KR20210098219A - 브로커 기반 OPC UA PubSub을 이용한 제조 장비 시스템의 고도화 운용 방법 - Google Patents

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Abstract

브로커 기반 OPC UA PubSub을 이용한 제조 장비 시스템의 고도화 운용 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 제조 현장 데이터 관리 방법은, Publisher 장치가 제조 현장의 필드장치로부터 발생한 데이터를 수집하고, 수집한 데이터를 OPC UA 타입의 형태로 모델링 하며, 모델링한 데이터를 브로커를 통해 발행한다. 이에 의해, 제조 현장의 스마트화를 위해서 기하급수적으로 증가하고 있는 센서, 필드장치에 대해 안정적인 연동 및 관리가 가능해진다.

Description

브로커 기반 OPC UA PubSub을 이용한 제조 장비 시스템의 고도화 운용 방법{Advanced Operator Method for Manufacturing Equipment System using Broker based OPC UA PubSub}
본 발명은 스마트 팩토리 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 현장 내 많은 수의 필드장치를 산업용 국제 통신 규격을 이용하여 연동하고 효율적으로 관리하기 위한 방법에 관한 것이다.
오늘날 모든 제조 분야에서 스마트 제조 혁신 트렌드에 따라 많은 수의 필드 디바이스, 센서 등이 시스템의 구성 요소로써 동작하고 있다. 이와 같은 많은 수의 필드 디바이스를 효율적으로 관리하기 위한 기술 개발의 요구가 증대되어 왔다.
이같은 요구에 따라서 등장한 OPC UA 서버-클라이언트 모델은 적은 양의 데이터를 전달하는 OT-IT 레벨간의 시스템 통합에는 매우 적합하다. 그러나 OPC UA 서버-클라이언트 모델은 장치간 직접 연결 유지를 이용한 요청-응답 방식이기 때문에 많은 수의 데이터, 장치를 수용해야 하는 경우 안정성에 문제가 발생한다.
이에 비연결성에 구조 모델을 통한 장치간 연결 종속성을 탈피하고자 Publish/Subscribe 방식의 데이터 교환 모델로의 전환이 이루어지고 있다.
Publish/Subscribe 방식의 데이터 교환 모델은 본래 IoT 분야와 같이 많은 장치에서 데이터를 수집하고 전송해야 하는 시스템에서 MQTT, AMQP, CoAP 등과 같은 Message 방식의 경량화된 프로토콜로 사용되어 왔다. 이에 네트워크 대역폭이 제한적인 IIoT 분야의 M2M 연결을 위해서 Message Middleware 방식의 데이터 교환 방식을 적용하고자 하는 노력이 계속되어 왔다.
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.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 제조 현장의 스마트화를 위해서 기하급수적으로 증가하고 있는 센서, 필드장치에 대해 안정적인 연동 및 관리를 위한 방안으로, 산업용 통신 표준인 OPC UA(IEC62541) 기반의 Publisher와 Subscriber를 구축하고, 각 장치 간 데이터 교환을 위해서 중간 Broker를 구성하여 모든 데이터 메시지를 Broker를 통해서 교환함으로써 많은 수의 장치가 안정적으로 연동 및 확장할 수 있는 환경을 구축함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 제조 현장 데이터 관리 방법은, Publisher 장치가, 제조 현장의 필드장치로부터 발생한 데이터를 수집하는 단계; Publisher 장치가, 수집한 데이터를 OPC UA 타입의 형태로 모델링 하는 단계; Publisher 장치가, 모델링한 데이터를 브로커를 통해 발행하는 단계;를 포함한다.
발행 단계는, Publisher 장치가, 브로커와 연결하는 단계; Publisher 장치가, 브로커에 토픽을 생성 요청하는 단계; Publisher 장치가, 생성된 토픽을 채널로 데이터를 발행 등록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 제조 현장 데이터 관리 방법은, Publisher 장치가, 토픽에 데이터를 주기적으로 전송하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 제조 현장 데이터 관리 방법은, Subscriber 장치가, 브로커에 등록된 토픽을 구독 요청하는 단계; Subscriber 장치가, 브로커의 토픽을 채널로 데이터를 수신하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
수신 단계는, Broker에 의해 Queue에 삽입된 데이터를 FIFO 방식으로 수신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 제조 현장 데이터 관리 방법은, Subscriber 장치가, 수신한 데이터를 OPC UA 정보 모델로 매핑하기 위해서 필터링하는 단계; Subscriber 장치가, 필터링된 데이터를 OPC UA Data Variable 노드와 매핑하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 제조 현장 데이터 관리 방법은, Subscriber 장치가, 수신한 데이터를 어플리케이션 또는 플랫폼으로 전달하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 제조 현장 데이터 관리 방법은, Subscriber 장치가, 제조 현장의 필드장치로부터 발생한 데이터를 수집하는 Publisher 장치에 의해 브로커에 등록된 토픽을 구독 요청하는 단계; 및 Subscriber 장치가, 브로커의 토픽을 채널로 데이터를 수신하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 제조 현장의 스마트화를 위해서 기하급수적으로 증가하고 있는 센서, 필드장치에 대해 안정적인 연동 및 관리가 가능해진다.
특히 본 발명의 실시예들에 따르면 N:N 통신 환경을 제공함으로써 장치 연결의 확장성이 증대되고, PubSub 통신 구조 방식의 장치들간 상호운용성이 증대되며, Broker에 의한 데이터 백업, 연결/요청의 데이터 무결성이 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Broker 기반 OPC UA PubSub 시스템의 구성도,
도 2는 OPC UA Publisher의 구성도,
도 3은 OPC UA Publisher - Broker 간 데이터 발행 메커니즘,
도 4는 Broker - OPC UA Subscriber 간 데이터 구독 메커니즘,
도 5는 OPC UA Subscriber의 구성도,
도 6은 OPC UA Publisher의 동작 흐름도, 그리고,
도 7은 OPC UA Subscriber의 동작 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는, 브로커 기반 OPC UA PubSub을 이용한 제조 장비 시스템의 고도화 운용 방법을 제시한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 제조 현장 생산 라인을 구성하는 다양한 센서, 필드장치 등의 다양한 제조 장비에서 발생하는 데이터를 산업용 국제 표준 기술인 OPC UA 데이터 모델링하고, 비연결성 데이터 교환 모델인 Broker 기반의 OPC UA PubSub 구조 모델을 구축하여, OPC UA Publisher 장치와 OPC UA Subscriber 장치의 연동을 통해 장치 확장성을 향상시켜, 전체 제조 장비 시스템 관리를 고도화 할 수 있는 방안을 제시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Broker 기반 OPC UA PubSub 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 제조 현장의 생산공정은 여러 필드장치(140)가 구성 요소로써 동작한다. 각 필드장치는 특정 역할을 반복적으로 수행하며 비전 장비, AMR(Autonomous Mobile Robot), 산업용 로봇, CNC(Computerized Numerical Conroll) 등이 해당된다. 이와같은 장치는 분산된 구조를 가지며 다양한 형태의 데이터를 발생시키고 PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 컨트롤러가 다양한 형태의 인터페이스로 데이터를 수집한다.
특히 컨트롤러는 OPC UA 기반의 Publisher로써 필드장치로부터 발생한 데이터를 수집하고 이를 활용하여 OPC UA 타입의 형태로 구조화 및 체계화 한다. 즉, OPC UA Publisher(130)는 도 2와 같이 각 생산공정(140)과 인터페이스 되어 데이터를 수집하는 기능과 수집된 데이터를 활용한 데이터 모델링 기능, 모델링된 OPC UA 정보 모델을 기반으로 Publisher를 구성하는 기능으로 크게 나뉜다.
보다 상세하게, Publisher(130)는 모델링된 OPC UA 정보 모델 중 발행할 데이터를 Collect 하여 DataSet을 만들고 NetworkMessage를 생성하여 Broker(120)에 일정한 주기로 NetworkMessage를 전송한다.
Broker(120)는 메시지를 중개하는 일종의 미들웨어 서버로써 Topic(121)과 Queue(122)를 통해서 메시지를 전달한다.
Topic(121)은 일종의 메시지 채널로써 Topicname/subname1/subname2의 형태로 Broker(120) 내 개설된다. OPC UA Publisher(130)가 선행적으로 Broker(120)와 연결하고 원하는 Topic(121)을 등록한다.
등록된 Topic(121)을 통해서 OPC UA Publisher(130)는 구성된 NetworkMessage를 발행하면 Broker(120)는 발행된 데이터를 Queue(122)에 삽입하고 FIFO 방식으로 데이터를 전달한다. 특히 이와 같이 Queue(122)에 삽입된 OPC UA Publisher(130)의 NetworkMessage는 OPC UA Subscriber(110)가 구독할 수 있으며 앞서 Broker(120)에 개설된 Topic(121)을 통해서 주기적으로 구독할 수 있다.
이와 같이 OPC UA Subscriber(110)가 구독한 NetworkMessage를 OPC UA 정보 모델로 매핑하기 위해서 필터한 후 OPC UA Data Variable 노드와 매핑한다. 도 2는 생산공정(140)에서 발생한 데이터 수집 후 OPC UA Publisher(130)를 구성하고 Broker(120)에게 NetworkMessage를 발행하는 과정을 도시화 한 모습이다.
OPC UA Publisher(130)를 포함하는 OPC UA 플랫폼은 다수로 구성되며, 분산된 생산공정(140)과 여러 형태로 인터페이스 되어 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(130)를 구성한다. OPC UA Publisher(130)가 구성 된 OPC UA 플랫폼은 모델링된 OPC UA 정보 모델을 통해서 생산공정(140)과 연동이 이루어지고 다양한 데이터를 게재할 수 있는 환경이 구축된다.
좀 더 상세하게, OPC UA Publisher(130)는 OPC UA 정보 모델로부터 발행 하고자 하는 데이터 노드를 수집한다. 이와 같이 수집된 데이터 집합 단위를 DataSet이라 명명하고 수집 된 데이터 노드 수 만큼 DataSet을 구성한다.
DataSet은 일종의 데이터그램 필드이며 수집된 데이터 노드 식별자 정보, DataSet 식별자, TimeStamp 등의 정보를 포함한다.
이와 같이 발행하고자 하는 데이터 정보를 포함하는 DataSet을 다수개로 NetworkMessage를 구성하고, Broker(120)에 연결 요청한다. 구성된 NetworkMessage를 Broker(120)에게 발행하기 위해서 Broker(120) 내 Topic(121)을 생성해야 하며, OPC UA Publisher(130)가 생성하고자 하는 Topic(121)을 "Topicname/sub1/sub2"와 같은 형태로 요청한다.
요청 후 OPC UA Publisher(130)는 생성된 Topic 채널(121)을 이용하여 NetworkMessage를 주기적으로 발행한다. 도 3은 OPC UA Publisher(130)가 Broker(120)에게 NetworkMessage를 발행하는 메커니즘을 도시화한 모습이다.
좀 더 상세하게, OPC UA Publisher(130)는 발행하고자 하는 데이터 집합군이 포함되어 있는 NetworkMessage를 Broker(120)에게 주기적으로 발행하기 위해서 데이터 송수신 채널 생성을 요청하며, 이를 Topic(121)이라고 명명한다.
OPC UA Publisher(130)가 도 3과 같이 "생산공정/공정1"라는 이름의 Topic 생성을 Broker(120)에게 요청하면 Broker(120)는 같은 이름의 Topic을 생성하고, 이 Topic 채널(121)을 통해서 OPC UA Publisher(130)는 NetworkMessage를 발행하게 된다.
다시 말하면, OPC UA Publisher(130)는 생성된 Topic 채널(121)에 NetworkMessage를 주기적으로 발행하며, Broker(120)는 이를 수신할 때마다 FIFO(First In First Out) 방식의 Queue(122)에 수신한 NetworkMessage를 삽입한다.
동일 Topic 채널(121)을 통해 구독을 원하는 OPC UA Subscriber(110)는 Broker(120)로부터 NetworkMessage를 구독한다. 도 4는 OPC UA Subscriber(110)가 NetworkMessage를 구독하는 메커니즘을 도시화한 모습이다.
앞서 OPC UA Publisher(130)의 요청에 따라서 생성된 Topic(121)에 대해서 구독을 원하는 OPC UA Subscriber(110)는 해당 Topic 채널(121)에 데이터를 요청하고 주기적으로 데이터를 구독한다.
특히 FIFO 방식의 Broker(120) 내 Queue(122)에 삽입되어 있는 NetworkMessage를 순차적으로 구독하게 된다. 도 5는 OPC UA Subscriber(110)가 Broker(120)로부터 NetworkMessage를 구독하는 과정을 도시화한 모습이다.
좀 더 상세하게, OPC UA Subscriber(110)는 장치 또는 어플리케이션 내에 구성 될 수 있으며 Broker(120)에 연결 요청한다. Broker(120)와 연결 후 앞서 OPC UA Publisher(130)가 발행하는 Topic 채널(121)에 대해서 데이터를 요청하게 되면, Broker(120) 내 Queue(122)에 삽입되어이 있는 NetworkMessage를 구독할 수 있게 된다.
이와 같이 구독하여 수신된 NetworkMessage에 DataSet 집합을 추출하고, OPC UA Subscirber(110)의 내부 정보 모델 노드와 매핑한다. 이와 같이 매핑된 OPC UA Subscriber(110)의 정보 모델은 OPC UA Publisher(130)가 발행한 데이터와 연동이되고, 다른 어플리케이션 또는 플랫폼에서 활용할 수 있다.
도 6은 OPC UA Publisher(130)의 동작 흐름도이다. 도시된 바와 같이, OPC UA Publisher(130)는 생산공정(140)으로부터 공정 데이터를 수신하면(S131), OPC UA 정보 모델을 모델링하고(S132), 모델링된 OPC UA 정보 모델 중 발행할 데이터를 Collect 하여(S133), DataSet을 만든 후에(S134), NetworkMessage를 생성한다(S135).
그리고, OPC UA Publisher(130)는 선행적으로 Broker(120)와 연결하고(S136,S137), 원하는 Topic(121)을 요청/등록한 다음(S138), 생성한 NetworkMessage를 발행한다(S139).
도 7은 OPC UA Subscriber(110)의 동작 흐름도이다. 도시된 바와 같이, OPC UA Subscriber(110)는 Broker(120)와 연결하고(S111,S112), 구독을 원하는 Topic(121)을 요청하여(S113), Topic 채널(121)을 통해 주기적으로 데이터를 구독한다(S114).
이후, OPC UA Subscriber(110)은 FIFO 방식의 Broker(120) 내 Queue(122)에 삽입되어 있는 NetworkMessage를 순차적으로 수신하게 되며(S115), 수신된 NetworkMessage에 DataSet 집합을 추출하고(S116,S117), OPC UA 정보 모델로 매핑하기 위해서 필터링한 후(S118), OPC UA Data Variable 노드와 매핑한다(S119).
지금까지, 브로커 기반 OPC UA PubSub을 이용한 제조 장비 시스템의 고도화 운용 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는, 제조 현장의 스마트화를 위해서 기하급수적으로 증가하고 있는 센서, 필드장치에 대해서 안정적인 연동 및 관리를 위한 방안으로, 산업용 통신 표준인 OPC UA(IEC62541) 기반의 Publisher와 Subscriber를 구축하고, 각 장치간 데이터 교환을 위해서 중간 Broker를 구성하여 모든 데이터 메시지를 Broker를 통해서 교환함으로써 많은 수의 장치가 안정적으로 연동 및 확장할 수 있는 환경을 구축하였다.
이에 의해, N:N 통신 환경을 제공함으로써 장치 연결의 확장성 증대, PubSub 통신 구조 방식의 장치들간 상호운용성 증대 및 Broker를 데이터 백업, 연결/요청의 데이터무결성 증대를 기대할 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.
110 : OPC UA Subscriber
120 : Broker
121 : Topic
132 : Queue
130 : OPC UA Publisher
140 : 생산공정

Claims (8)

  1. Publisher 장치가, 제조 현장의 필드장치로부터 발생한 데이터를 수집하는 단계;
    Publisher 장치가, 수집한 데이터를 OPC UA 타입의 형태로 모델링 하는 단계;
    Publisher 장치가, 모델링한 데이터를 브로커를 통해 발행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    발행 단계는,
    Publisher 장치가, 브로커와 연결하는 단계;
    Publisher 장치가, 브로커에 토픽을 생성 요청하는 단계;
    Publisher 장치가, 생성된 토픽을 채널로 데이터를 발행 등록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    Publisher 장치가, 토픽에 데이터를 주기적으로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    Subscriber 장치가, 브로커에 등록된 토픽을 구독 요청하는 단계;
    Subscriber 장치가, 브로커의 토픽을 채널로 데이터를 수신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    수신 단계는,
    Broker에 의해 Queue에 삽입된 데이터가 FIFO 방식으로 수신되는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    Subscriber 장치가, 수신한 데이터를 OPC UA 정보 모델로 매핑하기 위해서 필터링하는 단계;
    Subscriber 장치가, 필터링된 데이터를 OPC UA Data Variable 노드와 매핑하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    Subscriber 장치가, 수신한 데이터를 어플리케이션 또는 플랫폼으로 전달하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
  8. Subscriber 장치가, 제조 현장의 필드장치로부터 발생한 데이터를 수집하는 Publisher 장치에 의해 브로커에 등록된 토픽을 구독 요청하는 단계; 및
    Subscriber 장치가, 브로커의 토픽을 채널로 데이터를 수신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 현장 데이터 관리 방법.
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