힐셔, SPS 2019에서 TSN 기반 OPC UA Pub/Sub 모델 성능 입증

시간민감네트워크인 TSN(Time-Sensitive Networking)은 산업용사물인터넷(IIoT) 제조 장비 네트워크 연결에서 필수요소가 되고 있다. 최소한 향후 도래하게 될 미래 제조 장비 및 플랜트 엔지니어링에서 장애없는 지속적인 통신을 가능하게 할 수 있다. 업계의 통신 프로토콜 전문가들은 인더스트리 4.0(Industry 4.0) 및 산업용사물인터넷(IIoT)를 위한 기술로 TSN 기반 OPC UA를 주목하고 있다.

산업용 통신 솔루션 선도업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 자사의 최신 멀티프로토콜 SoC인 netX90 디바이스를 기반으로 100Mbit/s TSN(Time-Sensitive Networking) 표준 구현을 완료하고, 모든 관련 테스트베드에 적극 참여하면서 장치 제조업체들이 향후 통신 작업에 대비할 수 있도록 지원하고 있다고 밝혔다.

힐셔는 이미 지난 11월 독일 뉘른버그에서 열린 SPS 2019에서 스케쥴링된 트래픽의 개선(이전의 IEEE 802.1Qbv), 프레임 선점(이전의 IEEE 802.1Qbu), 시간에 민감한 애플리케이션을 위한 타이밍 및 동기화(IEEE 802.1AS)와 같은 TSN의 주요 표준과 함께 OPC UA Pub/Sub 데모를 선보였다.

기존의 네트워크 프로토콜은 Server/Client (서버/클라이언트) 모델 구조를 가진다. 클라이언트의 요청에 서버가 응답하는 방식이다. 이는 구조적으로 동시에 여러 메시지를 다중적으로 완벽하게 처리하는 것이 불가능하다. 

이에 OPC UA는 이러한 서버/클라이언트 구조를 Pub/Sub (발행자/구독자)로 변경했다. 이는 발행자(서버)가 데이터를 네트워크로 보내고 모든 구독자(클라이언트)가 이 데이터를 수신하는 구조를 적용한 것으로 이해할 수 있다. 동적으로 시스템을 확장하거나 변경 가능하게 하는 Pub/Sub (Publisher/Subscriber) 모델을 개발하게 된 것이다. Pub/Sub 모델 구조를 통해서 1:N 및 N:N 통신이 가능해졌다.

OPC UA Pub/Sub과 TSN 기술을 활용하게 되면 산업용사물인터넷 및 Industry 4.0의 요구 사항을 충족하는 종단간 네트워킹을 보장하는 스마트 머신 및 기기의 제작과 활용이 가능하다. 제조산업 분야에서 클라우드, 빅데이터, AR/VR 등과 연계한 다양한 비즈니스 모델과 애플리케이션으로의 확장도 가능하다.

OPC UA Pub/Sub 모델 구조를 개발하고 국제 표준을 진행한 OPC 파운데이션에 따르면, Pub/Sub를 사용하면 OPC UA를 2가지 중요한 방식으로 통합 할 수 있다. 첫 번째는 전자 하드웨어가 로컬 네트워크에서 저전력 및 대기시간이 짧은 통신이 필요한 작업장 필드레벨의 가장 아래 수준이다. 두 번째 애플리케이션은 확장 가능한 클라우드 기반 애플리케이션에 OPC UA를 통합하는 것이다.

작업장의 가장 아래 수준에서 OPC UA를 통합하는 경우 2KB SRAM을 사용하는 8 비트 컨트롤러를 내장 장치에 통합 할 수 있다. 이를 통해 고성능 데이터 교환 및 통신 네트워크가 유지된다. 또한 OPC UA를 1:N, 1:1 및 N:N 구성으로 통합하는 경로를 만든다. 이는 성능 향상을 위해 데이터 송수신이 필요한 확장성이 뛰어난 클라우드 기반 아키텍처에서 수행 할 수 있다.

Pub/Sub의 또 다른 중요한 측면은 인터넷이나 클라우드를 통해 OPC UA를 직접 사용할 수 있다는 것이다. 이는 MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 및 AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)와 같은 널리 사용되는 데이터 전송 메시징 미들웨어를 사용해 수행할 수 있다. OPC UA가 성공적으로 구현되면 이기종 디바이스와 응용 프로그램 간의 상호 운용성 및 데이터 공유가 용이해진다.

이러한 Pub/Sub 사양의 중요성은 현장에 적용될 때에 쉽게 이해될 수 있다.  Pub/Sub의 중요성의 예는 실시간성을 보증하면서 데이터를 전송하는 능력에 있다. 이는 실시간 데이터 전송이 통합된 자동화 프레임워크의 작동 방식을 결정할 때 특히 중요하다.

Pub/Sub 모델은 또한 OPC UA 구현에서 직면하는 많은 제한에 대한 솔루션으로도 사용 가능하다. 예를 들어 OPC UA와 관련된 하나의 클라이언트 대 하나의 서버 (1:1) 기능을 제거하는 것이다. Pub/Sub는 1:N 또는 N:N 구성이 가능하도록 한다. 이를 통해 OPC UA는 사물인터넷(IoT) 및 산업용사물인터넷(IIoT) 응용 프로그램과 호환된다. Pub/Sub를 구현하면 여러 클라이언트 또는 구독자가 메시지 지향 미들웨어에 공개된 데이터에 액세스 할 수 있다. 그러면 가입자는 어떤 유형의 게시자가 있는지 몰라도 특정 유형의 데이터에 액세스 할 수 있다. 이를 달성하면 제조 과정에서 산업용사물인터넷(IIoT)의 통합을 가속화 할 수 있다.

특히, OPC UA Pub/Sub은 시간민감네트워크(TSN) 기술을 수용해 제조현장에서 시간이 중요한 애플리케이션 프로그램을 구동하게 된다. 각종 장비에서 아주 빠른 실시간성의 사이클타임을 가속화한다. 이를 통해 장비는 데이터의 병목 현상없이 시간이 중요한 응용 프로그램을 실시간으로 처리 할 수 ​​있는 것이다.

힐셔의 netRAPID 90 또는 netX90과 같은 여러 OPC-UA 지원 디바이스들은 네트워크 시나리오에서 발행자(Publisher) 및 구독자(Subscriber) 역할을 동시에 수행할 수 있다. 힐셔가 구현한 OPC UA Pub/Sub 데모는 발행자와 구독자 사이의 일정한 전송 시간 및 발행자의 시간-트리거형 프레임 투입의 정확도뿐만 아니라 OPC UA 통신을 입증하는데 성공했다. 또한 이 데모를 통해 TSN 기능의 영향과 장점을 평가할 수 있는 기반을 제공했다.

힐셔코리아 원일민 대표는 “힐셔는 실시간 이더넷 통신을 가능하게 하는 TSN 솔루션 개발을 적극적으로 주도하고 있다.”고 밝히고, “이번에 발표한 OPC UA Pub/Sub 데모를 통해 다시 한번 TSN 표준에 대한 힐셔의 기술력을 입증한 것은 물론, 미래의 완전한 인더스트리 4.0(Industry 4.0) 및 IIoT로 나아가는 중요한 이정표를 수립하게 됐다.”고 말했다.