표준화된 IoT 통신으로 인더스트리 4.0 컨셉트 구현이 수월해졌다

IT와 자동화 기술의 융합으로 인해 클라우드 기반 통신 서비스는 산업 제어 프로젝트에서 점점 더 많이 사용되고 있는 추세이다. 따라서 PC 기반 제어기술도 중요성이 커지고 있다. Beckhoff 자동화 플랫폼 TwinCAT은 OPC UA, MQTT, AMQP와 같은 관련 통신표준을 지원하고 있으며, 클라우드 기반 생산 컨셉트의 실현을 용이하게 한다.

고전적인 제어 작업의 확장이라 할 수 있는 빅 데이터, 데이터 마이닝, 상태 모니터링, 전력 모니터링 작업에 대한 응용 시나리오의 구현으로 새롭고 미래 지향적인 자동화 솔루션이 가능해졌다. 인더스트리 4.0과 사물 인터넷 컨셉트는 장치 및 서비스의 네트워킹과 통신에 까다로운 요건을 제시한다. 고전적인 통신 피라미드의 관점에서 센서와 상위 계층 간에 많은 양의 데이터가 교환된다. 또한 기기 상호 간의 수평적 통신은 현대식 생산시설에서 중요한 역할을 하고 있다.

PC 기반 컨트롤이 클라우드 서비스와 메시지 브로커를 연결한다

PC 기반 제어기술은 이를 위해 필수적인 기반이며, 현재의 자동화 프로젝트에서 떼어 놓고 생각할 수 없다. 클라우드는 IoT 프로젝트를 구현하는 지원자의 역할을 한다. 이른바 클라우드 서비스 제공자는 고객을 위한 인프라와 서비스를 전세계적으로 제공하며 사용 가능하도록 추출한 후 고객을 위해 구성해야 할 시스템의 복잡성을 최소화한다.이러한 클라우드 서비스는 SQL 또는 No-SQL 데이터베이스와 같은 간단한 저장소 기능을 제공할 뿐만 아니라, 클라우드 공급자의 인프라에서 호스트되고 실행되는 복잡한 기계 학습 알고리즘을 제공할 수 있다. 공용 클라우드에서 이러한 서비스와 통신할 때 데이터 수집(Data Ingestion), 이른바 메시지 브로커를 통한 데이터 저장이 이루어진다. 이는 클라우드에서 메시지를 배포하기 위한, 보안이 이루어지고 전송 프로토콜 측면에서 표준화된 엔드 포인트이며, 이를 통해 다른 클라우드 서비스에 도달하거나 다른 클라우드 서비스를 사용할 수 있다(그림 1). 공용 클라우드에서 그러한 브로커 서비스의 대표적인 예로는 Microsoft Azure™ IoT Hub, Amazon Web Services IoT,IBM Watson IoT, Google IoT 등이 있다.

그림 2: TwinCAT과 TwinCAT OPC UA는 클라우드에 이르기까지 표준화된 통신 실현을 지원한다.

IoT 통신 프로토콜 MQTT

이 모든 플랫폼의 공통점은 종속 전송 프로토콜이다. 이미 일찌감치 수송 경로에 대한 프로토콜이 여기서 확립되었고, 모든 대중적인 공용 클라우드 시스템이 이를 채택하였다. 이른바 Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) 프로토콜이다. 단순성과 근소한 오버헤드로 인해 이 프로토콜은 소규모 임베디드 시스템이 불안정한 통신 라인을 통해 클라우드와 또는 상호 간에 데이터를 교환해야 하는 경우에도 매력적이다.

MQTT는 수년 간 자동화 환경에서 알고 있던 전통적인 클라이언트/서버 어플리케이션과 달리 Publisher/Subscriber 원리를 기반으로 한다. 이렇게 하면 순전히 나가는 데이터 연결로 인해 존재하는 IT 인프라에 통합하기가 용이해진다. 또한 TLS와 같은 일반적인 보안 메커니즘을 사용하여 전송 채널을 보호하고 장치 인증을 구현할 수 있다.

그러나 MQTT를 통한 전송 경로가 표준화를 거쳤지만, MQTT는 메시지의 내용에 관해서는 아무 것도 말해주지 않는다. 사양에 따르면 메시지 내용은 우선 „순전히 바이너리“로만 선언되기 때문에, 항상 어플리케이션별로 또는 제조사별로 메시지의 직렬화와 역직렬화가 항상 적용된다. 메시지 내용을 코딩하기 위해 JSON (JavaScript Object Notation )을 클라우스 시스템에서 일반적으로 사용하는 것은 오랫동안 일반적인 관행이었지만, JSON 메시지의 내용도 응용 프로그램마다 다를 수 있고, 제조사마다 심지어는 클라우드 공급자마다 다를 수 있다.

이는 응용 프로그램 측면에서 볼 때 데이터의 계속적인 처리를 대단히 어렵게 한다. 다행히 OPC Foundation이 UA(UnifiedArchitecture)에서 Publisher/Subscriber원리를 사용하여 클라우드 기반 통신의 장점에 접근하였다. OPC Foundation 내에서 적절한 작업 그룹은 Publisher/Subscriber메커니즘을 통해 OPC UA 사양의 확장을 다룬다. 전송 채널이 OPC UA에서 상호 교환 가능하고 Publisher/Subscriber를위한 전송 채널을 개발하는 것을 피하기 위해, 특별히 MQTT를 전송 경로로 선택하였다. 이를 통해 기존 시스템과의 호환성이 높아지며, 이는 클라우드 시스템 내에서 계속해서 증가하는 MQTT 확산을 통해 지원된다.

TwinCAT은 IoT 표준 프로토콜에 매끄럽게 통합된다

새로운 IoT 제품 및 컨셉트를 갖추고 TwinCAT 3 엔지니어링 및 제어 소프트웨어는 인더스트리 4.0 컨셉트와 IoT 통신을 위한 기본 기술을 제공한다. IoT 버스 커플러 EK9160과 같은 Beckhoff 의 새로운 I/O 콤포넌트를 사용하면 공용 및 사설 클라우드 어플리케이션에 간단하고 원활하게 구성 통합할 수 있다.

자동화 플랫폼 TwinCAT은 클라우드를 위한 표준화된 보안 통신 경로를 통해 보완 제품 TwinCAT OPC UA와 TwinCAT IoT로 풍성해졌다. 이 플랫폼은 MQTT Publisher/Subscriber뿐만 아니라 전통적인 클라이언트/서버 통신, Historical Access, Alarms & Conditions와 같은 OPC UA 기능을 제공하고, 제어 로직 콘텐츠에 대한 액세스와 통신 보안을 위한 다양한 메커니즘을 제공한다. 통신은 Microsoft Azure™, Amazon WebServices, IBM Watson, Google IoT와 같은 통상적인 클라우드 시스템과 이루어질 수 있으며, 자사 네트워크 또는 기계 네트워크 내에서 사설 클라우드 시나리오도 구현할 수 있다. OPC UA를 사용하여 Beckhoff시스템과 타사 시스템도 클라우드에 연결할 수 있다. OPC Foundation의 해당 작업 그룹에 Beckhoff가 지속적으로 협력하여 최초의 OPC UA Publisher/Subscriber 프로토타입이 사양 확장이 완료되기도 전에 구현될 수 있었다.