KR102351853B1 - Opc ua 발행/구독 모델 기반 부품 제조 공정 장비 시스템의 고도화 운용 방법 - Google Patents

Opc ua 발행/구독 모델 기반 부품 제조 공정 장비 시스템의 고도화 운용 방법 Download PDF

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Abstract

다양한 부품 제조 공정 장비에서 발생하는 데이터를 산업용 표준 통신 기술인 OPC UA 데이터 모델링을 수행하고, 비연결성 데이터 교환 모델인 발행/구독 방식의 시스템을 구축하여 전체 시스템 관리를 스마트화 할 수 있는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 공정 장비 정보 관리 방법은 공정 장비에서 발생하는 데이터를 OPC UA 데이터로 모델링하는 단계; 모델링된 OPC UA 데이터를 발행 메커니즘으로 발행하는 단계;를 포함한다.
이에 의해, 다양한 부품 제조 공정 장비에서 발생하는 데이터를 산업용 표준 통신 기술인 OPC UA 데이터 모델링을 수행하고, 비연결성 데이터 교환 모델인 발행/구독 방식의 시스템을 구축하여 전체 시스템 관리를 스마트화 할 수 있게 된다.

Description

OPC UA 발행/구독 모델 기반 부품 제조 공정 장비 시스템의 고도화 운용 방법{Advanced Operation Method based on OPC UA Publish/Subscription Model for Component Manufacturing Equipment System}
본 발명은 공정 장비 시스템의 운용 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 많은 양의 데이터와 다양한 부품 제조 공정 장비를 모니터링 해야 하는 산업 현장에서 효율적으로 전체 시스템을 관리하기 위한 방법에 관한 것이다.
오늘날 부품 제조를 포함한 모든 제조 분야에서 스마트 제조 혁신 트렌드에 따라 많은 수의 필드 디바이스, 센서 등이 시스템의 구성요소로써 동작하고 있다. 이와 같은 많은 수의 필드 디바이스를 효율적으로 관리하기 위한 기술 개발의 요구가 증대되어 왔다.
특히 비표준 통신 규격을 채택한 기존의 OT 레벨의 필드 디바이스와 SCADA, ERP 등의 IT 레벨의 어플리케이션과 연동하기 위한 통신 프로토콜이 다양했기 때문에 시스템 통합을 위한 어려움이 있어 왔다. 이에 OT 레벨부터 IT 레벨까지 유연한 연동이 가능한 통신 표준의 요구가 증대되어 왔다.
이와 같은 요구에 따라서 등장한 OPC UA 서버-클라이언트 모델은 적은 양의 데이터를 전달하는 OT-IT 레벨간의 시스템 통합에는 매우 적합하다. 그러나 TCP 상에서 동작하는 OPC UA 서버-클라이언트 모델은 연결 유지를 이용한 요청-응답 방식이기 때문에 많은 수의 데이터, 장치를 수용해야 하는 경우 안정성에 문제가 발생한다.
본래 IoT 분야와 같이 많은 장치에서 데이터를 수집하고 전송해야 하는 시스템에서는 MQTT, AMQP, CoAP 등 Message 방식의 경량화 된 프로토콜을 사용해 왔다. 이에 네트워크 대역폭이 제한적인 IIoT 분야의 M2M 연결을 위해서 Message Middleware 방식의 데이터 교환 방식을 적용하고자 하는 노력이 계속되어왔다.
현재 제조업 분야는 방대한 양의 정보가 발생하고 있다. 이에 데이터를 제공하는 서버와 데이터를 제공받는 클라이언트의 경계가 모호해지게 되었고 시스템이 상황에 따라 유동적으로 데이터를 읽고 쓰는 역할을 수행해야 하는 필요성이 증대되고 있다.
공개특허공보 제10-2018-0116793호(2018.10.26)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다양한 부품 제조 공정 장비에서 발생하는 데이터를 산업용 표준 통신 기술인 OPC UA 데이터 모델링을 수행하고, 비연결성 데이터 교환 모델인 발행/구독 방식의 시스템을 구축하여 전체 시스템 관리를 스마트화 할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 공정 장비 정보 관리 방법은 공정 장비에서 발생하는 데이터를 OPC UA 데이터로 모델링하는 단계; 모델링된 OPC UA 데이터를 발행 메커니즘으로 발행하는 단계;를 포함한다.
발행 단계는, 모델링된 OPC UA 데이터들 중 발행할 데이터를 DataSet을 만들고 NetworkMessage를 생성하여 UDP Multicast Group에 일정한 주기로 NetworkMessage를 전송하는 것일 수 있다.
게재 단계는, UDP Multicast Group에 가입되어 있는 Subscriber에게 전달하는 것일 수 있다.
Subscriber는, 발행한 NetworkMessage 내의 DataSet 중 활용하고자 하는 NetworkMessage의 DataSet을 필터한 후 데이터를 읽어가는 것일 수 있다.
DataSet은, 데이터 노드 식별자 정보, DataSet 식별자, TimeStamp을 포함할 수 있다.
NetworkMessage의 헤더에는, Publisher 식별자, TTL 설정 값, UDP Multicast Group의 주소, Message 전송 주기를 포함할 수 있다.
공정 장비에서 발생하는 데이터는, 각기 다른 프로토콜의 데이터일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 공정 장비에서 발생하는 데이터를 OPC UA 데이터로 모델링하고, 모델링된 OPC UA 데이터를 발행 메커니즘으로 발행하는 Publisher; 및 발행된 OPC UA 데이터를 구독 메커니즘으로 구독하는 Subscriber;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 시스템이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 다양한 부품 제조 공정 장비에서 발생하는 데이터를 산업용 표준 통신 기술인 OPC UA 데이터 모델링을 수행하고, 비연결성 데이터 교환 모델인 발행/구독 방식의 시스템을 구축하여 전체 시스템 관리를 스마트화 할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 실시예들에 따르면, N:N 통신 환경을 제공함으로써 속도 향상을 비롯하여 실시간 적용이 가능하며, Message 방식의 데이터 교환을 통한 다양한 프로토콜과의 상호 호환성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 OPC UA 발행/구독 기반 부품 제조 공정 장비 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 OPC UA Publisher 구성,
도 3은 NetworkMessage 구조,
도 4는 UDP Multicast Group 네트워크 메커니즘,
도 5는 OPC UA Subscriber 구성, 그리고,
도 6 및 도 7은 OPC UA 발행/구독 모델 기반 부품 제조 공정 장비 시스템의 동작 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는, 많은 양의 데이터와 다양한 부품 제조 공정 장비를 모니터링 해야하는 산업 현장에서 효율적으로 전체 시스템을 관리하기 위한 방안으로, OPC UA 발행/구독 모델 기반 부품 제조 공정 장비 시스템의 고도화 운용 방법을 제시한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 다양한 부품 제조 공정 장비에서 발생하는 데이터를 산업용 표준 통신 기술인 OPC UA 데이터 모델링을 수행하고, 비연결성 데이터 교환모델인 발행/구독 방식의 시스템을 구축하여 전체 시스템 관리를 스마트화 할 수 있는 방법을 제시한다.
본 발명의 실시예에 의해, 비연결성 모델에 따른 N:N 통신이 가능한 시스템을 구축할 수 있고, 다양한 메시징 프로토콜과의 상호 호환성을 향상시킬 수 있으며, UDP 멀티캐스트 기반의 데이터 전송을 통한 실시간성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 OPC UA 발행/구독 기반 부품 제조 공정 장비 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 부품 제조 공정 장비 시스템은, 부품 제조 생산라인에 있는 분산된 구조의 부품 품질검사 장비 시스템으로부터 발생하는 방대한 양의 데이터 운용에 있어, 분산된 OPC UA 플랫폼과 데이터를 활용하고자 하는 클라이언트가 많을 경우 비연결성에 따른 속도를 향상 시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 부품 제조 공정 장비 시스템은 여러 공정 장비(10)가 구성요소로써 동작한다. 특히 각 공정 장비(10)는 특정 역할을 반복수행하며 비전 장비, 열화상 카메라, 환경 센서, 모바일/협업 로봇 등이 해당된다. 이와같은 공정 장비(10)는 분산된 구조를 가지며 다양한 형태의 데이터를 발생시킨다.
이와 같은 데이터를 통합 관리하기 위해서 산업용 통신 표준인 OPC UA 플랫폼과 연동한다. OPC UA 플랫폼과의 연동을 위해서는 OPC UA 데이터 모델링이 요구되며, 공정 장비로부터 발생한 데이터를 활용해서 OPC UA 타입의 형태로 구조화 및 체계화 한다.
이와 같이 모델링된 OPC UA 정보 모델은 데이터 게재를 위한 Publisher 구성에 활용된다. OPC UA Publisher(100)는 모델링된 OPC UA 정보 모델 중 게재할 데이터를 수집하여 DataSet을 만들고 NetworkMessage를 생성하여 UDP Multicast Group에 일정한 주기로 NetworkMessage를 전송한다.
이와 같은 OPC UA Publisher(100)의 메커니즘을 게재 또는 발행이라고 하며 UDP Multicast Group에 가입되어있는 장치 및 어플리케이션(300)의 OPC UA Subscriber(200)는 이 NetworkMessage를 수신할 수 있다.
만약 OPC UA Publisher(100)가 게재한 NetworkMessage 내의 DataSet를 활용하고자 하는 OPC UA Subscriber(200)는 수신한 NetworkMessage의 DataSet을 필터한 후 데이터를 읽어가고, 그렇지 않은 경우 NetworkMessage를 폐기하며 이와같은 OPC UA Subscriber 메커니즘을 구독이라고한다.
분산된 공정 장비에서 발생한 데이터 기반의 OPC UA 데이터 모델링을 활용해서 OPC UA Publisher(100)를 구성하는 과정을 도 2에 도시하였다.
분산된 공정 장비와 OPC UA 플랫폼은 여러 형태로 인터페이스 되며 다양한 프로토콜을 이용하여 데이터를 수신한다. 특히 OPC UA 플랫폼 구성을 위해서 필수적으로 요구되는 사항은 OPC UA 데이터 모델링 작업이며, 수신된 데이터를 활용해서 OPC UA 규칙에 따라 트리 구조 형태의 OPC UA 정보 모델을 구성하게 된다.
모델링된 정보 모델의 각 데이터는 노드라고 명명하고 고유의 식별자를 갖으며 이를 기반으로 OPC UA Publisher(100)를 구성한다. OPC UA Publisher(100)가 구성된 OPC UA 플랫폼은 모델링 된 OPC UA 정보 모델을 통해서 공정 장비 데이터와 연동이 이루어지고 다양한 데이터를 게재할 수 있는 환경이 구축된다.
좀 더 상세하게는, OPC UA Publisher(100)는 OPC UA 정보 모델로부터 게재 하고자 하는 데이터 노드를 수집한다. 이와 같이 수집된 데이터 집합 단위를 DataSet이라 명명하고 수집 된 데이터 노드 수만큼 DataSet을 구성한다.
DataSet은 일종의 데이터그램 필드이며 수집된 데이터 노드 식별자 정보, DataSet 식별자, TimeStamp 등의 정보를 포함한다. 다수의 DataSet은 NetworkMessage의 Payload로써 구성된다.
특히 NetworkMessage의 헤더에는 Publisher 식별자, 네트워크 링크 상에서 데이터 패킷이 표류하지 않도록 TTL(TimetoLive) 설정 값, UDP Multicast Group의 주소, Message 전송 주기 정보를 포함한다.
특히 UDP Multicast Group의 주소 정보의 경우 클래스D에 속하는 IP 주소를 말하며, 주소범위는 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 이다. 도 3에는 NetworkMessage의 헤더와 Payload에 포함 된 정보를 도시하였다.
OPC UA Publisher(100)는 위와같은 NetworkMessage를 설정 된 PublishingInterval에 따라서 주기적으로 UDP Multicast Group 네트워크에 전송한다. NetworkMessage를 수신하고자하는 OPC UA Subscriber(200)는 UDP Multicast Group에 가입해야한다. 이는 주변 라우터에 Multicast Group 멤버임을 알린다는 의미이며 라우터는 OPC UA Subscriber에게 NetworkMessage를 전달한다. 도 4에 UDP Multicast Group 네트워크 메커니즘을 도시하였다.
좀 더 상세하게는, OPC UA Publisher(100)는 UDP Multicast 주소 범위 중 특정하여 NetworkMessage를 주기적으로 게재한다.
이와 같은 NetworkMessage는 주변 라우터에게 전달이되고 라우터는 Multicast Gorup에 가입되어 있는 OPC UA Subscriber(200)를 찾는다. 라우터는 가입된 OPC UA Subscriber(200)를 찾기 위해서 IGMP를 Query하고 가입된 OPC UA Subscriber(200)는 응답하게 된다.
이에 따라 라우터는 라우팅테이블에 해당 OPC UA Subscirber(100)의 전송 경로를 구성한다. OPC UA Subscriber(200)는 OPC UA Publisher가 특정한 Multicast IP에 가입을 하고 자신을 알리면 라우터가 해당 OPC UA Subscriber(200)에게 NetworkMessage를 전달하고 OPC UA Subscriber(200)는 구독할 수 있게 된다. 도 5에 OPC UA Subscriber(200)를 구성하는 과정을 도시하였다.
좀 더 상세하게는, OPC UA Subscriber(200)는 장치 또는 어플리케이션 내에 구성 될 수 있으며 UDP Multicast Group에 가입을 하면, OPC Publisher(100)가 게재한 NetworkMessage를 구독할 수 있는 환경이 만들어진다.
이에 따라 NetworkMessage를 수신한 후 디코딩을 하여 Header의 정보와 Payload 데이터를 추출하고 확인한다. OPC UA Subscriber(200)는 구독하고자 하는 데이터가 추출 된 DataSet에 있을 경우 Data를 읽어간다. 읽어간 Data는 OPC UA Subscriber(200)의 내부 변수와 매핑하여 어플리케이션 또는 다른 플랫폼에서 활용할 수 있다.
그러나 구독하고자 하는 데이터가 없는 경우 해당 NetworkMessage를 폐기 하고 다음 NetworkMessage 수신까지 대기하거나 UDP Multicast Group을 탈퇴한다. 도 6 및 도 7은 OPC UA 발행/구독 모델 기반 부품 제조 공정 시스템의 동작 흐름도이다.
지금까지, OPC UA 발행/구독 모델 기반 부품 제조 공정 장비 시스템의 고도화 운용 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는 부품 제조 분야의 수많은 공정 장비에서 발생하는 방대한 양의 데이터를 효율적으로 관리할 수 있는 방법으로 산업용 표준 통신 규격을 이용하여 부품 제조 공정 장비 시스템을 제시하였다.
부품 제조를 위한 공정 장비는 분산된 구조를 보이고 각 공정 장비는 OPC UA 플랫폼과 연동된다. OPC UA 플랫폼과 연동된 각 공정 장비의 데이터는 OPC UA 데이터 모델링에 활용되어 전체 공정 장비 데이터를 OPC UA 통신이 가능하도록 구조화한다.
이와 같이 모델링 된 OPC UA 정보 모델은 OPC UA 발행/구독(Publisher/Subscriber) 구성에 활용된다. 특히 OPC UA Publisher는 OPC UA 정보 모델 중 게재할 데이터 노드를 수집하고 DataSet을 구성한다. 게재할 데이터 노드 수만큼 DataSet이 구성되고, UDP Multicast Group으로의 데이터 전송을 위해서 NetworkMessage를 만든다.
이와 같이 만들어진 NetworkMessage를 일정 주기로 UDP Multicast Group에 전송하게 되며 OPC UA Subscriber는 원하는 데이터 정보가 있을 경우 NetworkMessage의 Payload에 담겨있는 OPC Publisher의 DataSet을 필터한 후 데이터를 읽어가고, 그렇지 않은 경우 NetworkMessage를 폐기한다.
이와 같은 OPC UA 발행/구독 모델 적용은 제조 분야와 같이 분산된 장비 시스템 환경에서 N:N 통신이 가능하게 만들어주기 때문에 속도 향상 효과를 가져올 수 있는 진보된 형태의 관리 시스템을 구축할 수 있다.
이에 의해, N:N 통신 환경을 제공함으로써 속도 향상을 비롯하여 실시간 적용이 가능하고, Message 방식의 데이터 교환을 통한 다양한 프로토콜과의 상호 호환성을 확보할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 :공정 장비
100 : OPC UA Publisher
200 : OPC UA Subscriber
300 : 어플리케이션

Claims (8)

  1. 공정 장비에서 발생하는 데이터를 OPC UA 데이터로 모델링하는 단계;
    모델링된 OPC UA 데이터를 발행 메커니즘으로 발행하는 단계;를 포함하고,
    발행 단계는,
    모델링된 OPC UA 데이터들 중 발행할 데이터를 DataSet을 만들고 NetworkMessage를 생성하여 UDP Multicast Group에 일정한 주기로 NetworkMessage를 전송하는 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    게재 단계는,
    UDP Multicast Group에 가입되어 있는 Subscriber에게 전달하는 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    Subscriber는,
    발행한 NetworkMessage 내의 DataSet 중 활용하고자 하는 NetworkMessage의 DataSet을 필터한 후 데이터를 읽어가는 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 방법.
  5. 청구항 1에 있어서
    DataSet은,
    데이터 노드 식별자 정보, DataSet 식별자, TimeStamp을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    NetworkMessage의 헤더에는,
    Publisher 식별자, TTL 설정 값, UDP Multicast Group의 주소, Message 전송 주기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 방법.
  7. 공정 장비에서 발생하는 데이터를 OPC UA 데이터로 모델링하는 단계;
    모델링된 OPC UA 데이터를 발행 메커니즘으로 발행하는 단계;를 포함하고,
    공정 장비에서 발생하는 데이터는,
    각기 다른 프로토콜의 데이터인 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 방법.
  8. 공정 장비에서 발생하는 데이터를 OPC UA 데이터로 모델링하고, 모델링된 OPC UA 데이터를 발행 메커니즘으로 발행하는 Publisher; 및
    발행된 OPC UA 데이터를 구독 메커니즘으로 구독하는 Subscriber;를 포함하고,
    Publisher는,
    모델링된 OPC UA 데이터들 중 발행할 데이터를 DataSet을 만들고 NetworkMessage를 생성하여 UDP Multicast Group에 일정한 주기로 NetworkMessage를 전송하는 것을 특징으로 하는 공정 장비 정보 관리 시스템.
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