KR20230132143A - OPC UA synergy platform for Industrial IoT - Google Patents

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KR20230132143A
KR20230132143A KR1020220029300A KR20220029300A KR20230132143A KR 20230132143 A KR20230132143 A KR 20230132143A KR 1020220029300 A KR1020220029300 A KR 1020220029300A KR 20220029300 A KR20220029300 A KR 20220029300A KR 20230132143 A KR20230132143 A KR 20230132143A
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홍승호
이창대
송원석
김유철
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네스트필드(주)
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Abstract

최근 제조업은 '스마트 제조'와 '인더스트리 4.0'으로 대변혁을 일으키고 있으며, 산업용 사물인터넷(IIoT)의 발달로 네트워크 서비스에 접근할 수 있는 물리적 사물의 수가 증가하고 있다. 그러나 실시간 통신, 상호운용성, 인터넷과 산업용 기기의 연동 등 중요한 문제는 아직 해결되지 않았다. 이러한 문제는 스마트 제조 시스템과 비의미적 산업 장비 간의 상호 연결 문제에서 발생한다.
따라서 본 발명은 상호 연결 문제를 해결하고 인터넷과 산업 간의 격차를 해소하기 위해 표준 IoT 참조 설계자 문서인 ISO/IEC 30141을 참조하여, 제조 시스템을 사용자, 클라우드 서비스, 감지 제어 및 장치 도메인으로 구분하는 4개 도메인 통합 아키텍처를 제안했다. 본 발명에 따른 아키텍처는 제조 시스템에 적용 가능한 산업용 픽 앤 플레이스 테스트베드를 구성하여 검증되었다. 따라서 이 테스트베드는 여러 다른 유형의 프로토콜 접근 방식 외에도 OPC UA PubSub 기반 프로토콜의 최신 기술을 조사하기 위한 지침 역할을 할 수 있다.
Recently, the manufacturing industry is undergoing a revolution with 'smart manufacturing' and 'Industry 4.0', and the number of physical objects that can access network services is increasing due to the development of the Industrial Internet of Things (IIoT). However, important issues such as real-time communication, interoperability, and linking of the Internet and industrial devices have not yet been resolved. These problems arise from the interconnection issues between smart manufacturing systems and non-semantic industrial equipment.
Therefore, in order to solve the interconnection problem and bridge the gap between the Internet and industry, the present invention refers to the standard IoT reference designer document ISO/IEC 30141, which divides the manufacturing system into user, cloud service, sensing control, and device domains. A two-domain integrated architecture was proposed. The architecture according to the present invention was verified by constructing an industrial pick-and-place testbed applicable to manufacturing systems. Therefore, this testbed can serve as a guide for investigating the state-of-the-art in OPC UA PubSub-based protocols in addition to several other types of protocol approaches.

Description

산업용 IoT를 위한 OPC UA 시너지 플랫폼{OPC UA synergy platform for Industrial IoT}OPC UA synergy platform for Industrial IoT

본 발명은 이종 네트워크 간의 통합 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 OPC UA 시너지 플랫폼의 구성과 이를 통해 이종 네트워크 간의 통합을 구현한 사용자, 클라우드 서비스, 감지 제어, 디바이스 영역으로 구분되는 통합 아키텍처에 관한 것이다. The present invention relates to integration technology between heterogeneous networks, and more specifically, to an integrated architecture divided into user, cloud service, detection control, and device areas that implements integration between heterogeneous networks through the configuration of the OPC UA synergy platform.

현대 정보 기술의 발달로 인터넷 트래픽이 급격히 증가했다. 2025년에는 500억 개 이상의 IP 연결이 예상된다. 따라서 최근에는 포그(Fog) 또는 엣지(Edge) 컴퓨팅과 같은 최신 컴퓨팅 모델을 기반으로 하는 사물 인터넷(IoT) 아키텍처가 프로세스 지연을 줄이고 인터넷에서 IP 리소스의 한계를 해결하기 위해 제안되었다. With the development of modern information technology, Internet traffic has increased rapidly. More than 50 billion IP connections are expected by 2025. Therefore, recently, Internet of Things (IoT) architectures based on modern computing models such as Fog or Edge computing have been proposed to reduce process delays and address the limitations of IP resources in the Internet.

그러나 실시간 통신, 상호운용성, 인터넷과 산업용 기기의 연동과 같은 핵심적인 문제는 아직 해결되지 않았다.However, key issues such as real-time communication, interoperability, and linking of the Internet and industrial devices have not yet been solved.

최근 제조업은 '스마트 제조'와 '인더스트리 4.0'으로 대변혁을 일으키고 있으며, 산업용 사물인터넷(IIoT)의 발달로 네트워크 서비스에 접근할 수 있는 물리적 사물의 수가 증가하고 있다. Recently, the manufacturing industry is undergoing a revolution with 'smart manufacturing' and 'Industry 4.0', and the number of physical objects that can access network services is increasing due to the development of the Industrial Internet of Things (IIoT).

그러나 스마트 제조에서 IIoT의 적극적인 채택을 복잡하게 만드는 주요 과제는 작업 현장과 스마트 제조 시스템 간의 운영 기술(OT)과 정보 기술(IT) 통합의 문제이다. 이것은 스마트 제조 시스템과 비의미적 산업 장비의 상호 연결 문제로 인해 발생한다.However, a major challenge complicating the active adoption of IIoT in smart manufacturing is the issue of operational technology (OT) and information technology (IT) integration between the shop floor and smart manufacturing systems. This is caused by the problem of interconnection of smart manufacturing systems and non-semantic industrial equipment.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 스마트 제조에서 의미적으로 표현 가능한 장치(예: OPC UA 게이트웨이/커넥터)를 통해 상호 연결성 문제를 해결하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.Therefore, to solve these problems, attempts are being made to solve the interconnectivity problem through semantically expressible devices (e.g. OPC UA gateway/connector) in smart manufacturing.

인터넷과 산업 네트워크에서 직면하는 문제를 해결하기 위해 상호 연결에 대한 연구와 개발 노력이 진행 중이며 이 두 네트워크의 통합이 제안되었다. 이 제안된 통합은 인터넷에 대한 신뢰성과 산업 네트워크에 대한 즉각적인 응답이라는 두 가지 중요한 측면을 고려해야 한다. 예를 들어, 인터넷에서 악의적인 의도를 차단하기 위해 기존 방화벽은 전송 계층까지 패킷을 검사하는 DPI(Deep Packet Inspection) 기반 알고리즘을 사용한다. To address the challenges faced by the Internet and industrial networks, research and development efforts are underway on interconnection, and integration of these two networks has been proposed. This proposed integration must take into account two important aspects: reliability over the Internet and immediate response over industrial networks. For example, to block malicious intent on the Internet, traditional firewalls use Deep Packet Inspection (DPI)-based algorithms that inspect packets all the way to the transport layer.

그러나 이 알고리즘은 긴 처리 시간이 필요하다. 이 긴 처리 시간은 인터넷에서 중요하지 않지만 안전 감지 시스템과 같이 중요한 시간에 즉각적인 대응이 필요한 시스템에서는 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 인터넷에 대한 즉각적인 대응보다 보안 및 메시지 전송의 신뢰성이 더 중요하다. 산업용 네트워크의 SCADA 시스템에 있는 기존의 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 방화벽은 IEC 61158의 필드버스 프로토콜에 대해서만 제한된 보안을 제공한다. 산업용 네트워크는 시간이 중요한 임무를 위해 신속한 처리가 필요하기 때문이다. 따라서 인터넷과 완전히 대조적으로 산업용 네트워크는 중요한 시기에 즉각적인 대응이 필요하며 제한된 서비스와 같은 중요한 문제에 직면해 있다. 특성이 다른 이 두 가지 유형의 네트워크를 효과적으로 활용하기 위해 상호 연결 개념이 개발되었다.However, this algorithm requires long processing time. Although this long processing time is not critical on the Internet, it can cause problems in systems that require immediate response at critical times, such as safety detection systems. Therefore, security and reliability of message transmission are more important than immediate response to the Internet. Existing Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) firewalls in SCADA systems in industrial networks provide limited security only for the fieldbus protocols of IEC 61158. This is because industrial networks require rapid processing for time-critical missions. Therefore, in stark contrast to the Internet, industrial networks require an immediate response at critical times and face significant challenges such as limited services. To effectively utilize these two types of networks with different characteristics, the concept of interconnection was developed.

Endeley et al.은 통신 프리미티브 세트, 플랫폼 독립적 유형 시스템 및 중간 언어를 특징으로 하는 솔루션을 제안했다. VAB(가상 자동화 버스) 게이트웨이 및 Industry 4.0 응용 프로그램과의 통신을 위해 OPC UA 정보 모델을 통해 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture) 커넥터를 구현했다. 그들은 또한 추상화를 위해 메타데이터에 의해 부과되는 왕복 시간과 메시지 크기 측면에서 통합으로 인한 오버헤드를 평가했다. Endeley et al. proposed a solution featuring a set of communication primitives, a platform-independent type system, and an intermediate language. An Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) connector was implemented via the OPC UA information model for communication with Virtual Automation Bus (VAB) gateways and Industry 4.0 applications. They also evaluated the overhead due to integration in terms of round-trip time and message size imposed by metadata for abstraction.

그러나 이 저자들은 기존 OPC UA 서버/클라이언트 모델과 HTTP 기술 간의 인터페이스를 충분히 도입했지만 비동기식 데이터 처리를 위한 OPC UA PubSub 모델을 고려하지 않았다.However, although these authors sufficiently introduced the interface between the existing OPC UA server/client model and HTTP technology, they did not consider the OPC UA PubSub model for asynchronous data processing.

Kannoth et al.은 OPC UA 서버/클라이언트 모델과 DDS 모델 간의 상호 연결 및 상호 운용성을 보장하고 효과적인 통신을 가능하게 하기 위해 OPC 게이트웨이를 구현하는 미들웨어 솔루션을 연구했다. 또한 사설 LAN에 연결된 소프트웨어 미들웨어와 라즈베리파이(Raspberry Pi)를 사용하여 다양한 시나리오에서 미들웨어의 성능을 테스트하고 응답 시간과 신뢰성을 측정하여 동작을 평가했다.Kannoth et al. studied a middleware solution that implements an OPC gateway to ensure interconnection and interoperability and enable effective communication between the OPC UA server/client model and the DDS model. Additionally, using software middleware and Raspberry Pi connected to a private LAN, we tested the performance of the middleware in various scenarios and evaluated its operation by measuring response time and reliability.

그들의 연구에서도 OPC UA의 PubSub 모델을 사용하지 않았고 OPC UA 서버가 OPC 게이트웨이와 TCP 기반 BP(Binary Protocol)를 통해 데이터를 교환하고 UDP 통신 DDS 데이터로 변환하는 동안 처리 지연 시간이 발생했다. Their study also did not use the PubSub model of OPC UA, and processing delay occurred while the OPC UA server exchanged data through the OPC gateway and TCP-based BP (Binary Protocol) and converted it to UDP communication DDS data.

Koziolek et al.은 산업용 사물 인터넷(IIoT)을 위한 플러그 앤 프로듀스 아키텍처를 제안하고 이를 오픈 소스 코드 기반 시스템에 구현했다. 그러나 저자는 상호 운용성을 위해 산업적 측면만 고려하고 IoT 프로토콜과 인터넷 보안 또는 신뢰성을 무시했다.Koziolek et al. proposed a plug-and-produce architecture for the Industrial Internet of Things (IIoT) and implemented it in an open source code-based system. However, the authors only considered industrial aspects for interoperability and ignored IoT protocols and Internet security or reliability.

Gruner et al.은 OPC UA를 사용하여 산업 네트워크에서 리소스 제약이 있는 장치 간의 상호 운용성 문제를 해결하기 위해 인터넷을 활용하기 위해 REST(Representational State Transfer) 아키텍처를 통합하는 웹 플랫폼을 제안했다. 동기 데이터 처리를 위한 OPC UA 및 REST 기술은 산업용 네트워크에 대해 고려하지 않았으며 비동기 데이터 처리를 위한 미들웨어와 함께 OPC UA PubSub 인터페이스의 구현을 시연하지도 않았다.Gruner et al. proposed a web platform that integrates the Representational State Transfer (REST) architecture to leverage the Internet to solve the problem of interoperability between resource-constrained devices in industrial networks using OPC UA. OPC UA and REST technologies for synchronous data processing have not been considered for industrial networks, nor has the implementation of the OPC UA PubSub interface been demonstrated with middleware for asynchronous data processing.

Luo et al.는 OPC UA 기술을 제안하고, IIC(Industrial Internet Consortium)에서 제안한 3계층 구조의 IIRA(Industrial Internet Reference Architecture)를 스마트 제조 시스템에 적용했다.Luo et al. proposed OPC UA technology and applied the three-layer Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) proposed by the Industrial Internet Consortium (IIC) to a smart manufacturing system.

IIC가 제안한 IIRA는 3계층 구조이다. 첫 번째 엔터프라이즈 계층은 최종 사용자에 대한 인터페이스가 있는 도메인별 응용 프로그램을 구현하고 두 번째 플랫폼 계층은 데이터를 수신하여 처리 및 전달한다. 최종 엣지 계층은 근접 네트워크를 사용하여 엣지 노드에서 데이터를 수집한다. IIRA proposed by IIC has a three-tier structure. The first enterprise layer implements domain-specific applications with interfaces to end users, and the second platform layer receives, processes, and delivers data. The final edge layer uses proximity networks to collect data from edge nodes.

두 아키텍처 모두 산업용 IoT 애플리케이션을 스마트 제조 시스템에 적용하고 실시간을 중시하는 산업용 프로토콜과 OPC UA 기술을 활용하기 위한 유사한 구조를 가지고 있다. 그러나 비동기 데이터 처리를 위한 OPC UA PubSub 모델은 연구에서 고려되지 않았다.Both architectures have similar structures for applying industrial IoT applications to smart manufacturing systems and utilizing real-time-oriented industrial protocols and OPC UA technology. However, the OPC UA PubSub model for asynchronous data processing was not considered in the study.

OPC UA 기술을 사용한 애플리케이션 수준 대기 시간 분석과 관련하여 일부 연구에서는 UADP(Unified Architecture Datagram Protocol)/AMQP(Advanced Message Queuing Protocol) 펍서브 이외의 IoT 프로토콜을 비교했다. 이러한 연구는 OPC UA 기술의 다양한 기능에 대한 개요뿐만 아니라 CoAP(제한된 응용 프로토콜) 및 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)을 제공하고, 벤치마크와 성능을 비교했다.Regarding application-level latency analysis using OPC UA technology, some studies have compared IoT protocols other than Unified Architecture Datagram Protocol (UADP)/Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) pubserve. These studies provided an overview of the various features of OPC UA technologies, as well as Constrained Application Protocol (CoAP) and Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), and compared their performance with benchmarks.

OPC(Open Platform Communication) Foundation은 최근 산업용 네트워크에 IoT 기술을 적용할 때 상호 운용성을 보장하기 위해 Pub-Sub 방식을 확장하기 위한 새로운 사양(part 14)을 정의했다. 그러나 산업용 프로토콜을 위한 브로커리스 모델(예: UADP PubSub)과 IoT 프로토콜을 위한 브로커 모델(예: AMQP PubSub)의 두 가지 다른 기술을 연결하는 방법에 대한 구체적인 개념은 여전히 정립되지 않았다. The Open Platform Communication (OPC) Foundation recently defined a new specification (part 14) to extend the Pub-Sub approach to ensure interoperability when applying IoT technology to industrial networks. However, the specific concept of how to connect two different technologies, a brokerless model for industrial protocols (e.g. UADP PubSub) and a broker model for IoT protocols (e.g. AMQP PubSub), is still not established.

이 누락된 개념은 현재 연구 중인 첨단 기술인 인더스트리 4.0 분야의 다양한 통합 데이터를 해결하는데 중요할 수 있다. 또한 최근 OPC UA 규격이 IoT 통신을 정의하고 있기 때문에 인터넷과 산업망 사이에 OPC UA PubSub를 접목한 최신 OPC UA 기술을 사용한 사례가 없다. This missing concept may be important in solving diverse integrated data in the field of Industry 4.0, a cutting-edge technology currently being studied. Additionally, because the recent OPC UA standard defines IoT communication, there are no cases of using the latest OPC UA technology that combines OPC UA PubSub between the Internet and industrial networks.

이에 따라 본 발명은 상술한 상황들을 감안하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 사용자, 클라우드 서비스, 감지 제어, 디바이스 영역으로 구분되는 통합 아키텍처를 제안하고, 서버, 브로커, 브로커리스 모델을 연동하는 OPC UA 시너지 플랫폼 개념을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention was created in consideration of the above-mentioned situations, and the purpose of the present invention is to propose an integrated architecture divided into user, cloud service, sensing control, and device areas, and to propose an OPC that links server, broker, and brokerless models. It provides the UA synergy platform concept.

또한 본 발명의 목적은 OPC UA 시너지 플랫폼과 이를 활용한 통합 아키텍처 및 테스트베드의 적용 가능성을 탐색하여 상호 연결 개념에 대한 분석을 검증하는 것이다. Additionally, the purpose of the present invention is to verify the analysis of the interconnection concept by exploring the applicability of the OPC UA synergy platform and the integrated architecture and testbed using it.

이를 위해, 본 발명에 따른 OPC UA 시너지 플랫폼의 게이트웨이는 장치 도메인에 있는 각 장치로부터 수신한 UADP 데이터 세트를 AMQP 데이터 세트로 변환하는 OPC UA 펍서브 서버와, 상기 OPC UA 펍서브 서버로부터 전달받은 AMQP 데이터 세트를 클라우드 도메인으로 전송하는 AMQP 브로커를 포함한다. To this end, the gateway of the OPC UA synergy platform according to the present invention includes an OPC UA pubserve server that converts the UADP data set received from each device in the device domain into an AMQP data set, and an AMQP data set received from the OPC UA pubserve server. Includes an AMQP broker that transfers data sets to the cloud domain.

여기서, 상기 OPC UA 펍서브 서버는 바이너리 프로토콜(BP)을 통해 초기 구성을 설정하는 것을 특징으로 한다. Here, the OPC UA pubserve server is characterized by setting the initial configuration through binary protocol (BP).

본 발명에 따른 이종 네트워크 간의 통합 방법은 사용자 단말이 클라우드 도메인으로 초기 구성에 대한 설정을 요청하면 클라우드 도메인의 제1 클라우드 서버가 OPC UA 시너지 플랫폼으로 초기 구성에 대한 설정을 요청하는 단계와, 상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버가 초기 구성에 대한 설정을 수행하는 단계와, 상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버가 장치 도메인에 있는 각 장치로부터 UADP 메시지를 수신하는 단계와, 상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 AMQP 브로커가 상기 UADP 메시지를 AMQP 데이터 세트로 변환하여 클라우드 도메인의 제2 클라우드 서버로 전송하는 단계와, 상기 클라우드 도메인의 제2 클라우드 서버가 AMQP 데이터 세트를 처리하여 모니터링하고 상기 사용자 단말로 모니터링 결과를 전송하는 단계를 포함한다. The integration method between heterogeneous networks according to the present invention includes the steps of, when a user terminal requests settings for initial configuration to a cloud domain, the first cloud server in the cloud domain requests settings for initial configuration to the OPC UA synergy platform, and the OPC The OPC UA server of the UA synergy platform performs settings for initial configuration, the OPC UA server of the OPC UA synergy platform receives a UADP message from each device in the device domain, and the OPC UA synergy platform's An AMQP broker converts the UADP message into an AMQP data set and transmits it to a second cloud server in the cloud domain, and the second cloud server in the cloud domain processes and monitors the AMQP data set and sends the monitoring result to the user terminal. Including the step of transmitting.

여기서, 상기 사용자 단말은 HTTP 프로토콜을 통해 상기 클라우드 도메인으로 초기 구성에 대한 설정을 요청하고, 상기 제1 클라우드 서버가 OPC UA 클라이언트/서버 모델 기반의 바이너리 프로토콜(BP)을 통해 상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버로 초기 구성에 대한 설정을 요청하는 것을 특징으로 한다. Here, the user terminal requests initial configuration settings from the cloud domain through the HTTP protocol, and the first cloud server configures the OPC UA synergy platform through a binary protocol (BP) based on the OPC UA client/server model. It is characterized by requesting settings for initial configuration to the OPC UA server.

또한, 상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버와 상기 장치 도메인 간의 통신이 OPC UA 펍서브 모델 기반 UADP 프로토콜을 통해 수행되고, 상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 AMQP 브로커와 상기 클라우드 도메인의 제2 클라우드 서버 간의 통신이 OPC UA 펍서브 모델 기반 AMQP 프로토콜을 통해 수행되는 것을 특징으로 한다. In addition, communication between the OPC UA server of the OPC UA synergy platform and the device domain is performed through the OPC UA Pubserve model-based UADP protocol, and communication between the AMQP broker of the OPC UA synergy platform and the second cloud server of the cloud domain This is characterized by being performed through the AMQP protocol based on the OPC UA Pubserve model.

상술한 바와 같이, 본 발명은 OPC UA PubSub 모델을 적용하고 브로커가 게이트웨이에서 메시지를 주고 받을 때 TCP 기반 바이너리 프로토콜 대신 UDP 기반 UADP 프로토콜을 사용함으로써 처리 지연 시간을 최소화할 수 있다. As described above, the present invention can minimize processing delay time by applying the OPC UA PubSub model and using the UDP-based UADP protocol instead of the TCP-based binary protocol when the broker sends and receives messages at the gateway.

본 발명에 따른 OPC UA 시너지 플랫폼은 서로 다른 두 네트워크를 통합하는 데 중요한 역할을 하며 두 네트워크 간의 상호 운용성과 상당한 양의 데이터 전송을 보장할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 PC UA 시너지 플랫폼의 통합 아키텍처는 인더스트리 4.0 기술의 채택을 촉진할 수 있다. The OPC UA Synergy platform according to the present invention plays an important role in integrating two different networks and can ensure interoperability and transfer of significant amounts of data between the two networks. Accordingly, the integrated architecture of the PC UA synergy platform of the present invention can promote the adoption of Industry 4.0 technology.

또한 본 발명은 픽앤플레이스(Pick-and-Place) 시나리오에 따른 사용 사례를 통해 다른 프로토콜에 비해 높은 성능을 보장하고 정보 모델에 대해 경쟁력 있는 서비스를 제공할 수 있다. Additionally, the present invention can guarantee high performance compared to other protocols and provide competitive services for information models through use cases based on pick-and-place scenarios.

또한 본 발명은 일반 시스템뿐만 아니라 산업 시스템의 복잡한 수명 주기를 단순화하고 유연성을 향상시켜 시스템 관리 효율성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 이전에 탐색되지 않은 방식으로 인터넷과 산업 네트워크를 통합하는 포괄적인 아키텍처는 상호 운용성과 많은 수의 메시지 전송을 달성할 수 있는 효과가 있다. Additionally, the present invention can improve system management efficiency by simplifying the complex life cycle of not only general systems but also industrial systems and improving flexibility. Moreover, a comprehensive architecture that integrates the Internet and industrial networks in previously unexplored ways has the effect of achieving interoperability and large number of message transmissions.

도 1 : OPC UA 시너지 플랫폼 다이어그램
도 2 : OPC UA 시너지 플랫폼 다이어그램
도 3 : OPC UA 시너지 플랫폼의 인터넷 및 산업 네트워크를 위한 통합 아키텍처
도 4 : 사용 사례로 사용되는 로봇 및 컨베이어 벨트 시스템의 다이어그램
도 5 : 테스트베드 구현
도 5-(a) : 픽앤플레이스 데모 시스템
도 5-(b) : 클라우드 서비스 제어/모니터링
도 5-(c) : 구성 클라우드 서비스
도 6 : 제안된 아키텍처의 작동 순서.
(A) HTTP 요청 가져오기 방법
(B) HTTP 응답 - 상태 코드 200
(C) OPC UA 요청 - ReadRequest
(D) OPC UA 응답 - ReadResponse의 구성 대기 시간. 모니터링 대기 시간
(E) HTTP 요청 - 메서드 가져오기
(F) HTTP 응답 - 상태 코드 200
(G) OPC UA(AMQP) 구독 - 사용
(H) OPC UA(AMQP) ACK - 사용 확인
(I) OPC UA (AMQP) 게시(발행) - 전달
(J) OPC UA (UADP) 게시 - UADP 메시지
도 7 : 제안된 접근 방식을 사용하여 얻은 시간 경과에 따른 왕복 지연에 대한 측정 결과
도 7-(a) : HTTP get/state RTT
도 7-(b) : OPC UA P/S AMQP RTT
도 7-(c) : OPC UA C/S BP RTT
도 7-(d) : OPC UA P/S UADP OWD
도 8 : 4가지 서로 다른 프로토콜 간의 애플리케이션 레벨 평균 지연 시간 비교
Figure 1: OPC UA Synergy Platform Diagram
Figure 2: OPC UA Synergy Platform Diagram
Figure 3: Integrated architecture for Internet and industrial networks of the OPC UA Synergy Platform
Figure 4: Diagram of robot and conveyor belt system used as a use case
Figure 5: Testbed implementation
Figure 5-(a): Pick and place demo system
Figure 5-(b): Cloud service control/monitoring
Figure 5-(c): Configuration Cloud Service
Figure 6: Operational sequence of the proposed architecture.
(A) HTTP Request Fetch Method
(B) HTTP response - status code 200
(C) OPC UA Request - ReadRequest
(D) OPC UA Response - Configuration latency of ReadResponse. Monitoring latency
(E) HTTP Request - Get Method
(F) HTTP response - status code 200
(G) OPC UA (AMQP) Subscription - Enabled
(H) OPC UA(AMQP) ACK - usage confirmation
(I) OPC UA (AMQP) Publishing (Issuance) - Delivery
(J) OPC UA (UADP) Publishing - UADP Message
Figure 7: Measurement results for round-trip delay over time obtained using the proposed approach.
Figure 7-(a): HTTP get/state RTT
Figure 7-(b): OPC UA P/S AMQP RTT
Figure 7-(c): OPC UA C/S BP RTT
Figure 7-(d): OPC UA P/S UADP OWD
Figure 8: Application-level average latency comparison between four different protocols.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The configuration of the present invention and its operational effects will be clearly understood through the detailed description below.

본 발명은 종래 연구와 비교하여 다음과 같은 특징이 있다. The present invention has the following features compared to conventional research.

첫째, 본 발명은 종래 작업과 달리 실험적 설정을 통해 OPC UA 시너지 플랫폼 개념을 시연하는 방법에 대한 지침을 제공함으로써 제안된 아키텍처와 실제 구현 사이의 간극을 메우기 위해 한 걸음 더 나아갔다.First, unlike prior work, the present invention goes one step further to bridge the gap between the proposed architecture and actual implementation by providing guidance on how to demonstrate the OPC UA synergy platform concept through an experimental setup.

둘째, 본 발명은 상호 연결 개념에 대한 인터넷과 산업 측면 간의 격차를 해소하기 위해 산업 IoT를 위한 통합 아키텍처를 제공한다. Second, the present invention provides an integrated architecture for industrial IoT to bridge the gap between the Internet and industrial aspects of the interconnection concept.

셋째, 본 발명은 실시간 지연을 측정한 다양한 프로토콜의 세부사항을 지정하여 제조 시스템에 적용 가능한 산업용 픽앤플레이스(pick-and-place) 테스트베드를 구성하고 OPC UA 시너지 플랫폼을 검증한다.Third, the present invention specifies the details of various protocols that measure real-time delay, constructs an industrial pick-and-place testbed applicable to manufacturing systems, and verifies the OPC UA synergy platform.

넷째, 본 발명에 따른 테스트베드는 최신 OPC UA PubSub 기반 프로토콜 및 기타 여러 유형의 프로토콜 접근 방식을 조사하기 위한 지침 역할을 할 수 있다.Fourth, the testbed according to the present invention can serve as a guide for investigating the latest OPC UA PubSub-based protocols and many other types of protocol approaches.

OPC UA 시너지 플랫폼의 통합 아키텍처Integrated architecture of the OPC UA Synergy Platform

도 1은 OPC UA 시너지 플랫폼의 개념을 나타낸 것으로 IEC 62541(OPC UA)에 따라 브로커, 브로커리스, 서버 모델로 구분된다. 브로커와 서버 모델은 인터넷 상에서 TCP(Transmission Control Protocol) 통신을 기반으로 안정적인 메시지 전송을 목표로 하는 반면, 브로커리스 모델은 산업용 네트워크에서 UDP(User Datagram Protocol) 통신을 기반으로 신속한 응답을 보장한다. OPC UA 시너지 플랫폼은 두 네트워크 간에 메시지를 전송하기 위한 OPC UA 클라이언트/서버 및 OPC UA 펍서브(PubSub) 패턴으로 구성된다. 이 플랫폼은 또한 제조 시스템 아키텍처의 도메인(인터넷 및 산업 네트워크용)을 상호 연결하는데 중요한 역할을 한다. 시너지 플랫폼은 서버/클라이언트와 펍서브(PubSub) 모델을 동시에 사용하는 시너지 모델을 말하며, OPC UA 스펙 문서에서 공식적으로 사용하는 용어이다.Figure 1 shows the concept of the OPC UA synergy platform, which is divided into broker, brokerless, and server models according to IEC 62541 (OPC UA). While the broker and server model aims for reliable message transmission based on TCP (Transmission Control Protocol) communication on the Internet, the brokerless model guarantees rapid response based on UDP (User Datagram Protocol) communication in industrial networks. The OPC UA Synergy platform consists of the OPC UA Client/Server and OPC UA PubSub patterns for transmitting messages between the two networks. This platform also plays an important role in interconnecting the domains of the manufacturing system architecture (for the Internet and industrial networks). The synergy platform refers to a synergy model that uses the server/client and PubSub models simultaneously, and is a term officially used in the OPC UA specification document.

도 2는 외부 인터넷 PubSub 클라우드 클라이언트(10), OPC UA 시너지 플랫폼(100), 내부 산업용 PubSub 클라이언트(40)으로 구성된 산업용 IoT 네트워크 시스템을 나타낸 것이다.Figure 2 shows an industrial IoT network system consisting of an external Internet PubSub cloud client (10), an OPC UA synergy platform (100), and an internal industrial PubSub client (40).

도 2를 참조하면, OPC UA 시너지 플랫폼(100)은 게이트웨이(브로커)(20), IGMP(Internet Group Management Protocol) 스위치(30), 방화벽(50) 등으로 구성되어 있으며, 게이트웨이(브로커)(20)는 AMQP 브로커(22)와 OPC UA PubSub 서버(24)를 포함한다. Referring to Figure 2, the OPC UA synergy platform 100 is composed of a gateway (broker) 20, an Internet Group Management Protocol (IGMP) switch 30, a firewall 50, etc., and a gateway (broker) 20. ) includes an AMQP broker (22) and an OPC UA PubSub server (24).

외부 인터넷 PubSub 클라우드(클라우드 클라이언트)(10)는 Out-of-TCP 기반 방화벽(50)에서 AMQP 브로커(22)를 통해 OPC UA PubSub 서버(24)와 비동기식으로 통신할 수 있다. AMQP 브로커(22)는 도 2와 같이 교환 유형 및 라우팅 키에 따라 인터넷 PubSub 클라우드(10)에 메시지를 보낸다.The external Internet PubSub cloud (cloud client) 10 can communicate asynchronously with the OPC UA PubSub server 24 through the AMQP broker 22 in the out-of-TCP-based firewall 50. The AMQP broker 22 sends a message to the Internet PubSub cloud 10 according to the exchange type and routing key as shown in FIG. 2.

OPC UA PubSub 서버(24)는 메시지를 AMQP 데이터 세트로 변환하고 AMQP 브로커(22)에 전송한다. PubSub 스택은 데이터 유형(UADP 또는 AMQP 메시지인지 여부)을 확인하고 데이터 세트 형식으로 읽고 쓸 수 있는 Network_Message_Reader/Writer라는 함수를 정의한다. IGMP 스위치(30)를 통해 게이트웨이(20)로 메시지를 빠르게 멀티캐스팅하는 멀티캐스팅 대역에 연결하여 내부 산업용 PubSub 클라이언트(40)의 수를 쉽게 늘릴 수 있다.The OPC UA PubSub server 24 converts the message into an AMQP data set and transmits it to the AMQP broker 22. The PubSub stack defines functions called Network_Message_Reader/Writer that can check the data type (whether it is a UADP or AMQP message) and read and write to the data set format. The number of internal industrial PubSub clients 40 can be easily increased by connecting to a multicasting band that quickly multicasts messages to the gateway 20 through the IGMP switch 30.

예를 들어, 도 2는 산업용 PubSub 클라이언트(40)의 메시지가 UADP PubSub 스택을 통해 OPC UA 데이터 세트로 변환된 후 OPC UA 주소 공간에 저장됨을 보여준다. 따라서 이 플랫폼(100)을 통해 TCP 기반의 인터넷과 UDP 기반의 산업 네트워크를 연결할 수 있다.For example, Figure 2 shows that a message from an industrial PubSub client 40 is converted to an OPC UA data set through the UADP PubSub stack and then stored in the OPC UA address space. Therefore, the TCP-based Internet and UDP-based industrial network can be connected through this platform 100.

그러나 OPC UA PubSub 서버(24)는 도 2와 같이 사용자로부터 BP를 통해 초기 구성을 설정해야 한다. 이 초기 구성은 UDP 멀티캐스팅 목적지 주소, AMQP 브로커의 목적지 주소, 간격 주기를 설정해야 한다. 즉, BP는 OPC UA 서버(24)와 클라이언트 패턴 간의 통신에 사용된다. 게이트웨이(20)의 OPC UA PubSub 서버(24)에는 구성을 포함한 정보 모델이 포함되어 있으며 방화벽(50) 외부의 OPC UA 클라이언트(10)는 이 서버(24)에 연결하여 초기 구성을 설정할 수 있다.However, the OPC UA PubSub server 24 must set the initial configuration from the user through BP as shown in FIG. 2. This initial configuration requires setting the UDP multicasting destination address, AMQP broker's destination address, and interval period. That is, BP is used for communication between the OPC UA server 24 and the client pattern. The OPC UA PubSub server 24 of the gateway 20 contains the information model, including the configuration, and OPC UA clients 10 outside the firewall 50 can connect to this server 24 to set up an initial configuration.

OPC UA 시너지 플랫폼(Synergy Platform)(100)은 OPC UA PubSub 서버(24)와 작성자가 개발한 open62541 기반 UADP 및 AMQP PubSub 스택과 AMQP Broker 버전 0.9.2로 구성된다.OPC UA Synergy Platform (100) consists of OPC UA PubSub server (24), open62541-based UADP and AMQP PubSub stack developed by the author, and AMQP Broker version 0.9.2.

본 발명에 따른 통합 아키텍처 및 구현 테스트베드Integrated architecture and implementation testbed according to the present invention

본 발명에 따른 통합 아키텍처는 산업 네트워크에 인터넷을 적용하기 위한 ISO/IEC 30141의 IoT 참조 아키텍처를 참조했다. 통합 아키텍처는 도 3에 OPC UA 시너지 플랫폼의 IIoT 네트워크와 제조 시스템 아키텍처로 도시되어 있다. The integrated architecture according to the present invention referred to the IoT reference architecture of ISO/IEC 30141 for applying the Internet to industrial networks. The integrated architecture is shown in Figure 3 as the IIoT network and manufacturing system architecture of the OPC UA Synergy Platform.

제조 시스템 아키텍처는 사용자, 클라우드 서비스, 감지 및 제어, 디바이스의 4개 도메인으로 구분되며 IIoT 엣지 네트워크에 매핑될 수 있다.The manufacturing system architecture is divided into four domains: users, cloud services, sensing and control, and devices, and can be mapped to the IIoT edge network.

일반적으로 Far/Near 엣지(Edge)의 개념은 IIoT edge 네트워크에 적용될 수 있다. Far/Near Edge 개념에서 Far Edge(40, 60)는 서비스를 제공하거나 클라우드에서 제공되는 제조 시스템의 최종 사용자 도메인(60) 및 장치 도메인(40)에 매핑될 수 있다. 또한 IIoT 엣지 네트워크에서 클라우드(10)는 제조 시스템의 클라우드 서비스 도메인(10)에 매핑될 수 있다. Near Edge(100)가 클라우드와 사용자 간에 적절하게 프로비저닝될 서비스를 배포하는 역할을 수행한다. Near Edge(100)가 바로 OPC UA 시너지 플랫폼(100)이 역할을 수행하는 장소이다. 여기가 바로 제조 시스템의 감지 제어 영역(100)이 이러한 역할을 하는 장소이다. In general, the concept of Far/Near Edge can be applied to IIoT edge networks. In the Far/Near Edge concept, the Far Edge (40, 60) can be mapped to the end-user domain (60) and device domain (40) of the manufacturing system that provides services or is provided in the cloud. Additionally, in the IIoT edge network, the cloud 10 can be mapped to the cloud service domain 10 of the manufacturing system. Near Edge (100) plays the role of distributing appropriately provisioned services between the cloud and the user. Near Edge (100) is where the OPC UA Synergy Platform (100) plays its role. This is where the sensing and control area 100 of the manufacturing system comes into play.

감지 제어 도메인(100)은 OPC UA 시너지 플랫폼(1000에 매핑되어 클라우드 서버(10)와 산업용 장치(40) 간의 대용량 데이터를 처리한다. 여기에서 감지 제어 도메인(100)은 클라우드 서비스(10)와 장치 도메인(40)을 연결하고 OPC UA 시너지 플랫폼(100)은 인터넷의 AMQP 측과 산업 네트워크 사이의 OPC 게이트 또는 커넥터 역할을 하여 두 네트워크의 서로 다른 상호 연결 문제를 해결한다.The sensing control domain 100 is mapped to the OPC UA Synergy Platform (1000) and processes large amounts of data between the cloud server 10 and the industrial device 40. Here, the sensing control domain 100 is connected to the cloud service 10 and the device. Connecting the domains 40, the OPC UA Synergy Platform 100 acts as an OPC gate or connector between the AMQP side of the Internet and the industrial network, solving the different interconnection problems of the two networks.

제조 시스템에서 각 영역의 역할과 설명은 다음과 같다.The role and description of each area in the manufacturing system are as follows.

A. 통합 아키텍처 영역(도메인)의 역할A. Role of the integrated architecture area (domain)

1) 사용자 도메인1) User domain

사용자 도메인은 사용자를 공장에서 서비스를 받는 고객(사용자 단말)으로 정의한다. 사용자는 인터넷 연결을 통해 어디서나 모니터링 및 구성 정보에 쉽게 액세스할 수 있지만 내부 공장에 직접 액세스할 수는 없다. 사용자는 클라우드 서비스 도메인에 간접적으로 서비스를 요청하고 구성 파라미터를 전달하여 공장을 유연하게 관리한다. The user domain defines the user as a customer (user terminal) who receives service from the factory. Users can easily access monitoring and configuration information from anywhere with an Internet connection, but do not have direct access to the internal plant. Users manage the factory flexibly by indirectly requesting services from the cloud service domain and passing configuration parameters.

2) 클라우드 서비스 도메인2) Cloud service domain

클라우드 서비스 도메인은 내부 공장에 직접 연결되어 인터넷 프로토콜(예: HTTP/HTTPS)과 인터넷 보안(예: TCP-방화벽)을 기반으로 사용자에게 모니터링 서비스를 제공하여 악의적인 사용자가 클라우드에 접근하지 못하도록 차단한다. 클라우드 서비스 도메인은 사용자 인터페이스 서비스를 제공하는 프런트 엔드 서버와 공장 정보를 모니터링하는 백 엔드 클라이언트로 구성된다. 백엔드 클라이언트는 많은 자산에 직접 연결하기 위해 많은 양의 데이터와 다중 액세스를 안정적으로 확보하기 위해 IoT 프로토콜(예: AMQP/MQTT)이 필요하다. 따라서 클라우드 서비스 도메인은 실시간 요구 사항을 충족하기 위해 상호 연결 및 빠른 처리를 제공해야 한다.The cloud service domain is directly connected to the internal factory and provides monitoring services to users based on Internet protocols (e.g. HTTP/HTTPS) and Internet security (e.g. TCP-firewall) to prevent malicious users from accessing the cloud. . The cloud service domain consists of a front-end server that provides user interface services and a back-end client that monitors factory information. Backend clients require IoT protocols (e.g. AMQP/MQTT) to reliably secure large amounts of data and multiple accesses to directly connect to many assets. Therefore, the cloud service domain must provide interconnection and fast processing to meet real-time requirements.

3) 감지 제어 도메인3) Sensing control domain

공장에는 OT와 인터넷 기술 간의 트래픽을 조정하기 위해 감지 제어 도메인을 위한 네트워크 처리 기계가 필요하다. 예를 들어, OT(예: UADP)용 멀티캐스팅을 사용하려면 IGMP 스위치가 필요하고 IT(예: AMQP)용 멀티캐스팅을 사용하려면 브로커가 필요하다. 감지 제어 도메인은 또한 산업용 기기의 다중 연결에서 실시간 데이터를 빠르게 처리하고 클라우드 도메인에서 서버의 요청에 동시에 응답하는 역할도 한다. 따라서 OPC UA 시너지 플랫폼이 감지 제어 도메인에 포함되어 도 3과 같이 클라우드 서비스와 장치 도메인을 연결할 수 있다.Factories need network processing machines for the sensing control domain to coordinate traffic between OT and Internet technologies. For example, multicasting for OT (e.g. UADP) requires an IGMP switch, and multicasting for IT (e.g. AMQP) requires a broker. The sensing control domain also serves to quickly process real-time data from multiple connections of industrial devices and simultaneously respond to requests from servers in the cloud domain. Therefore, the OPC UA Synergy platform can be included in the sensing control domain to connect the cloud service and device domain as shown in Figure 3.

4) 장치 도메인4) Device domain

장치 도메인에는 공장 시나리오를 구현하는데 사용되는 산업 장비(장치)가 포함된다. 예를 들어, 픽 앤 플레이스 시나리오는 로봇 팔, 컨베이어 벨트 및 컨트롤러 장치와 같은 엔티티로 구성된다. 감지 제어 도메인에서 종단 장치에 대한 활성화 신호가 장치 도메인에 도달하면 모든 산업 장비는 미리 주문한 시나리오에 따라 자동으로 작동한다.The device domain contains industrial equipment (devices) used to implement factory scenarios. For example, a pick and place scenario consists of entities such as a robotic arm, conveyor belt, and controller device. When an activation signal for an end device in the sensing control domain reaches the device domain, all industrial equipment automatically operates according to a pre-ordered scenario.

B. 산업 IoT 도메인 간의 통신 프로토콜B. Communication protocols between industrial IoT domains

1) 사용자 및 클라우드 서비스 도메인의 HTTP/HTTPS1) HTTP/HTTPS for user and cloud service domains

사용자 및 클라우드 서비스 도메인은 인터넷을 사용할 때 안정성을 위해 TCP 기반 통신이 필요하다. TCP 기반 통신에서 상대적으로 긴 지연은 사용자에게 심각한 영향을 미치지 않는다. 따라서 TCP 기반 통신이 더 안정적이며 결과적으로 선호되는 데이터 통신 유형이다. HTTP는 데이터 신뢰성을 보장하기 위한 인터넷 프로토콜로 널리 사용된다. HTTP 기본 포트는 일반적으로 다른 인터넷 프로토콜보다 유리한 방화벽에서도 열려 있다. HTTP에는 보안이 없기 때문에 보안 소켓 기능을 위해 HTTPS가 추가되었다. 따라서 사용자와 클라우드 서비스 도메인 간의 통신에는 HTTP 추가 보안 소켓(HTTPS)을 사용하는 것이 좋다.Users and cloud service domains require TCP-based communication for stability when using the Internet. Relatively long delays in TCP-based communications do not have a significant impact on users. Therefore, TCP-based communication is more reliable and is consequently the preferred type of data communication. HTTP is widely used as an Internet protocol to ensure data reliability. HTTP default ports are usually open even in firewalls, which is an advantage over other Internet protocols. Since HTTP does not have security, HTTPS was added for secure socket functionality. Therefore, it is recommended to use HTTP Additional Secure Sockets (HTTPS) for communication between users and cloud service domains.

2) 감지 제어 도메인과 클라우드 서비스 도메인의 AMQP/바이너리 프로토콜2) AMQP/binary protocol in the discovery control domain and cloud service domain

클라우드 서비스와 감지 제어 도메인 간의 통신을 위해서는 클라우드에 접근하는 상호 연결 문제뿐만 아니라 인터넷에 연결된 방화벽을 사용하는 것도 고려해야 한다. AMQP 및 OPC UA PubSub 프로토콜을 사용하면 미들웨어를 통해 상당하고 안전한 데이터를 전송할 수 있다. 따라서 AMQP/UADP 연결을 위한 정보 모델을 제공하기 위해 OPC UA 시너지 플랫폼을 사용한다. OPC UA 시너지 플랫폼은 도 3과 같이 BP 클라이언트/서버를 통해 클라우드 도메인에서 감지 제어 도메인으로 연결하고 클라우드 도메인 측에서 AMQP PubSub 연결을 구성한 다음 이 두 도메인 사이에 AMQP 연결을 설정한다. 감지 제어 도메인 측의 AMQP 브로커는 클라우드 서버에 대한 안전하고 안정적인 상호 연결을 보장할 수 있다.For communication between the cloud service and the sensing control domain, the use of a firewall connected to the Internet as well as the interconnection issues to access the cloud must be considered. AMQP and OPC UA PubSub protocols allow significant and secure data transfer through middleware. Therefore, the OPC UA Synergy platform is used to provide an information model for AMQP/UADP connectivity. As shown in Figure 3, the OPC UA Synergy platform connects from the cloud domain to the detection control domain through the BP client/server, configures an AMQP PubSub connection on the cloud domain side, and then establishes an AMQP connection between these two domains. The AMQP broker on the sensing control domain side can ensure secure and stable interconnection to cloud servers.

3) 감지 제어 도메인과 장치 도메인의 통합 아키텍처 데이터그램 프로토콜3) Unified architecture datagram protocol of detection control domain and device domain

도 3과 같이 위쪽이 감지 제어 도메인과 통신할 때 TCP 기반 통신이 사용된다. 그러나 하위 통신의 경우 산업용 장치에서 감지 데이터를 신속하게 집계하고 메시지를 동시에 장비로 보내야 한다. 브로커리스 모델에 기반한 UADP는 OT용 멀티캐스트 프로토콜로서 빠른 응답과 비동기 통신을 보장한다. UADP는 또한 특정 스위치가 필요하며 IGMP 스위치를 통해 네트워크의 모든 가입자에게 메시지를 배포하는 작업을 전환한다. 따라서 이 프로토콜은 낮은 쪽에서 빠른 UDP 통신의 처리를 보장하기 위해 권장된다. As shown in Figure 3, TCP-based communication is used when the upper part communicates with the sensing control domain. However, for downstream communications, industrial devices must quickly aggregate sensing data and send messages to the equipment simultaneously. UADP, based on the brokerless model, is a multicast protocol for OT that guarantees fast response and asynchronous communication. UADP also requires a specific switch and offloads the task of distributing messages to all subscribers in the network over the IGMP switch. Therefore, this protocol is recommended to ensure fast processing of UDP communications on the low end.

한편, 장치 도메인은 제조사가 지원할 수 있는 다양한 산업용 프로토콜로 구성된다. 이러한 프로토콜은 중요한 시점에 즉시 응답하는 실시간 기반 산업용 프로토콜이며 산업용 장치는 OPC UA를 통해 서로 통신할 수 있다. 산업용 장치가 OPC UA 기능을 제공하지 않는 경우 UADP 기능을 위한 OPC UA 스택을 사용하여 OPC UA 시너지 플랫폼에 쉽게 연결할 수 있다.Meanwhile, the device domain consists of various industrial protocols that manufacturers can support. These protocols are real-time based industrial protocols that respond immediately at critical points and allow industrial devices to communicate with each other via OPC UA. If the industrial device does not provide OPC UA functionality, it can be easily connected to the OPC UA Synergy platform using the OPC UA stack for UADP functionality.

본 발명에 따른 아키텍처의 중요한 특징은 여러 벤더와 함께 OPC 기반의 OPC UA를 사용하여 이기종 장치 간의 상호 운용성 및 상호 연결성을 보장한다는 것이다. 또한 OPC UA는 강력한 상호 운용성 솔루션을 위한 정보 모델 및 통신 서비스에 유용한 기능을 제공한다. An important feature of the architecture according to the invention is that it uses OPC-based OPC UA with multiple vendors to ensure interoperability and interconnectivity between heterogeneous devices. OPC UA also provides useful features for information models and communication services for robust interoperability solutions.

통합 아키텍처의 또 다른 주요 기능은 분산 구조와 사용자에서 최종 장치까지의 비동기 작업이 4개의 도메인으로 구분된다는 것이다. 이러한 이점은 복잡한 수명 주기를 단순화하고 시스템의 유연성을 확장한다. 따라서 시스템 관리 효율성을 높일 수 있다. 또한, 4개 산업 영역의 비동기식 운영으로 폭발적인 트래픽 처리 문제를 해결하고 빅 데이터 처리와 같은 보다 대규모 서비스를 제공할 수 있다. Another key feature of the integrated architecture is its distributed architecture and asynchronous operations from user to end device, divided into four domains. These benefits simplify complex life cycles and expand the flexibility of the system. Therefore, system management efficiency can be improved. In addition, asynchronous operation of four industrial areas can solve explosive traffic processing problems and provide larger-scale services such as big data processing.

사례 연구: 픽 앤 플레이스 시스템Case Study: Pick and Place System

이 섹션에서는 다양한 성능을 검증하기 위해 본 발명에 따른 아키텍처의 사례 연구로 픽 앤 플레이스 시스템을 시연한다. 본 발명의 아키텍처를 매핑하고 픽 앤 플레이스 시나리오를 설명하기 위해 시스템을 구현했다. 도 4는 사례 연구로 사용된 로봇 및 컨베이어 벨트 시스템의 다이어그램을 나타낸다. 도 5는 4개의 도메인과 3개의 네트워크로 나눌 수 있는 실제 구현된 테스트베드를 보여준다.In this section, we demonstrate the pick and place system as a case study of the architecture according to the invention to verify its various performances. A system was implemented to map the architecture of the invention and illustrate a pick-and-place scenario. Figure 4 shows a diagram of the robot and conveyor belt system used as a case study. Figure 5 shows an actual implemented testbed that can be divided into four domains and three networks.

1) HTTP 사용자 도메인1) HTTP user domain

도 4에 도시된 바와 같이, 사용자 도메인(40)에서 사용자는 로봇의 위치 조정, 장치의 동작 상태, 또는 HTTP를 통해 메시지 주기나 속도를 조정하는 설정 서비스와 같은 모니터링 서비스를 원하는 모든 개체일 수 있다. 일반적으로 여러 HTTP 클라이언트가 있으며 사용자는 HTTP를 지원하는 웹 브라우저를 선택할 수 있다.As shown in FIG. 4, in the user domain 40, a user may be any entity that desires monitoring services, such as adjusting the position of a robot, operating status of a device, or a configuration service that adjusts the message cycle or speed through HTTP. . There are usually several HTTP clients and users can choose any web browser that supports HTTP.

2) AMQP 및 BP가 적용된 클라우드 서비스 도메인2) Cloud service domain with AMQP and BP applied

클라우드 서비스 도메인(10)에서는 분산된 클라우드가 서로 통신할 수 있도록 HTTP를 지원하는 2개의 클라우드 서버(12, 14)와 인터넷 연결을 위한 3개의 라우터를 설계했다. 첫 번째 클라우드 서버(제1 클라우드)(12)는 공장 구성 서비스에 사용되었다. 두 번째 클라우드 서버(제2 클라우드)(14)는 공장 모니터링/제어 서비스를 위한 것이었다. 공장 모니터링/제어용 서버(14)는 OPC UA PubSub 인터페이스의 AMQP를 통해 OPC UA 시너지 플랫폼 게이트웨이(20)로 공장 정보를 요청한다. 사용자의 구성 메시지(예: 기간, 속도, IP 주소 정보)가 공장 구성을 위해 서버(12)로 전달되면 서버(12)는 OPC UA 클라이언트/서버 인터페이스의 BP를 통해 해당 정보를 OPC UA 시너지 플랫폼 게이트웨이(20)로 전송한다.In the cloud service domain (10), two cloud servers (12, 14) supporting HTTP and three routers for Internet connection were designed so that distributed clouds can communicate with each other. The first cloud server (first cloud) 12 was used for factory configuration services. The second cloud server (Second Cloud) (14) was for factory monitoring/control services. The factory monitoring/control server 14 requests factory information from the OPC UA Synergy Platform Gateway 20 through AMQP of the OPC UA PubSub interface. When the user's configuration messages (e.g., period, speed, IP address information) are passed to the server 12 for factory configuration, the server 12 sends that information through the BP of the OPC UA client/server interface to the OPC UA Synergy Platform Gateway. Send to (20).

3) OPC UA를 사용하는 감지 제어 도메인3) Discovery control domain using OPC UA

도 4와 같이 감지 제어 도메인(100)은 OPC UA 시너지 플랫폼에 해당하며, 게이트웨이(20)와 멀티캐스팅을 위한 IGMP 스위치(30)로 구성된다. OPC UA 시너지 플랫폼의 게이트웨이(20)에는 UADP, AMQP 스택 및 BP 클라이언트/서버 스택이 포함되며, 이는 감지 제어 도메인을 클라우드 및 장치 도메인과 연결하는 것으로 가정한다. 한편, OPC UA 시너지 플랫폼(100)은 도 4와 같이 산업용 네트워크를 통해 4대의 라즈베리 파이 3 컴퓨터로부터 UADP 메시지를 구독했다. OPC UA 시너지 플랫폼(100)은 또한 UADP 메시지를 AMQP 데이터 세트로 변환하여 외부 인터넷으로 동시에 전송한다.As shown in Figure 4, the detection control domain 100 corresponds to the OPC UA synergy platform and is composed of a gateway 20 and an IGMP switch 30 for multicasting. The gateway 20 of the OPC UA Synergy platform includes UADP, AMQP stack and BP client/server stack, which are assumed to connect the sensing control domain with the cloud and device domains. Meanwhile, the OPC UA Synergy Platform 100 subscribed to UADP messages from four Raspberry Pi 3 computers through the industrial network as shown in FIG. 4. The OPC UA Synergy platform 100 also converts the UADP message into an AMQP data set and simultaneously transmits it to the external Internet.

4) UADP 및 파워링크가 있는 장치 도메인4) Device domain with UADP and PowerLink

장치 도메인(40)은 2개의 컨베이어 벨트, 2개의 로봇 암, 파워링크를 지원하는 4개의 PLC I/O 컨트롤러, 제어 로직을 포함한 로봇/컨베이어 운영 소프트웨어를 위한 4개의 라즈베리 파이 3 Model B 컴퓨터로 구성된다. 파워링크와 UADP 통신을 동시에 지원하는 사용 가능한 OPC 제품은 없다. 이를 고려하여 라즈베리 파이 3 컴퓨터에서 이러한 컴퓨터를 OPC UA 시너지 플랫폼과 파워링크 네트워크에 연결하는데 사용할 수 있도록 간단한 UADP 및 파워링크 스택을 개발했다. The device domain 40 consists of two conveyor belts, two robot arms, four PLC I/O controllers supporting power link, and four Raspberry Pi 3 Model B computers for robot/conveyor operation software including control logic. do. There are no available OPC products that support PowerLink and UADP communications simultaneously. With this in mind, we developed a simple UADP and PowerLink stack on Raspberry Pi 3 computers that can be used to connect these computers to the OPC UA Synergy platform and PowerLink network.

도 4와 같이 라즈베리 파이 3 컴퓨터는 UADP를 통해 OPC UA 시너지 플랫폼에 모니터링 데이터를 게시한다. 또한 로봇/컨베이어 벨트에 대한 제어 신호를 파워링크 네트워크를 통해 각 PLC I/O 컨트롤러로 보내도록 설계되었다. PLC I/O 컨트롤러에서 제어 신호를 수신한 후 두 개의 컨베이어 벨트 또는 로봇이 픽 앤 플레이스 시나리오에 따라 작동한다.As shown in Figure 4, the Raspberry Pi 3 computer posts monitoring data to the OPC UA Synergy platform through UADP. It is also designed to send control signals for the robot/conveyor belt to each PLC I/O controller through the Power Link network. After receiving control signals from the PLC I/O controller, the two conveyor belts or robots operate according to the pick and place scenario.

로봇은 컨베이어 벨트가 작업을 마친 후 완료 신호를 수신한다. 컨베이어 벨트가 완전히 정지하지 않으면 로봇 팔이 물체를 픽업하기 위해 작동하지 않으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 설정이 완료되면 로봇이 물건을 들어 반대편에 놓고 컨베이어 벨트가 도 4와 같이 이송을 시작한다.The robot receives a completion signal after the conveyor belt has finished its work. If the conveyor belt does not come to a complete stop, the robotic arm will not work to pick up the object and vice versa. Once the setup is complete, the robot picks up the item and places it on the other side, and the conveyor belt starts transporting it as shown in Figure 4.

5) 테스트베드 구축5) Building a test bed

도 5(a)-(c)는 2개의 클라우드 서버에 대해 구현된 픽 앤 플레이스 시스템과 사용자 인터페이스(UI) 디스플레이를 보여준다. 도 5(a)와 같이 시스템은 4대의 라즈베리 파이 3 Model B 컴퓨터를 UADP 게시자로 사용하고 2대의 PLC X20CP1584 및 2대의 X20BC0083 세트를 Powerlink I/O 모듈로 사용했다. Figures 5(a)-(c) show the pick and place system and user interface (UI) display implemented for two cloud servers. As shown in Figure 5(a), the system used four Raspberry Pi 3 Model B computers as UADP publishers and two sets of PLCs X20CP1584 and two sets of X20BC0083 as Powerlink I/O modules.

이 시스템에는 IGMP 스위치용 ipTIME SW2400-mini 24와 OPC UA 플랫폼 게이트웨이로 Intel NUC 키트 NUC8I3BEH도 포함되어 있다. Ufactory에서 만든 2개의 6축 로봇 암과 2개의 컨베이어 벨트가 최종 장치로 사용되었다. 로봇과 컨베이어 벨트 동작의 실시간 상태값과 산업용 네트워크에서 구한 목표점의 좌표는 Fig. 5(b)와 같다. 도 5(c)는 OPC UA 시너지를 위한 AMQP 및 UDP 멀티캐스팅의 주소, 속도 및 TTL(Time To Live) 설정과 구성 서버를 보여준다. Lenovo Think Center M720 Tiny PC 2대가 서버로 사용되었으며 웹 애플리케이션 서버를 통해 사용자에게 웹 콘텐츠를 제공하는데 사용되었다.The system also includes ipTIME SW2400-mini 24 for IGMP switch and Intel NUC kit NUC8I3BEH as OPC UA platform gateway. Two 6-axis robot arms and two conveyor belts made by Ufactory were used as the final devices. The real-time status values of the robot and conveyor belt operations and the coordinates of the target point obtained from the industrial network are shown in Fig. Same as 5(b). Figure 5(c) shows the address, rate, and TTL (Time To Live) settings and configuration server for AMQP and UDP multicasting for OPC UA synergy. Two Lenovo Think Center M720 Tiny PCs were used as servers and were used to provide web content to users through a web application server.

도 5에서 로봇과 컨베이어 벨트는 산업용 PLC 장비에 연결되어 있다. 또한 PLC 장치는 실시간 애플리케이션을 위한 산업용 프로토콜인 파워링크를 통해 로봇 소프트웨어를 포함한 4개의 라즈베리 파이 모듈 각각과 통신한다. 여기서 파워링크는 이더넷 기반 통신이며 세 가지 특성이 있다.In Figure 5, the robot and conveyor belt are connected to industrial PLC equipment. Additionally, the PLC device communicates with each of the four Raspberry Pi modules containing the robot software via PowerLink, an industrial protocol for real-time applications. Here, PowerLink is Ethernet-based communication and has three characteristics.

- 구성 가능한 응답 시간은 매우 짧은 등시성 주기로 시간이 중요한 데이터 전송을 보장한다.- Configurable response time ensures time-critical data transmission with very short isochronous periods.

- 마이크로초 미만의 매우 높은 정밀도로 산업용 네트워크의 모든 노드 시간을 동기화한다.- Synchronizes the times of all nodes in an industrial network with very high precision of sub-microseconds.

- 스케줄링된 비동기 채널에서 덜 중요한 데이터 전송.- Transfer of less important data on scheduled asynchronous channels.

따라서 파워링크 프로토콜을 통해 PLC와 라즈베리 파이 간에 실시간 및 동기화를 유지할 수 있다. 또한 OPC UA를 사용하는 UADP 기반 프로토콜은 라즈베리 파이와 OPC UA 시너지 플랫폼 게이트웨이 사이에 사용된다. 여기에서는 NTP(Network Time Protocol) 기반 시스템 동기화 도구인 chrony 도구를 라즈베리 파이와 OPC UA 시너지 플랫폼 게이트웨이 사이에 사용했다. chrony 도구는 하드웨어 타임스탬프를 통해 각 시스템의 클럭 동기화를 지원하므로 모든 라즈베리 파이와 OPC UA 시너지 플랫폼 게이트웨이의 시스템 클럭 동기화가 가능하다.Therefore, real-time and synchronization can be maintained between the PLC and Raspberry Pi through the PowerLink protocol. Additionally, a UADP-based protocol using OPC UA is used between the Raspberry Pi and the OPC UA Synergy Platform Gateway. Here, the chrony tool, a Network Time Protocol (NTP) based system synchronization tool, was used between the Raspberry Pi and the OPC UA Synergy Platform Gateway. The chrony tool supports clock synchronization of each system through hardware timestamps, enabling system clock synchronization of any Raspberry Pi and OPC UA Synergy Platform Gateway.

본 발명에 따른 아키텍처의 동작을 설명하기 위해 시퀀스 다이어그램을 사용한다. 또한 아키텍처의 4개 영역에 대한 성능 평가 결과를 제시한다. 그런 다음 페이로드 크기를 변경하여 각 통신 프로토콜에 대해 애플리케이션 수준 대기 시간을 비교한다. A sequence diagram is used to explain the operation of the architecture according to the present invention. We also present performance evaluation results for four areas of the architecture. We then compare the application-level latency for each communication protocol by varying the payload size.

A. 작업 순서A. Sequence of operations

본 발명에 따른 아키텍처에 대한 운영 작업의 순서는 도 6에 나와 있다. 사용자 도메인(60)의 고객은 OPC UA 시너지 플랫폼의 초기 구성을 설정하기 위해 모니터링 또는 응답 데이터를 요청할 수 있다. 클라우드 서비스 도메인(10)에는 초기 구성을 위한 클라우드 서버(12)와 산업 데이터 제어/모니터링을 위한 클라우드 서버(14)가 있다. The sequence of operational tasks for the architecture according to the invention is shown in Figure 6. Customers in user domain 60 may request monitoring or response data to establish an initial configuration of the OPC UA Synergy platform. The cloud service domain 10 includes a cloud server 12 for initial configuration and a cloud server 14 for industrial data control/monitoring.

도 6과 같이 프로세스(A-D)는 사용자 도메인(60)에서 감지 제어 도메인(100)까지 걸쳐 있다. 이 프로세스는 첫 번째 클라우드(제1 클라우드)(12), 즉 "Factory Configuration Cloud1"의 초기 구성에 대한 것이다. 이 서버(12)는 OPC UA 시너지 플랫폼의 구성(예: 메시지 속도, 주기, 각 산업용 장치의 IP 주소)을 관리할 수 있다. "Factory Configuration Cloud1"은 사용자와 클라우드 서비스 도메인 사이에서 HTTP를 통해 비동기식으로 처리되는 반면, 감지 제어 도메인(100)의 OPC UA PubSub 서버(24)는 Cloud1 서버(12)를 사용하는 OPC UA 클라이언트/서버 패턴을 통해 동기식으로 처리된다. HTTP post/get 방식과 ACK(Acknowledgement) 신호(A, B)를 통해 사용자 및 클라우드 서비스 도메인을 구성하였다.As shown in Figure 6, processes A-D span from the user domain 60 to the sensing control domain 100. This process is for the initial configuration of the first cloud (12), i.e. “Factory Configuration Cloud1”. This server 12 can manage the configuration of the OPC UA Synergy platform (e.g. message rate, frequency, IP address of each industrial device). “Factory Configuration Cloud1” is processed asynchronously over HTTP between the user and the cloud service domain, while the OPC UA PubSub server (24) in the discovery control domain (100) is an OPC UA client/server using the Cloud1 server (12). It is processed synchronously through patterns. User and cloud service domains were configured through HTTP post/get method and ACK (Acknowledgement) signals (A, B).

OPC UA PubSub 서버는 도 6(C 및 D)에서와 같이 RPC(Remote Process Call) 서비스의 ReadRequest 및 ReadResponse를 클라우드에 제공했다. 도 6에 표시된 구성 대기 시간은 (A)와 (B)의 차이와 (C)와 (D)의 차이를 합산하여 얻은 것이다. The OPC UA PubSub server provided the ReadRequest and ReadResponse of the RPC (Remote Process Call) service to the cloud, as shown in Figure 6 (C and D). The configuration latency shown in Figure 6 is obtained by summing the difference between (A) and (B) and the difference between (C) and (D).

도 6은 모니터링 지연이 사용자 도메인에서 디바이스 도메인까지의 범위이고, 두 번째 클라우드(Factory Monitoring/Controlling Cloud2)(제2 클라우드)(14)의 모니터링/제어 데이터가 처리되었음을 나타낸다(E-J). 이 과정에서 고객은 HTTP 및 OPC UA PubSub 패턴을 통해 클라우드 서비스와 감지 제어 도메인 간의 모니터링 데이터를 수신한다. 도 6(G)-(J)에서 볼 수 있듯이 OPC UA PubSub 서버(24)는 장치 도메인에서 산업용 데이터 세트를 수신하고 AMQP 브로커(22)로 전송되는 AMQP 데이터 세트로 변환한다. 이 데이터 세트가 AMQP 대기열에 도달하면 AMQP 브로커는 데이터 세트를 구독자(Cloud2 서버)(14)에게 전송한다. 디바이스 도메인(40)이 추가적인 산업용 장비를 포함하는 경우 도 6(J)와 같이 UADP PubSub가 추가되고 데이터는 자동으로 멀티캐스팅 대역에 공개된다. 이 과정에서 Cloud1은 PubSub 모델에 대한 설정 서비스를 제공하고, Cloud2는 대량의 메시지 전송을 모니터링하고 단말 장치의 상호 연결을 보장한다. 도 6에 표시된 총 모니터링 지연 시간은 (E)와 (F) 간의 시간차, (G)와 (H) 간의 시간차, 그리고 멀티캐스팅 퍼블리싱 지연 (I)과 (J)를 합산하여 구했다.Figure 6 shows that the monitoring delay ranges from the user domain to the device domain, and the monitoring/control data of the second cloud (Factory Monitoring/Controlling Cloud2) (14) has been processed (E-J). In this process, customers receive monitoring data between the cloud service and the sensing control domain through HTTP and OPC UA PubSub patterns. As can be seen in Figures 6(G)-(J), the OPC UA PubSub server 24 receives industrial data sets from the device domain and converts them into AMQP data sets that are sent to the AMQP broker 22. When this data set reaches the AMQP queue, the AMQP broker transmits the data set to the subscriber (Cloud2 server) (14). If the device domain 40 includes additional industrial equipment, UADP PubSub is added as shown in FIG. 6(J) and data is automatically released to the multicasting band. In this process, Cloud1 provides configuration services for the PubSub model, and Cloud2 monitors large-scale message transmission and ensures interconnection of terminal devices. The total monitoring delay time shown in Figure 6 was obtained by summing the time difference between (E) and (F), the time difference between (G) and (H), and the multicast publishing delay (I) and (J).

B. 본 발명에 따른 아키텍처의 데이터 지연B. Data delay of architecture according to the present invention

도 6의 동작 순서 다이어그램에 대해 각 영역의 목표 지연 시간 프로토콜과 측정 범위는 표 1과 같다.For the operation sequence diagram in Figure 6, the target delay time protocol and measurement range for each area are shown in Table 1.

표 1은 도메인의 각 주요 프로토콜을 포함하여 네 가지 측정 대상을 나타낸다. 네 가지 측정 대상은 사용자와 클라우드 서비스 도메인 간의 HTTP 프로토콜, OPC UA 클라이언트/서버 모델 기반 BP, 클라우드 서비스와 감지 제어 도메인 간의 OPC UA PubSub 모델 기반 AMQP, 그리고 감지 제어 도메인과 장치 도메인 간의 UADP의 OPC UA PubSub 모델이다. Table 1 presents four measurement targets, including each major protocol in the domain. The four measurement targets are the HTTP protocol between the user and the cloud service domain, BP based on the OPC UA client/server model, AMQP based on the OPC UA PubSub model between the cloud service and the discovery control domain, and OPC UA PubSub of UADP between the discovery control domain and the device domain. It's a model.

트래픽 발생의 경우 송수신 주기가 10ms이고 페이로드 크기가 256~16384 바이트인 패킷을 주기적으로 전송하는 사용자 응용 프로그램을 구현했다. 사용자 응용 프로그램은 OPC UA 구현을 위한 오픈 소스 자원인 open62541과 Rabbitmq 프로젝트의 AMQP Stack과 HTTP Stack을 이용하여 구현하였다.In the case of traffic generation, we implemented a user application that periodically transmits packets with a transmission/reception period of 10ms and a payload size of 256 to 16384 bytes. The user application was implemented using open62541, an open source resource for OPC UA implementation, and the AMQP Stack and HTTP Stack of the Rabbitmq project.

Wireshark 측정 도구를 사용하여 수신기 측의 대기 시간을 비교했다. 수행된 모든 실험에서 4개 영역의 각 메시지 송수신 주기는 10ms이고 페이로드 크기는 256~16384 바이트였다. 이 대기 시간 측정 실험은 30분 동안 최소 5872개 패킷에서 최대 11168개 패킷까지 10번 수행되었으며 수집되었다.We compared the latency on the receiver side using the Wireshark measurement tool. In all conducted experiments, the message transmission/reception period for each of the four areas was 10 ms and the payload size was 256 to 16384 bytes. This latency measurement experiment was performed and collected 10 times over 30 minutes, from a minimum of 5872 packets to a maximum of 11168 packets.

도 7은 표 2에서 얻은 주요 결과인 애플리케이션 레벨 프로토콜 대기 시간의 측정 결과를 보여준다. 도 7(a)는 사용자 도메인과 구성 cloud1 서버 간의 HTTP 대기 시간이 있는 왕복 시간을 나타낸다. 이 최대 대기 시간은 16384 바이트에서 평균 11.90ms로 37.97ms의 지연이 있었고, Wireshark 측정 도구로 HTTP 재전송은 16384kb에서 최대 48회 측정됐다. HTTP는 전송 중 데이터가 손실되거나 ACK 값에 문제가 발생한 경우 재전송을 사용하여 높은 신뢰성의 통신을 나타낸다. Figure 7 shows the measurement results of application-level protocol latency, which is the main result obtained in Table 2. Figure 7(a) shows the round-trip time with HTTP latency between the user domain and the configuration cloud1 server. This maximum latency was 11.90ms on average at 16384 bytes, resulting in a delay of 37.97ms, and HTTP retransmissions were measured up to 48 times at 16384kb using the Wireshark measurement tool. HTTP represents highly reliable communication by using retransmission when data is lost during transmission or a problem occurs with the ACK value.

그러나 이 재전송은 대기 시간에 상당한 영향을 미치며 페이로드 값이 증가함에 따라 자주 발생하므로 평균 지연도 크게 발생한다(도 7(a)). 따라서 대기 시간 결과는 또한 모든 TCP 프로토콜 중에서 HTTP가 페이로드의 영향을 받을 가능성이 가장 높고 응답 시간이 가장 느리다는 것을 보여준다.However, this retransmission has a significant impact on latency and occurs more frequently as the payload value increases, resulting in a larger average delay (Figure 7(a)). Therefore, the latency results also show that among all TCP protocols, HTTP has the highest payload impact and the slowest response time.

도 7(b)는 OPC UA PubSub 모델의 AMQP에 대한 대기 시간을 보여주며 HTTP와 비교하여 페이로드 크기에 미치는 영향이 미미함을 나타낸다. 유사하게, AMQP는 페이로드 크기가 증가함에 따라 덜 변동하는 지연을 나타냈다. 이 프로토콜의 최대 대기 시간은 3.85ms이고 평균 시간은 16384 바이트에서 3.37ms이다. Figure 7(b) shows the latency for AMQP in the OPC UA PubSub model, showing a negligible impact on payload size compared to HTTP. Similarly, AMQP exhibited less variable delays as payload size increased. The maximum latency for this protocol is 3.85ms and the average time is 3.37ms at 16384 bytes.

도 7(c)는 OPC UA 클라이언트/서버 모델을 기반으로 하는 BP의 RTT를 나타내며, 다른 TCP 프로토콜에 비해 가장 단조롭고 빠른 응답 시간을 보였다. 이 프로토콜의 최대 대기 시간은 2.15ms이고 평균 시간은 1.91ms이다. TCP 네트워크에서 TCP 대역폭의 최대값은 RWND(Receive Windows Size)와 TWND(Transmission Windows Size)가 같을 때 보장된다. 이러한 크기가 다르면 지연 시간이 최대 대역폭에 영향을 미치고 대기 시간이 생성된다. Figure 7(c) shows the RTT of BP based on the OPC UA client/server model, showing the most monotonous and fastest response time compared to other TCP protocols. The maximum latency of this protocol is 2.15ms and the average time is 1.91ms. In a TCP network, the maximum TCP bandwidth is guaranteed when RWND (Receive Windows Size) and TWND (Transmission Windows Size) are equal. These different sizes affect the maximum bandwidth and create latency.

한편, 이 실험에서 TWND 크기는 발신 버퍼 크기를 변경하지 않기 때문에 고정된 반면, RWND 크기는 수신자가 조정한 창 크기 옵션에 따라 다르다. 마찬가지로, 도 7에 표시된 TCP 응용 프로그램의 세 가지 프로토콜(HTTP, AMQP 및 BP)은 RWND 및 TWND 크기가 다르기 때문에 모든 TCP 측정에서 응용 프로그램 수준 지연을 나타낸다. UDP 적용은 도 7(d)와 같이 IGMP 스위치에서 주소 해석에 필요한 초기 변동 시간을 제외하고는 무시할만한 영향을 미쳤다. Meanwhile, in this experiment, the TWND size is fixed because it does not change the outgoing buffer size, while the RWND size depends on the window size option adjusted by the receiver. Similarly, the three protocols (HTTP, AMQP, and BP) of the TCP application shown in Figure 7 exhibit application-level delays in all TCP measurements due to their different RWND and TWND sizes. Application of UDP had a negligible effect except for the initial change time required for address interpretation in the IGMP switch, as shown in Figure 7(d).

도 7(d)는 OPC UA PubSub 모델의 UADP에서 OWD(One-Way Delay)를 보여준다. UADP는 TCP 네트워크와 달리 페이로드 크기에 관계없이 대기 시간에 대한 영향이 최소화되었으며 PubSub의 전송 주기에만 영향을 받았다. 이 프로토콜의 최대 대기 시간은 0.85ms이고 평균 시간은 16384바이트에서 0.80ms이다.Figure 7(d) shows One-Way Delay (OWD) in UADP of the OPC UA PubSub model. Unlike TCP networks, UADP had minimal impact on latency regardless of payload size and was only affected by PubSub's transmission cycle. The maximum latency of this protocol is 0.85ms and the average time is 0.80ms at 16384 bytes.

전반적으로 UADP는 모든 프로토콜 중에서 가장 빠른 응답을 달성했다. 정확히는 도 8과 같이 가장 느린 HTTP에 비해 16384 바이트에서 45배 더 빨랐다. BP는 AMQP에 비해 16384 바이트에서 1.6배 더 빨랐다. 반면 BP는 UADP 16384바이트보다 2.5배 느렸다. 실험에 따르면 OPC UA PubSub 기반의 UADP는 지연이 최소화되고 빠른 응답이 필요하며 대용량 데이터를 처리하기 때문에 장치 도메인에 적합했다. 마지막으로 HTTP는 다른 프로토콜에 비해 상대적으로 지연 시간이 더 길다. 그러나 높은 신뢰성으로 인해 사용자 도메인에 적용하는 것이 적절하다.Overall, UADP achieved the fastest response among all protocols. To be exact, it was 45 times faster at 16384 bytes than the slowest HTTP, as shown in Figure 8. BP was 1.6 times faster at 16384 bytes than AMQP. On the other hand, BP was 2.5 times slower than UADP 16384 bytes. Experiments showed that UADP based on OPC UA PubSub was suitable for the device domain because it minimizes delay, requires fast response, and handles large amounts of data. Lastly, HTTP has relatively higher latency compared to other protocols. However, due to its high reliability, it is appropriate to apply it to the user domain.

본 발명은 처리 지연 시간을 최소화하기 위해 OPC UA PubSub 모델을 적용하고 브로커가 게이트웨이에서 메시지를 주고 받을 때 TCP 기반 바이너리 프로토콜 대신 UDP 기반 UADP 프로토콜을 사용한다.The present invention applies the OPC UA PubSub model to minimize processing delay time and uses the UDP-based UADP protocol instead of the TCP-based binary protocol when the broker sends and receives messages at the gateway.

본 발명에 따른 아키텍처는 표준 IoT 레퍼런스 아키텍트 문서인 ISO/IEC 30141을 참조하며, 제조 시스템을 사용자, 클라우드 서비스, 감지 제어, 디바이스 도메인으로 구분하는 4개 도메인 통합 아키텍처를 제안하였다.The architecture according to the present invention refers to ISO/IEC 30141, a standard IoT reference architecture document, and proposes a four-domain integrated architecture that divides the manufacturing system into user, cloud service, sensing control, and device domains.

즉, 본 발명은 안정적인 인터넷을 제공함과 동시에 신속한 응답이 요구되는 산업용 네트워크에 서비스를 제공할 수 있는 4개의 영역으로 분할된 통합 아키텍처를 제안하였다. OPC UA 시너지 플랫폼은 서로 다른 두 네트워크를 통합하는데 중요한 역할을 하며 두 네트워크 간의 상호 운용성과 상당한 양의 데이터 전송을 보장하도록 설계되었다. 본 발명의 OPC UA 시너지 플랫폼의 통합 아키텍처는 인더스트리 4.0 기술의 채택을 촉진할 것으로 예상된다.In other words, the present invention proposes an integrated architecture divided into four areas that can provide services to industrial networks that require rapid response while providing stable Internet. The OPC UA Synergy platform plays an important role in integrating two different networks and is designed to ensure interoperability and transfer of significant amounts of data between the two networks. The integrated architecture of the OPC UA Synergy platform of the present invention is expected to accelerate the adoption of Industry 4.0 technologies.

본 발명은 또한 픽앤플레이스(Pick-and-Place) 시나리오를 연구하고, 사용 사례를 통해 본 발명의 시스템을 분석 및 검증하였다. 응용 프로그램 수준의 대기 시간 분석은 OPC UA 프로토콜이 다른 프로토콜에 비해 높은 성능을 보장하고 정보 모델에 대해 경쟁력 있는 서비스를 제공할 수 있음을 보여준다. The present invention also studied pick-and-place scenarios and analyzed and verified the system of the present invention through use cases. Application-level latency analysis shows that the OPC UA protocol can guarantee high performance compared to other protocols and provide competitive services for the information model.

본 발명의 실시예에 따른 접근 방식과 실험 결과를 기반으로 PubSub 모델 기반 OPC UA 시너지 플랫폼을 사용하여 4개의 분산 도메인(사용자에서 최종 장치까지)으로 산업 시스템의 역할을 정의하였다. Based on the approach and experimental results according to the embodiment of the present invention, the role of the industrial system was defined into four distributed domains (from user to end device) using the PubSub model-based OPC UA synergy platform.

본 발명은 일반 시스템뿐만 아니라 산업 시스템의 복잡한 수명 주기를 단순화하고 유연성을 향상시켜 시스템 관리 효율성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 이전에 탐색되지 않은 방식으로 인터넷과 산업 네트워크를 통합하는 제안된 포괄적인 아키텍처는 상호 운용성과 많은 수의 메시지 전송을 달성할 수 있다.The present invention can improve system management efficiency by simplifying the complex life cycle of not only general systems but also industrial systems and improving flexibility. Moreover, the proposed comprehensive architecture, which integrates the Internet and industrial networks in a previously unexplored way, can achieve interoperability and large number of message transmissions.

또한 본 발명은 OPC UA PubSub와 관련된 전망도 제공한다. 첫째, 최근 연구는 실시간 산업 통신을 달성하기 위한 UADP 기반 TSN(Time Sensitive Networking)에 주목했다. 둘째, 5G 기반 OPC UA PubSub는 향후 핵심 연구 주제가 될 것이다. 특히 AMQP PubSub는 IIoT와 5G를 클라우드 도메인 측과 결합할 때 강력한 보안과 매우 안정적인 기능을 제공할 수 있다. 따라서 본 발명은 OPC UA 시너지 플랫폼의 통합 아키텍처를 통해 미래 기술을 효과적으로 연결하거나 통합할 수 있을 것이다.The present invention also provides perspectives related to OPC UA PubSub. First, recent research has focused on UADP-based Time Sensitive Networking (TSN) to achieve real-time industrial communication. Second, 5G-based OPC UA PubSub will become a key research topic in the future. In particular, AMQP PubSub can provide strong security and highly reliable functions when combining IIoT and 5G with the cloud domain side. Therefore, the present invention will be able to effectively connect or integrate future technologies through the integrated architecture of the OPC UA synergy platform.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. The above description is merely an illustrative description of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention.

따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the specification of the present invention do not limit the present invention. The scope of the present invention should be interpreted in accordance with the scope of the patent claims below, and all technologies within the equivalent scope thereof should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

10: 클라우드 12: 제1 클라우드
14: 제2 클라우드 20: 게이트웨이
22: AMQP 브로커 24: OPC UA 펍서브 서버
30: IGMP 스위치 40: 산업용 클라이언트(장비)
50: 방화벽 100: OPC UA 시너지 플랫폼
10: Cloud 12: First Cloud
14: Second Cloud 20: Gateway
22: AMQP Broker 24: OPC UA Pubserve Server
30: IGMP switch 40: Industrial client (equipment)
50: Firewall 100: OPC UA Synergy Platform

Claims (7)

OPC UA 시너지 플랫폼의 게이트웨이에 있어서,
장치 도메인에 있는 각 장치로부터 수신한 UADP 데이터 세트를 AMQP 데이터 세트로 변환하는 OPC UA 펍서브 서버와,
상기 OPC UA 펍서브 서버로부터 전달받은 AMQP 데이터 세트를 클라우드 도메인으로 전송하는 AMQP 브로커를 포함하는 게이트웨이.
In the gateway of the OPC UA synergy platform,
an OPC UA pubserve server that converts the UADP data set received from each device in the device domain into an AMQP data set;
A gateway including an AMQP broker that transmits the AMQP data set received from the OPC UA pubserve server to a cloud domain.
제1항에 있어서,
상기 OPC UA 펍서브 서버는 바이너리 프로토콜(BP)을 통해 초기 구성을 설정하는 것을 특징으로 하는 게이트웨이.
According to paragraph 1,
The OPC UA pubserve server is a gateway characterized in that the initial configuration is set through binary protocol (BP).
사용자 단말이 클라우드 도메인으로 초기 구성에 대한 설정을 요청하면 클라우드 도메인의 제1 클라우드 서버가 OPC UA 시너지 플랫폼으로 초기 구성에 대한 설정을 요청하는 단계와,
상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버가 초기 구성에 대한 설정을 수행하는 단계와,
상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버가 장치 도메인에 있는 각 장치로부터 UADP 메시지를 수신하는 단계와,
상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 AMQP 브로커가 상기 UADP 메시지를 AMQP 데이터 세트로 변환하여 클라우드 도메인의 제2 클라우드 서버로 전송하는 단계와,
상기 클라우드 도메인의 제2 클라우드 서버가 AMQP 데이터 세트를 처리하여 모니터링하고 상기 사용자 단말로 모니터링 결과를 전송하는 단계를 포함하는 이종 네트워크 간의 통합 방법.
When the user terminal requests initial configuration settings from the cloud domain, the first cloud server of the cloud domain requests initial configuration settings from the OPC UA synergy platform;
A step where the OPC UA server of the OPC UA synergy platform performs settings for initial configuration,
The OPC UA server of the OPC UA synergy platform receives a UADP message from each device in the device domain;
The AMQP broker of the OPC UA synergy platform converts the UADP message into an AMQP data set and transmits it to a second cloud server in the cloud domain;
An integration method between heterogeneous networks comprising the step of a second cloud server of the cloud domain processing and monitoring the AMQP data set and transmitting the monitoring result to the user terminal.
제3항에 있어서,
상기 사용자 단말은 HTTP 프로토콜을 통해 상기 클라우드 도메인으로 초기 구성에 대한 설정을 요청하는 것을 특징으로 하는 이종 네트워크 간의 통합 방법.
According to paragraph 3,
An integration method between heterogeneous networks, characterized in that the user terminal requests initial configuration settings from the cloud domain through the HTTP protocol.
제3항에 있어서,
상기 제1 클라우드 서버가 OPC UA 클라이언트/서버 모델 기반의 바이너리 프로토콜(BP)을 통해 상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버로 초기 구성에 대한 설정을 요청하는 것을 특징으로 하는 이종 네트워크 간의 통합 방법.
According to paragraph 3,
An integration method between heterogeneous networks, characterized in that the first cloud server requests settings for initial configuration to the OPC UA server of the OPC UA synergy platform through a binary protocol (BP) based on the OPC UA client/server model.
제3항에 있어서,
상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 OPC UA 서버와 상기 장치 도메인 간의 통신이 OPC UA 펍서브 모델 기반 UADP 프로토콜을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 이종 네트워크 간의 통합 방법.
According to paragraph 3,
An integration method between heterogeneous networks, characterized in that communication between the OPC UA server of the OPC UA synergy platform and the device domain is performed through a UADP protocol based on the OPC UA pubsub model.
제3항에 있어서,
상기 OPC UA 시너지 플랫폼의 AMQP 브로커와 상기 클라우드 도메인의 제2 클라우드 서버 간의 통신이 OPC UA 펍서브 모델 기반 AMQP 프로토콜을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 이종 네트워크 간의 통합 방법.
According to paragraph 3,
An integration method between heterogeneous networks, characterized in that communication between the AMQP broker of the OPC UA synergy platform and the second cloud server of the cloud domain is performed through an AMQP protocol based on the OPC UA pubsub model.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11985213B1 (en) * 2023-08-22 2024-05-14 Pulastya Inc. Stateless triggering and execution of interactive computing kernels

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US11985213B1 (en) * 2023-08-22 2024-05-14 Pulastya Inc. Stateless triggering and execution of interactive computing kernels

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