[첨단 헬로티]
OPC UA 기술은 상호운용성이라는 테마를 가지고 있다. 상호운용성은 OT에서는 매우 중요하다. 왜냐하면 국제표준을 지키는 장비 간에도 데이터 포맷이 다르고 규격이 달라서 통신이 안 된다. 그런 문제를 해결하고자 OPC UA라는 기술이 나왔다. 하지만 산업용 네트워크로 쓰이려면 반응 시간을 좀 더 줄여야 하는 등 과제도 남아 있다. 스마트 공장 장비의 5G 인터페이스를 위한 OPC UA 기술에 대해 지난 11월 27일 열린 ‘스마트팩토리 & 5G 기술’ 세미나에서 KETI 신중호 책임이 강연한 내용을 정리했다. [편집자 주]
▲ KETI 신중호 책임은 “OPC UA 기술은 상호운용성을 위한 표준 기술이지만 산업용 네트워크로 쓰이려면 반응 시간을
좀 더 줄여야 하는 등 과제도 남아 있다”고 말했다.
OPC UA를 정의 내리면 오픈 플랫폼 커뮤니케이션 유니파이드 아키텍처(Open Platform Communication Unified Architecture)이다. 즉, 필드 레벨, 컨트롤 레벨, 오퍼레이션 레벨, 매니지먼트 레벨, 클라우드 레벨까지 서로 데이터를 주고받아서 전체 데이터를 같이 사용할 수 있게 하겠다는 것이 OPC UA의 개념이다.
OPC UA의 개념
현재 OPC UA는 IEC62541의 표준으로 등재되어 있다. 특징을 보면, OPC(OLE for Process Control)까지는 1세대라고 한다. 1세대 OPC 표준은 MS의 OLE 기술을 기반 클라이언트와 서버 사이에서 통신과 데이터 변환을 위한 산업 표준 메커니즘을 제공했다. 2세대 OPC UA로 오면서 인텔이나 ARM, OS, 윈도, 리눅스, 여러 가지 오픈 소스까지 지원하게 됐고 닷넷(.Net), 자바(Java), 파이썬(Python) 등 여러 프로그래밍 언어까지도 지원하게 됐다. 그래서 랩탑이나 태블릿, PLC, 스마트폰 등 다양한 도메인에서 OPC UA를 사용할 수 있게 됐다.
OPC UA는 기본적으로 서버 클라이언트 방식의 구조를 가진다. 맨 밑의 센서단, PLC단이 서버로 돌아가게 되고, 서버로 돌아가게 되면 윗단의 서버에서 준비된 데이터를 가져가는 구조이다. 그래서 데이터 모델링, 데이터 엑세스, 이벤트, 알람 앤 컨디션, 히스토리컬 엑세스의 5가지 기능을 OPC UA에서는 지원하고 있다.
상호운영성을 위해 나온 또 다른 국제표준이 AutomationML이다. 공장에는 다양한 기기 및 엔지니어링 운용에 필요한 다른 종류의 소프트웨어 툴이 사용된다. 그러다보니 각 엔지니어링의 요구사항, 데이터 형식, 데이터 교환 방식이 다르게 되고, 서로 다른 데이터 형식으로 인하여 각 엔지니어링 연동 시 문제가 발생하게 된다. 공동 데이터 형식이 필요한 이유이다.
AutomationML은 ‘Automation Markup Language’의 약자로, 다양한 엔지니어링 툴 환경에서 상호 연결을 위한 언어라고 정의되어 있다. 서로 같은 얘기를 하고 있지만, 서로 표현하는 방식이 달라서 이해 못하는 것을 AutomationML로 엮어서 서로 이해할 수 있도록 하겠다는 것이다.
특징을 보면, 여러 도메인에서 오토메이션을 확장해서 사용할 수 있다. 그리고 개방적으로 정보를 표현하고 있다. 이것을 표현하는 방식은 AutomationML이라는 특정 데이터 타입을 가지고 있는 게 아니라 어떤 언어로 어떤 데이터 포맷을 쓰니까 이것을 이해하라는 설명을 매우 자세하게 담고 있다.
OPC UA의 구성 모델
OPC UA와 AutomationML의 일반적인 구성 모델을 보면, 맨 밑단에서부터 △필드 디바이스 △OPC UA 서버 △집산(Aggregation) 서버 △애플리케이션으로 이루어져 있다.
공장에는 여러 가지 센서나 액추에이터, PLC 등이 있을 수 있는데, OPC UA를 적용해보고 싶을 경우 대상만 선정하면 된다. 그 대상이 OPC UA를 지원하든 지원하지 않든 간에 OPC UA 서버를 거기에 설치해야 한다. OPC UA 서버는 실제 디바이스를 인터페이스로 연결해서 데이터를 패싱하고 모델링하고 관리하여 OPC UA 클라이언트가 데이터를 가져갈 수 있게 환경을 제공한다. 집산(Aggregation) 서버는 OPC UA 서버가 많을 경우에 클라이언트가 일일이 다 서버에 접속해서 데이터를 가져가는 것보다 게이트웨이 역할을 한다고 보면 된다. 게이트웨이에 접속해서 데이터를 가져가면 OPC UA의 A, B, C에 있는 데이터를 한꺼번에 가져갈 수 있다.
OPC UA는 지금까지 상호운용성을 위해 많은 역할을 해왔다. 산업용 이더넷에서 서로 데이터를 주고받는다는 자체가 혁신적이었음에도 불구하고 아직 과제도 남아 있다.
예를 들어, 공장에서 사용하려면 10ms 이하의 반응 시간을 가져야 하는데, OPC UA를 적용하는 순간 데이터를 보내는데 10ms~30ms의 반응 시간이 걸린다. 크리티컬한 데이터를 주고받기에는 부족하다. 그래서 지금까지의 OPC UA는 제어보다는 공장의 데이터를 모니터링하는 데 주로 사용됐다. OPC 파운데이션에서는 고민 끝에 OPC UA의 단점을 보완한 OPC UA PubSub을 만들었다.
OPC UA 보완 기술
OPC UA PubSub은 고속 데이터 스트리밍(UDP)이 가능해 실시간성 확보로 확장이 가능하며, AMQP(Advanced Message Queuing Protoco) 및 MQTT(Message Queue Telemetry Transport)와의 클라우드 연결성도 제공한다.
OPC UA가 UDP를 사용해서 데이터의 반응 시간을 줄였지만, 산업용 네트워크로 쓰이려면 조금 더 빨랐으면 하는 아쉬움도 있었다. 그래서 TSN을 적용하기 시작했다. TSN은 실제 레이어 2에서 1ms 이하 반응 시간을 갖는다.
OPC UA 파운데이션의 최종 목표는 TSN을 국제표준화하겠다는 것이다. 현재 TSN에 대한 여러 가지 비즈니스 모델, 인포메이션 모델 등을 작업 중에 있다. TSN이 2021년 표준화가 완료되면 무선은 5G, 유선은 TSN으로, OPC UA PubSub으로 데이터를 보냈을 경우에 1ms 정도의 반응 시간을 가지고 실시간으로 제어와 모니터링이 가능한 환경을 구축할 수 있다.
실제로 독일 프라운호퍼 연구소에서는 OPC UA TSN을 이용한 프로토 타입을 만들어 전시회에서 데이터 모니터링과 제어가 가능하다는 것을 보여줬다.
결론적으로, OPC UA의 단점을 보완하기 위해서는 3가지 기술들이 필요하다.첫째, OPC UA PubSub에 대한 핵심기술 개발이 필요하다. 여기에는 데이터 수집 기술, 전달 관리 기술, 데이터 처리 기술, 이 3 가지가 OPC UA PubSub의 가장 필요한 기술이긴 하지만, 특히 5G와 연결되는 기술에 있어서는 데이터가 실시간적으로 처리되어야 5G에 적용될 수 있다.
둘째, TSN 기술이 필요하다. 스마트공장에 5G를 사용하더라도 분명히 유선으로 연결되는 구간이 있다. 유선으로 연결되는 구간에서는 오히려 유선이 버팀목이 될 수 있기 때문에 기존 산업용 이더넷을 5G와 연동시키기 위해서는 TSN 기술이 필요하다. 그리고 그것을 테스트할 수 있는 환경과 테스트베드 구축도 필요하다.
마지막으로 응용기술이다. 지금까지는 공장의 데이터를 외부에 오픈을 안 하려고 했다. 지금도 해결해야 할 과제 중의 하나인데, 공장의 데이터를 오픈하면 누군가가 그것을 분석해줘서 오히려 효율적인 공장 운영이 가능해질 수 있다. 이를 위해서는 데이터를 모아서 분석할 수 있는 클라우드 연계 분석기술이 필요하다.
