OPC UA 와 Industry 4.0
“OPC UA와 산업용 이더넷의 결합을 통해서 차세대 제조공장에 완전히 활용될 수 있다.”
OPC UA 표준은 모든 산업 수준에서 지속적으로 산업자동화 4세대의 데이터통신에 있어 강력한 후보로 인식되고 있다.
acatech(독일과학기술학술원)의 워킹그룹 최종보고서에서는 산업 4.0은 새로운 스마트공장의 핵심기술이며 표준이라고 언급하고 있다. 예로, 공장자동화의 새로운 세대에서 제품 자체 RFID 칩 위에 그 제조정보를 제공하고 있다. 이러한 정보를 가지고 제품 제어 및 해당제품에 맞는 하드웨어, 즉 산업용 실시간 성능인 이더넷 바란버스와 같은 필드버스 시스템을 통해서 생산기기를 제어할 수 있다. 이러한 상황은 OPC UA는 글로벌 확산을 통해서 산업 4.0으로 변환해 가는 중요한 역할을 하고 있다는 점은 확실하다. OPC UA 기술은 기업 네트워크에 연결된 장치 및 시스템 모두 수평뿐만 아니라, 수직통합을 위해 사용될 수 있다. 중요한 전제조건은 플랫폼에 무관한 네트워크 내 모든 시스템 사이에서 데이터의 원활한 교환을 할 수 있다는 것이다.
또한, 현 시점에서 주요관심사인 OPC UA 자체뿐만 아니라, X.509 인증서와 같은 데이터의 암호화 및 전송데이터 포인트 레벨 권리 및 제어방식 등 다양한 보안 메커니즘을 통합하여, 작은 센서에서부터 메인프레임까지, OPC UA는 서비스 지향적인 아키텍처와 확장성을 갖고 있다.OPC UA는 전송 프로토콜 TCP/IP와 SOAP/HTTP를 지원하고 있고, 산업용 이더넷 시스템으로 작동할 수 있다. 그러나 OPC UA 서버는 컨트롤러에 있는 I/O모듈과 해당하는 성능의 하드웨어와 필드기기를 설치할 수 있다는 점이 더욱 결정적이다. 각 OPC UA 클라이언트는 컨트롤러에서 데이터를 가져올 수 있으며, 또한 사용할 수 있다. 이러한 방식으로, 별도의 윈도우 PC없이, 필드장치로부터의 데이터통신이 가능하다. 이것은 기업단위로도 가능하다.
OPC UA는 필드수준의 통신 및 까다로운 모션제어 작업, 속도, 동기화 등 요구가 있는 곳 어디서나 사용될 수 있다. 이것은 드라이브의 컨트롤에 VARAN 인터페이스와 같은 실시간 이더넷 버스 시스템이 사용될 수 있다는 것이다. OPC UA는 단순히 기존 필드버스 시스템을 대체하는 것이 아니라, 보다 광범위한 생산공정에서 활용될 수 있으며, 다른 제조사의 생산공정에서 설비 상호간의 활용뿐만 아니라, 상위 제어단계와 통신으로까지 확장할 수 있다. 이는 두 개의 네트워크 기술을 접목함으로써, 차세대 제조공장의 능력을 완전히 발휘할수 있다는 것을 의미한다.
바란버스유저협회(VNO) David Eisl (Ing.Bsc) VNO-Technology Consultant
3-1. OPC Foundation 관련 인터뷰
참석자: Mr. DavidEisl, Ing, Bsc:, Varan-Bus-Nutzerorganisation, Technology consultant,(기사제공) Sr.DarekKominek(Strategic Marketing Manager by Matrikon OPC) 진행: Ines Naether(reporter from electro technic magazine)
Q: Ines Naether(reporter from electro technic magazine): OPC 재단의 목적은, OPC UA가 미래에 전 세계적으로 인정받는 산업용 인터넷을 위한 표준이 될 때 필요한 일을 미리 진행하는 것이다. 미래 산업용 통신4.0을 위해서 어떤 작업이 필요하고 어떤 기능이 채워져야하는가? 그것은 미래산업 4.0을 만날 수 있을까?모든 산업차원에서 사용 가능하므로 OPC-UA 표준은 데이터통신을 위한 산업 4.0의 주요 후보로 간주되어 왔고, 지금은 아키텍처의 기준으로 설정되었다. OPC UA는 지금 인더스트리커 뮤니케이션 4.0 관점에서 어떻게 인식되고 있는가?
A: DarekKominek Sr(Strategic Marketing Manager by Matrikon OPC): 짧게 이야기해서 인더스트리 4.0은 공장 시스템에서 수평적인 수준의 상호통신을 하기 위해서 필요하다. 동시에 회사의 수평적인 데이터를 기반으로 회사 차원에 상위수준의 고급 결정을 내리는데 근거가 될 수 있도록 시스템은 지능적으로 설계되어야 한다. OPC UA는 수평적뿐만 아니라, 수직적으로 역할을 한다. 다른 생산영역에서 안전하게 보완이 이루어지고 일관된 방식으로 자신의 데이터를 표시하며, 다른 시스템의 데이터와 함께 호환되어 자신의 데이터들과 통합하는 것이 가능하다. 이로써 우리는 실제로 M2M 통신을 통해서 본질적으로 인더스트리 4.0의 중요한 기둥 중 하나를 이야기한다. OPC UA는 이것에 대한 기초를 제공한다. 즉 공장 생산과정에서 커뮤니케이션 시스템이 멀티벤더를 가능하게 해준다. “무엇을 생산하여야 하는가?”라는 회사차원의 기본질문에 대해서 “어떻게 무엇을 생산하는가?” 그것에 대해 공동 의견을 교환할 수 있게 해준다.
A: 데이비드 Eisl(Ing, Bsc): OPC UA는 업계에서 데이터 교환시에 충돌 없이 보장될 수 있도록 제조업체, 사용자 및 컨소시엄의 긴밀한 협력으로 구성된다. 독일과학아카데미
(acatech)의 산업 4.0 워킹그룹의 최종보고서에 따르면, 새로 만든 스마트공장의 핵심기술로 표준이 정해진다. 예를 들어, 공장자동화의 새로운 세대에서 제품들은 RFID 칩 위에 스스로 자사의 제조정보를 제공한다. 이 정보는 제품경로의 최저 필드레벨에서 제어 및 각각의 제조설비에 최적화 된다. 생산상황 등의 정보, 완료 또는 제품에 보관될 창고 등 기계 및 플랜트 제어 처리에 이용되며, 호스트에 OPC UA로 넘어간다.산업 4.0을 위해서 OPC UA는 국제적으로 수평 및 수직적으로 표준화 솔루션을 장비 및 시스템에 통합하여 나타낸다. 바란사용자협회는 OPC UA 서버 소프트웨어에 적합한 컨트롤러의 표준을 제공하여, 미래에 고객이 이미 산업 4.0으로 향하는 방법을 미리 준비하고 있다.
Q: Ines Naether(reporter from electro technic magazine)누가 조인하는가? 현재 OPC UA의 영향은 얼마나 크고, 미래에 얼마나 확장 될 것인가? 어떤 것들이 OPC-UA 표준에 추가 될 것 인가?
A: 데이비드 Eisl: 자동화산업에서 선도하는 제조업체 미래의 공장을 위하여 강력한 통신표준 작업을 구현한다.
독일플랫폼에서 인더스트리4.0과 같이 OPC UA에서 통신
구조를 설정한다. OPC UA의 영향범위는 매우 크며, 미래에는 시간에 민감한 네트워크(TSN) 분야처럼 보다 큰 확장성을 갖고 있는 분야에서 더욱 더 확대될 것이다. SIGMATEK은 기계 엔지니어링에 필요한 요소로 실시간 기능을 강조하는 작업그룹에 집중하고 있다. OPC 재단의 목적은 OPC 캠페인 표준에 의거해서, 업계에서 작업을 공동으로 처리하는데 기여하고, 표준, 컨소시엄을 찾을 수 있도록 하는 정보모델들을 제안하는 것이다. OPC 회원 및 OPC UA를 표준을 처리하는 여러 작업그룹으로 구성된 다른 조직이 있다. 이는 산업인터넷컨소시엄, 개방적, 국제적인 비영리단체와 함께 집중적으로 인터넷을 처리하고, 대안으로서 OPC UA 표준작업을 보충한다. 여기에 얼마나 많은 경쟁상황들이 존재하는 지는 표현하기 어렵다.
Q: Ines Naether(reporter from electro technic magazine )주된 이슈는 무엇인가? 실시간에 대한 필요성이 아직도 있는가? 인더스트리 4.0에서 어떤 소프트웨어 인터페이스가 필요한가?
A: 데이비드Eisl: 가장 중요한 요건 중 하나는 IEC 표준을 기반으로 OPC의 범용 플랫폼을 만들 수 있는가와, 그것을 기반으로 한 표준을 만들 수 있는가 하는 것이다. 기능의 증가로, 생산품의 개별화 요구가 함께 증가되고, 이에 따라 생산시스템이 광범위하고 복잡해진다. 요구되는 정보모델은 필드에서 자동화 구성요소에 결합가능한 것이다. OPC UA는 프로토콜과 서비스를 제공하므로 사용자가 풍부한 정보모델을 가질 수 있고 독자적으로 개발하는 동안에 액세스와 복잡한 데이터교환 응용 프로그램을 사용할 수 있다. 이미 DATAACCESS, Alarm & Conditions와 같은 다양한 중요한 정보모델이 있지만, 여전히 요구조건들이 있다.
즉, 네트워크 구성요소의 ID이다.
제어 제조업체인 SIGMATEK은 기본적으로 고객들 데이터 전송의 종류에 관심이 있고, 외부 시스템의 통합 및 프로세스 데이터를 분석할 수 있다.
바란시스템 실제 적용사례
4-1 Balluff Micropulse Linear Position Sensors
Micropulse with Ethernet Interface Direct Ethernet connectivity in multiple form factors
Ethernet 인터페이스를 가지고 Isochronous Real time Profinet(IRT), EtherCat distributed clocks(DC), Varan phase locked loops(PLL)의 멀티요소로 직접 이더넷에 동기화된 real-time data를 제공한다.
Balluff Micropulse Linear Position Sensor (BTL6-V11V Rod)
Balluff Micropulse 선형 위치센서는 매우 정확하고 신뢰할 수 있는 위치제어 신호를 제공한다. Balluff의 비접촉식 마그네트 기술은 선형전위차계처럼 시간이 경과해도 성능이 유지된다. Micropulse 트랜스듀서는 다양한 애플리케이션에 맞게 하우징 스타일과 전기출력이 다양한 응용분야에 맞도록 fitting 되어있다(표1참조). 플라스틱사출, 블로우 성형, 타이어 및 고무제조, 스탬핑 프레스, 다이캐스팅, 목재산업에서 매우 인기가 있으며, 연속으로 절대 위치신호가 필요한 모든 종류의 자동화기계에 다양하게 사용된다.
Micropulse Varan interface linear Positon Sensors 비교
◆ 특징
- 빠르고 정확하게 절대위치와 속도 측정
- 비접촉식, wear-free 오염방지
- 쇼크와 진동에 강함
-쉽고, 정의된 파라미터 데이터 교환을 통해서 컨트롤러와 time-saving 통합
-측정범위에서 1개~16개의 마그넷을 자동으로 검출(이 기능은 마그넷 개수를 변화시키는 응용시장에 유용)
4-2 ARBURG Plastic Freeformer(APF)
혁신적인 Arburg의플라스틱Freeformer AKF) 3D 프린터는 3D CAD 데이터를 가지고 신속하게 사출성형 공구없이 플라스틱 표준과립을 3차원 컴포넌트 형상으로 생산할 수 있다. 기존 첨가제 제조방식으로 과립과 함께 용용하고 사출성형하는 3D프린터와 AKF와의 차이점은 AFK는 제조과정에서 표준과립을 용융한 마이크 로단위의 균일한 밀도의 작은 방울로부터 컴포넌트를 층에서 층으로(Layer by layer) 형성한다는 것이다. 고정밀도 가공기술은 적용 컴포넌트뿐만 아니라, 실시간으로 보안통신이 필요하다.
freeformer 제어 내부에는 드라이브 및 다른 제조업체의 측정요소들이 VARAN으로 연결되어 있다. 이 새로운 Arburg 시스템에서 매우 짧은 사이클타임, 고 가용성 및 보증 데이터 보안 등에서 VARAN 버스시스템의 장점을 한 번 더 증명할 수 있다. 데이터가 전송된 각각의 데이터 패킷이 후보장되는 일관성과 동일한 버스사이클에서 결함 또는 누락된 패킷의 반복체크가 보장된다(High data reliabilityand error tolerance, 3월호 1-2 바란 Highlight 참고)
Arburg Freeformer
Turck사의 Li-Q25 센서는 Arburg사의 높은 수준의 위치정확도와 재현성을 만족시킨다.
4-3 Linear Distance Sensor LI 센서는 정확도와선형성을 보장한다(5월호, 2-2 바란 클라이언트 components, Sensor 참조).
Arburg Freeformer는 25 마이크로미터 수준의 정확도를 갖는다. Li-Q25 센서는 500 밀리미터 측정 길이를 한번에 길이를 재보지 않고 실시간 정확도를 유지한다. 이 정확도는 바란 인터페이스로 연결된 LI센서들의 결정적인 역할 포인트가 된다. 위치의 정확도와 재현성은 Arburg 사가 Freeformer(3D printer) 내부 토출기에 최대 샘플링 속도가 5KHz인 Turck 사의 Li-Q25 Linear Distance 센서를 장착한 결과이다.
4-4 Industry 4.0: Arburg 사출성형기(Allrounder 370 E) 미래를 위한 전략 프로젝트
미래 지향적인 전략으로 독일 정부 주도로 추진되고 있는 Industry 4.0 프로젝트에서 플라스틱 가공 산업은 부품의 기능 통합과 경량화에 초점이 맞추어지고 있으며, Hannover 박람회 2016에서 Arburg는 그동안 이룩한 발전 상황을 소개했고 관람했다.
Industry 4.0은 스마트 생산공장이라는 비전 아래 추진되고 있는 미래지향적 프로젝트다. 여기에는 생산 기계와 설비, 주문 정보, 가공 데이터의 네트워크 구축이 포함되어 있다. Arburg가 Hannover Messe2016에 선보여 전시한 전동식 Allrounder 370 E 사출성형기는 왼손잡이와 오른손잡이용 가위를 선택적으로 성형할 수 있는 기계로서, 스마트 생산의 좋은 사례가 될 것이다. 사출 성형, 첨가제 제조 및 산업용 4.0 기술을 결합함으로써, Arburg의 전시 스탠드에서 대량 제품 ‘사무실 가위’가 즉석에서 생산되는데, 이는 사용자를 위해 고도의 자동화된 사이버물리 시스템(cyber physical production system)에 의해 개별화된다.
사용자가 주문 입력을 하는 동안, 태블릿 PC에서 방문자가 자신의 기록을 그대로 남기고 제공된 네 가지 유형 가위 중에 하나를 선택하면, 데이터는 디지털로 기록되고 자동으로 Arburg의 ‘Allrounder 370 E’ Edrive사출성형기에서 대량 생산을 시작한다. 각 부품마다 레이저로 QR 코드가 새겨지며, 이 코드에 따라서 관련 품목의 중요 가공 파라미터가 자동적으로 온라인으로 제공된다. “각 제품의 데이터 매트릭스 (DM) 코드는 각 제품의 정보 캐리어이며, 자신이 생산하는 다음 단계를 스스로 제어한다”라고 Arburg 관련자는 설명한다. 다음 단계에서 플라스틱 첨가제로 만들어질 3D 레터링을 제공한다. 제품, 프로세스 및 품질 데이터는 클라우드에서 모바일 디바이스로 호출 될 수 있다.
이 네트워크의 주축은 Arburg 호스트컴퓨터 시스템
(ALS)으로서 여러 개의 독립적인 스테이션을 네트워크화 하여 모든 파라미터를 기록하고 인터넷 웹 서버로 전송하는 역할을 한다. 이 사출성형기로 성형된 가위는 개별 주문에 따라서 최종 완성된다.
Arburg 부스에서 소개된 1분에 완성되는 개별 사무실 가위
Allrounder 370E EDrive에 제공된 독일 AMK 사의 서보모터
그림 4-3. Arburg Allrounder 370E EDrive
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