명령과 데이터 수집을 동시에 실행하는 양방향 통신 기능

- 통신 데이터 타입 디자인 기능과 단말기 일련번호 관리 기능

- 디바이스 레시피와 디바이스 목록 관리 기능

- 양방향 디바이스는 UI 저작 도구로 제어 및 데이터 수집 확인 가능

- UI(맵) 간 이동을 위한 Map Link 위젯 제공

- 양방향 단말기 프로그램 개발을 위한 Edge SDK 생성/다운로드 기능 제공

- 서비스 개발자가 쉽고, 빠르게 연동 기능을 시험 하기에 적합




시각화 기능 : 대시보드

- 시계열(Time-series) 데이터의 집계 및 가시화를 위한 그래프

- 히스토그램, 파이차트, 단일 상태, 히트맵, 지도 등을 통한 다양한 UI 생성

- 경고 규칙(Alert Rule) 편집으로 UI없는 채로 경고 알림 기능

- 마우스 드래그를 통한 줌인/아웃(Zoom-In/Out) 가능

- Markdown과 상태 변수를 이용한 사용자 UI 저작 기능

- HTML 삽입을 통한 외부 어플리케이션 통합 기능 (매쉬업)

- 조건 선택/입력에 따라 다이나믹한 그래프 드로잉

- 마우스 위치 공유로 여러 그래프에서 동일 조회 시점 데이터 표시

- 연관 상세 페이지로 이동 메뉴 추가 가능

- 평균값, RMS, 누적합, 최대/최소, 백분율, 표준편차 등 다양한 통계 함수 지원

- R 프로그래밍 기반 연산 수행을 통한 데이터 분석 기능

 
제품군

Functional Category

Module

Starter

Basic

Standard

Pro

Enterprise

ThingSPIN Workbench

 Dashboard Editor

O

O

O

O

O

 Trend Graph Panel

O

O

O

O

O

 Data Table Panel

O

O

O

O

O

 Single Data Value Display Widget

O

O

O

O

O

 Markdown/HTML Widget

O

O

O

O

O

 Clock Widget

O

O

O

O

O

 Alert List Panel

O

O

O

O

O

 Gage Widget


O

O

O

O

 Pie chart Widget



O

O

O

O

 Data In/Out Channel Editor





O

O

O

 Bi-directional Device Manager







O

O

 Bi-directional Device SDK Generator







O

O

 Bi-directional Device Dashboard  Editor







O

O

 Histogram Widget





O

O

O

 Geo Map Widget





O

O

O

 Logo branding









O

Data Input Channel

 Simple value TCP channel

 



O

O

O

 Key/Value TCP channel





O

O

O

 CSV Type multi value TCP channel





O

O

O

 Simple JSON TCP channel





O

O

O

 HTTP REST Puller







O

O

 MQTT







O

O

 Kafka







O

O

 JDBC RDB Record Connector







O

O

Database

 InfluxDB

O

O

O

O

O

 Elasticsearch





O

O

O

 MySQL, MariaDB (RDB)







O

O

 Cassandra (with Bi-directional Device)









O

 Redis









O

OPC UA Client

 Linux version





O

O

O

 Windows version







O

O


데이터기반 스마트팩토리 구축

스마트팩토리 구현은 공장내 데이터의 통합으로부터 시작된다. 데이터를 수집하고 의미있는 정보를 가시화하여 경영에 활용함으로써 경쟁력을 확보하는 것이다. 신규공장의 경우는 스마트공장을 위한 설비 및 시스템을 설계할 수 있다. 문제는 기존 공장의 스마트화를 어떻게 달성할 것인가이다. 기존 공장의 경우 단계별 목표를 설정하고 구축하는 것이 현실적인 접근방안이다. 무엇보다도 기존 공장의 스마트공장화 시작은 설비모니터링의 고도화에 있다. 설비별로 운영되던 단순 모니터링시스템을 통합하고, 설비상태, 공정, 품질 등을 통합적으로 예지분석할 수 있는 플랫폼 도입이 첫 단계이다.

따라서 플랫폼은 도입이후 신규로 추가되는 디바이스 및 설비를 쉽게 등록하여 데이터를 취득할 수 있는 다양한 데이터 채널 및 디바이스 등록 관리기능을 갖추고 있으며, 응용 서비스를 쉽게 추가, 변경, 신규개발할 수 있는 레이어를 제공하고, 유연하게 확장(Scale Out)할 수 있는 구조로 선정하는 것이 중요하다.

IIoT플랫폼의 확장성은 공장내 스마트화를 기반으로 생산하는 제품의 사후관리 시스템으로 확장함으로써 안정적인 신규 서비스를 창출할 수 있다. 공장내 설비에 대한 모니터링뿐만 아니라 고객현장에 공급한 제품 및 설비에 대한 모니터링 서비스를 통해 사업 모델을 확장할 수 있다.

데이터기반의 공장운영을 위한 스마트팩토리 구축은 제조산업의 경쟁력확보를 위한 필수가 되고 있다.


MDS테크놀로지㈜ IoT사업부


월간 계장기술 07월호 바로가기