OPC UA CPS / Server / Client Smart Factory Solution ICT Monitoring

국제 표준 OPC UA 기반의Digital Twin과머신러닝 플랫폼

Joshua@uvc.co.kr

기 업 일 반 현 황

(주)유비씨는다수의플랜트및공장에서M2M통신을기반으로 모니터링/제어시스템의구축경험을바탕으로스마트팩토리솔루션사업에주력하고있으며

국제표준화기구인OPC Foundation Member로서국내최고의 CPS(Digital Twin) 기술을개발하는기술중심의기업입니다

UVC 회사 소개01

공급이수요를초과하는시장에서도개개인의선호와특징에맞춘 ‘온디맨드’, 즉, 맞춤형제품에대한수요가

증가하고Mass Customization Production 가능한기업만생존한다.

디지털환경에 새로운 시스템을추가할 때, 업계표준 구성요소를기반으로한 상호운용성을 확보하는 것이우선적인 과제

미래사회의변화 그리고위기01

전 세계 제조업의 맞이한 위기와 관계

* 스마트팩토리는 설비제조·공장 운영 기술에 가상 물리시스템(Cyber Physical System), 사물인터넷(IoT), 인공

지능(AI), 빅데이터 등 정보통신기술(ICT)을 통합한 ‘지능형 생산공장’을 의미한다.

스마트팩토리의 핵심은 데이터 공유와 통합

SMART FACTORY

02 제조 산업 핵심기술의파급성 신시장 창출 기회요소

스마트 팩토리 : 최신 기술의 총 집합체

Platform

Digital

Transformation

Blockchain

IoT

Big Data

Cloud

AI

VR

Edge

ERP/MES

Industrial

Protocol

Automation

일반공장 생산설비 제어시스템 공장관리

스마트공장 자동화 지능화(IT와 OT의융합)

머신(생산설비)

로봇(생산설비)

제어시스템DCS/SCADA

공장관리ERP/MES/지능서비스

적절한 규모의 공장시설을시장 주변에 건설 가능

지능화된 실시간 서비스시장수요에 적극 대응 가능(시장에 제품출시 기간단축)

IIOT(OPC UA)

데이터수집

CPS

가상공간

BigData/AI

인공지능

Device/Network

PLC/RCU/Sensor

Edge Device

국내 기업의기술대응수준03 신시장 창출 기회요소

한국의 스마트팩토리 솔루션 –IT에서 OT로만 접근

산업현장 최하위단의 데이터를최상위로 보내효율성 높이는것이 핵심

"많은 양의데이터가 아닌게더링과 수집, 전달방법에 대해고민이 필요할때"

✓ 경영계획/분석

✓ 사업전략

✓ 글로벌전략

✓ 재무/회계 중심의 전사자원 관리

✓ 연구개발, 수요 예측 및생산 계획 관리

✓ 원자재, 제품재고중심 관점

✓ 단위 공장 생산실적 집계

✓ 계획대로 실행

✓ 공정재고 중심/가공비 계산

✓ 생산빅데이터 애널리틱스

✓ 사이버물리 기술

✓ 클라우드

✓ 팩토리팅 자원관리

✓ 컴포넌트 컨트롤러

✓ 로봇

✓ 센서

Information Technology

Operation Technology

IT

OT

한국업체

전통적인 IT를하는사람들은 OT에익숙한고객들이이해하기어렵다한국의스마트팩토리는 IT에서 OT로의접근만하고있다. (ERP/MES/Big Data)

Strategy

ERP/SCM/PLM기업자원/계획

MES제조실행시스템

SCADA생산제어시스템

PLC/PCS설비제어장치

높은 기술비용해결방안04

스마트팩토리? 중소기업은 답이 없다

중소기업스마트팩토리의유일한희망은국산화와유비씨

국내표준화기술 개발 안되고있으며, 외산 솔루션에만의존

고가의 글로벌 회사 제품으로 기술 선도

중소기업 - 글로벌 회사 비싼 가격으로비용이스마트팩토리 진입장벽

기계와로봇은각각의메이커의언어를사용한다

스마트팩토리의시작은단일언어(표준)이시작

글로벌 수준경쟁력 강화 대책(2/2)05

국제 공용어는 영어 vs 기계와 로봇은 OPC UA

OPC UA(OPC Unlfied Archltecture)란?

✓ 산업자동화분야 등각업계에서안전하고 신뢰성있는데이터교환을 목적으로상호운용성을 확보한오픈국제표준규격

✓ OS나 하드웨어에 의존하지않는 아키텍처

✓ OPC UA는 제조현장의제어계네트워크를 상위MES나 ERP 등의 IT계 네트워크와안전하게 연결합니다

한국기업은 3차혁명(자동화분야)기업이없다.글로벌기업의점령은 4차에서도계속된다

스마트팩토리의표준 OPC UA06

왜 ? OPC UA 이어야만 하는가?

강력한 보안 능력인증서와 암호화 통신 등 최상의 보안 메커니즘

Plug & Play 식의 연결모델링 정보를 통한 Self 정보 자동 교환 메커니즘

상호 운영성 확보IEC62541 스마트팩토리 및 스마트그리드 프로토콜 세계 표준

실질적인 표준 수용기타 산업 표준과의 지속적인 협업 및 수용

OT와 IT 분야의 통합 가능수직 수평간 시스템의 유일한 데이터 교환 수단

단순한 프로토콜 아님Framework데이터 처리,저장 서비스, 프로그램 등을 모두 포함

합의 가능한 유일한 표준벤더, OS, 기타 표준 등에 완전한 독립

상호연동성및산업융합의키

표준화

특정플랫폼과 OS에독립적

독립성

통신및시스템의높은보안기술

보완성

스마트팩토리의표준 OPC UA07

OPC UA 핵심적인 기술 개요

Modeling in Specifications UA Node Example

국제표준스펙 정보모델링

강력한암호화기술

정보모델링

OPC UA 기반 제조 CPS08

원천기슬은 많은 제품을 파생한다

Centralized Address Space그래픽기반생산공정모델링

실시간데이터수집및머신러닝3rd Party들과의상호운영성증대

• Centralized Address Space와웹표준데시보드상호연결

•실시간모니터링체계구축

•실시간이상감지및 Alarm

•머신러닝을통한판단모델 Edge 전송및 CPS 반영

•표준 OPC UA Address Space 스펙

•공장의통합된하나의 Address Space 로 관리

•공장필드의여러개의 OPC UA Server를계층적구조로하나로통합

•수평적데이터교환시외부시스템은 중앙 Address Space 만필요

•표준 OPC UA 프로토콜을적용한 산업용네트워크의통합

•서로다른 Fieldbus들을상호연결하는 Gateway System

• OPC UA 프로토콜을 Rest API로 변환지원

•클라우드연동, 확장성을고려한MQTT 신호발생

OPC UAModeling

No Coding

• 표준 정보모델링으로 생산공정 모델링 설계

• 실시간 Address Space 추가 변경 삭제 / NodesetXML 파일 생성

• 그래픽 기반의 드래그 방식으로 손쉬운 모델링 작성 지원

• 모델링 가져오기 및 수정으로 쉬운 모델 생성 기능 제공

CentralizedAddress Space

MQTT

Flexing CPS의특징09

Flexing CPS의 특징

스마트팩토리컨설팅추진안산자동차부품공장에적용

A사중견제조업체

매출 2000억원년순이익 20억10개라인보유

완전한자동화기구축

컨설팅결과 – 구축비용 (40억)

✓과다한비용

✓결과에확신없음

✓비용이진입장벽

1. 다양한메이커의로봇과설비혼재로데이터통합어려움

2. 현장자동화 100% But 데이터통합및상호연동에대한방법 X

3. 스마트팩토리구축비용이과다함

4. 불확실성과전문성부족으로도입의사결정못함.

문제점

Flexing CPS의사례

Flexing CPS의 특징

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FUNAC 컨트롤러

KUKA 로봇

도시바 로봇미츠비시 설비

KUKA 로봇

Simense 컨베이어

Yaskawa 로봇

다양한 설비 컨트롤러 및 PLC 의 혼재

자동화가 잘 되어 있는 공장의 문제점

Flexing CPS의사례10

KUKA 컨틀롤러

LS PLC

AB PLC

FANUC 컨트롤러

하나의 CPS(Digital Twin) 으로 묶을 수 있는 통신 플랫폼의 선택

2. Edge를통한분산제어

1. 여러메이커의로봇

3. 머신러닝고장예지

Flexing CPS의사례11

Flexing CPS의 적용

15

Flexing CPS 블록다이어그램12

OPC UA CLIENT

OPC UA COMMUNICATION & OPC PUBSUB

OPC ADAPTOR

ADMIN TOOL

ALARM & EVENT

METHOD

SECURITY

DOCKER EDGE CLUSTRER

OPC UA SERVER

MACHINE

LEARNING STUDIO

GRAFANA

ADMIN META

DATA

ADDRESS SPACE

SE

RV

ICE

MA

NA

GIN

G

MODEL

TRAINING

HISTORIAN

DATABASE

(TAG/ ALARM)

AD

DIT

ION

AL

SE

RV

ICE

S

OPC SESSION MANAGER OPC SECURE

CHANNEL

DATA

ACCESSEVENT

SUBSCRIPTION

HISTORICAL

ACCESS

CLOUD or ON-PREMISE

DOCKER MANAGER

OP

C U

A, R

ES

T A

PI, W

EB

SO

CK

ET, M

QT

T, D

B

INT

ER

FA

CE

OPC EDGE PRO OPC EDGE PRO OPC EDGE PROOPC DEVICE

AP

I GA

TE

WA

Y

Flexing CPS의 구성

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Flexing EDGE 블록 다이어그램13

GRPC COMMUNICATION

GRPCSERVERDATA LOGGING

SENSORS, PLC, INDUSTRIAL ROBOT, ACTUATORS, DEVICES

OPC UA SERVER

MACHINE LEARNING

ALERTS &NOTIFICATIONS

METADATA

ADDRESS SPACE

MIC

RO

SERVIC

EM

AN

AG

ING

MODELSERVING

LOCALDATABASE

DOCKER IMAGE

AD

DIT

ION

AL

SERVIC

ES

ModbusGrpcClientOPC-UA

GrpcClient

MQTTGrpcClient

FANUCGrpcClient

DOCKER IMAGE

SERIALTCP / IP STACK

UA BINARY

UA SECURE CONVERSATION

UA TCP

Flexing Edge의 구성

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실시간Address Space 연동

• OPC UA 모델링을 GUI 를 사용해 쉽게 작성할 수 있는 모델링 툴 (공개된 세계 최초 범용 모델링 툴)

• 기계/로봇 등의 모델을 생성 후 서버로 실시간 적용 → OPC 통신을 동적으로 확인

• 타 서버의 모델을 동적으로 가지고 와서 모델 비교 및 재작성 가능

• OPC UA Framework 표준을 준수해서 Validation Check

• 표준 OPC UA XML 아웃풋 및 저장으로 기타 OPC UA Server에 적용 가능

국내 유일 CPS OPC UA 범용모델링 모델러14

Flexing OPC UA Modeler

OPC UA Address Space 개념을통한 CPS 를구현 – Flexing Modeler

기능 1. 개별 OPC UA Server를 중앙 하나의 Address Space 구성

2. 드래그 앤 드랍 방식의 쉬운 GUI 방식

3. 범용 OPC UA 모델툴 / 실시간 Address Space 추가/변경

Address Space 실시간반영

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KUKA로봇 OPC UA Server 통신15

모델링된 KUKA Robot Address Space

실제 KUKA Robot Address Space

KUKA OPC UA Modeler

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Flexing API Bigdata & Dashboard16

시계열 DB 화면

결과: 초당 200노드씩빅데이터축적및저장 – 시계열유저장및디스플레이

Flexing OPC Time Series DB

Flexing Machine Learning Model 배포 및 관리17

제조설비 Endpoint

계측 데이터 전송

텐서플로우서빙 REST API

서버

이상감지알람 서버

Web Mobile App

관리자어플리케이션

이상 감지 예측 후알람

가공 데이터 전송

학습 모델 요청

학습 모델 다운로드

클라우드

머신러닝 학습모델 생성

Long-term

DBShort-term

DB

Flexing OPC 머신러닝 및 분산제어

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Flexing Machine Learning Studio18

데이터분석툴및학습모델 제작툴 - 프로그램을제외한범용화툴을사용해서데이터분석과패턴을찾고학습모델을만들고배포할수있음.

Flexing OPC 머신러닝 및 분산제어

드래그앤드랍기능

분석데이터선택

플로팅기능

분석알고리즘선택

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Flexing API Gateway & Dashboard19

다양한어플리케이션회사들이 Flexing 통해서데이터를연동하고구현할수있는방안을제시한플랫폼

국산기술로비용저렴 OPC UA 기술은 외산이 점령 & 4년간의 R&D로 국산화 성공

현장기계와로봇의연결의시작 스마트팩토리구축을위한시작이며중심이되는플랫폼

모델링 & 패킷분석툴제공 비표준을 표준으로 변경할 수 있는 툴을 제공

Flexing Edge / Cluster 분산제어를 통한 공장의 지속적인 안정성 확보

외산메이커들의지배력에서벗어나서스마트팩토리를구축할수있게한다

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Flexing OPC 장점

Flexing CPS 플랫폼의장점20

비용과시간을줄여중소기업에도입가능한제품공급

Thank You。

Joshua@uvc.co.kr 조규종 010-3777-2550