OPC UA를 통한 빌딩 및 이동성 애플리케이션 간 유연한 통신
  • 김관모 기자
  • 승인 2019.12.24 15:00
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TwinCAT OPC UA, Empa 캠퍼스에서 연구 및 혁신 인프라를 연결

[Beckhoff 제공] Empa(Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research)는 캠퍼스에서 능동적으로 사용되는 생활 환경과 작업 환경 내 건물 및 이동성 부문에서 학제 간 에너지 연구를 수행한다. Empa는 OPC UA 통신 표준에 의존하여 또한 에너지를 생산‧저장‧운반 및 변환하는 데 관련된 모든 구성 요소를 비롯한 3개의 대규모 프로젝트인 “NEST”, “ehub” 및 “ move” 연구 인프라를 상호 연결한다. 장치 간 제어 트래픽에서 클라우드 내 데이터 분석에 이르기까지 데이터 통신은 TwinCAT 3 OPC UA 소프트웨어를 실행하는 CX5140 임베디드 PC에 의해 처리된다.

Empa 캠퍼스 빌딩의 모습 [사진=Beckhoff, Empa/Zooey Braun]
Empa 캠퍼스 빌딩의 모습 [사진=Beckhoff, Empa/Zooey Braun]

대학과 연구기관으로 구성된 학제간 연구기관이자 ETH 도메인의 회원인 Empa는 연구소와 실제 애플리케이션의 격차를 해소하기 위해 노력하고 있다. 이 연구의 주된 초점은 데몬스트레이터(demonstrator)라고 불리는 연구 및 기술 이전 플랫폼을 기반으로 한 에너지와 지속 가능한 건축 기술에 관한 것이다.

여기에는 지속 가능한 건축 기술의 발전(NEST), 에너지 허브(ehub), 미래 이동성을 위한 데몬스트레이터(move) 등이 포함된다. Empa는 연구 및 산업 파트너와 긴밀한 협력을 통해 이러한 대규모 건물, 이동성 및 에너지 프로젝트를 사용하여 해당 분야에서 시장 대비 솔루션을 제공한다.

NEST, ehub 및 move 데몬스트레이터

-NEST는 중앙 코어(백본)와 3개의 개방형 플랫폼으로 구성된 유연한 모듈식 구조를 가진 건물이다. 대규모 플러그 앤 플레이 원리에 따라 건물 바닥 역할을 하는 이들 플랫폼에 개별 연구 및 혁신 모듈을 설치할 수 있다. 이러한 모듈 또는 유닛은 거주지나 작업 장소뿐만 아니라 현실적인 조건에서 작동하는 시험실 역할도 한다. 이 유닛은 열과 전기 네트워크를 통해 연결되며, 이 네트워크를 통해 서로 상호 작용할 수 있다.

-ehub 에너지 연구 플랫폼은 다른 두 데몬스트레이터, 즉 NEST와 다른 건물에 위치한 move를 연결한다. 그러나 특정 연구요건에 따라 모든 에너지 인프라 요소를 개별적으로 제어할 수도 있다. ehub는 NEST를 단일 실체로 취급하기 보다는 다양한 NEST 단위를 별개의 건물로 본다. 따라서 NEST와 연계하여 이동성, 주택 및 작업 분야의 에너지 흐름을 결합하고, 실제 조건에서 새로운 에너지 개념을 시험하고, 효율을 높이고 탄소 배출량을 줄일 수 있는 가능성을 탐구하는 데 사용할 수 있다. 필립 히어는 다음과 같이 설명한다. "에너지 허브는 일반적인 에너지 센터로, 열 펌프, 지열 프로브 및 배터리 같은 일반적인 물리적 구성요소를 갖추고 있으며 총 15개의 건물에 서비스를 제공합니다. 그러나 더 흥미로운 점은 제어 수준에서 작동하는 방식입니다. 즉, 제어 및 에너지 관리 프로젝트를 위한 가상 플랫폼으로 작동합니다.”

-이동성 연구를 위한 데몬스트레이터이자 기술 이전 플랫폼인 move는 탄소 배출을 상당히 낮추도록 설계된 새로운 유형의 차량 드라이브의 개발과 실험을 지원한다. 광전지나 수력 발전소에서 나오는 과잉 전력은 전기 자동차를 충전하고 연료 전지 및 천연/바이오가스로 구동되는 차량을 위해 수소와 합성 메탄을 생산하는 에너지원으로 사용된다. ehub와 move의 연결을 통해 재생에너지를 건축 부문에서 이동성 부문으로 이동시킬 수 있으며 여기에서 재생에너지는 연료로 사용되거나 수소의 형태로 저장된다.

대규모 플러그 앤 플레이 원리를 이용하여 NEST에 쉽게 연구 유닛을 추가할 수 있다. [사진=Beckhoff, Empa/Wojciech Zawarski]
대규모 플러그 앤 플레이 원리를 이용하여 NEST에 쉽게 연구 유닛을 추가할 수 있다. [사진=Beckhoff, Empa/Wojciech Zawarski]

PC 기반 제어 및 OPC UA와의 개방적이고 명확하게 정의된 인터페이스

Empa의 데몬스트레이터가 광범위한 사용자들에게 제공될 수 있기 때문에 명확하게 정의된 인터페이스를 가진 개방적이고 제조자 독립적인 플랫폼을 만드는 것이 필수적이었다. Empa의 ehub 그룹 리더인 필립 히어(Philip Heer)는 "이 장치들은 열 및 전기 시스템과 연결되는 NEST 백본에 대한 단일 물리적 링크만 가지고 있다“며 ”각 장치는 독립적으로 작동하며 이더넷을 통해 통신하는 자체 자동화 솔루션을 통합한다“고 말했다. 또한 ”여기서의 과제는 가능한 적은 제한사항으로 새로운 장치를 데몬스트레이터 인프라에 통합하여 시스템을 서비스 기술자에 의해 유지되고 연구 목적에도 안전하고 최대한의 잠재력을 발휘할 수 있도록 하는 것“이라며 ”통합적인 관점에서 보면 새로운 단위를 추가할 때마다 시스템 경계가 바뀌기 때문에 유연성이 필수적”이라고 강조했다.

Empa 캠퍼스 외부로부터의 유연한 접근을 가능하게 하는 것은 또 다른 도전이었다. 이를 위해 프로세스 제어 수준을 내부 서버가 아닌 클라우드에서 구현했다. 여기에는 다른 요건 외에도, 연구 목적을 위해 필요한 경우 작동기 오버라이드를 허용하면서도 안전한 시스템 작동을 보장하는 전문 제어 시스템 소프트웨어 아키텍처가 필요했다.

필립 히어(Philipp Heer)에게 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture)는 다음과 같은 종류의 매우 복잡하고 유연한 시스템에 대한 요구사항을 충족하는 이상적인 통신 기술이었다. 그는 “우리는 제어 수준의 장치 간 통신에서 클라우드 내 데이터 분석 및 연구 통합에 이르기까지 전반에 걸쳐 OPC UA를 사용한다”며 “우리는 이러한 목적을 위해 OPC UA 정보 모델을 개발했습니다. 이 모델을 통해 표준 사양에 따라 새로운 장치와 구성 요소를 통합할 수 있다”고 설명했다. 아울러 “통합 노력을 최대한 낮추고 일관성을 보장하기 위해 소프트웨어 아키텍처의 일부를 OPC UA 정보 모델 자체에 통합했다”며 “이러한 접근 방식을 통해 시스템을 조정하지 않고도 새로운 IoT(Internet of Things) 소프트웨어 및 서비스를 구현할 수 있다”고 전했다.

Empa NEST 전문가. 왼쪽부터 레토 프릭커 Urban Energy Systems 기술 전문가, 필립 히어 ehub 그룹 리더, 다니엘 로덴베르거 Beckhoff Switzerland 빌딩 자동화 영업 관리자, 사샤 스톨러 및 랄프 네틀 Urban Energy Systems 기술 전문가 [사진=Beckhoff]
Empa NEST 전문가. 왼쪽부터 레토 프릭커 Urban Energy Systems 기술 전문가, 필립 히어 ehub 그룹 리더, 다니엘 로덴베르거 Beckhoff Switzerland 빌딩 자동화 영업 관리자, 사샤 스톨러 및 랄프 네틀 Urban Energy Systems 기술 전문가 [사진=Beckhoff Automation]

TwinCAT OPC UA 드라이브 데이터 통신이 가능한 내장형 PC

TwinCAT OPC UA 소프트웨어(TF6100)를 실행하는 10대의 CX5140 임베디드 PC가 3대의 Empa 데몬스트레이터 간의 통신을 제어하고 있다. 필립 히어는 다음과 같이 설명한다. "NEST 백본에서 TwinCAT OPC UA 서버 및 클라이언트로 7대의 CX5140을 운영하고 있으며, 이를 사용하여 난방, 환기 및 실내 자동화 시스템을 연결할 수 있다. 나머지 3대의 임베디드 PC는 NEST의 중앙 관리 시스템으로 작동하여 마이크로 그리드를 연결하고 장치를 통합한다. 이 시스템은 전체적으로 약 60,000개의 OPC UA 개체를 모니터링한다. 여기에는 자동화를 구축하거나 연구자에게 쓰기 액세스 권한을 제공하는 데 필요한 여러 데이터 지점 인스턴스가 포함된다. 이러한 개체의 관련 센서 신호 약 6,000개가 데이터베이스에 바로 기록된다. 시스템의 규모와 범위에도 불구하고 지금까지 성능 문제는 없었다. TwinCAT OPC UA 게이트웨이는 다음과 같은 뚜렷한 이점을 준다. 각 센서가 해당 구조에 매핑되는 전체 정보 모델에 대한 중앙 액세스 지점을 제공하며, 이 설정을 통해 LabVIEWTM와 같은 통합 시스템 및 데이터베이스에 포함된 모든 정보에 단일 인터페이스를 통해 쉽게 액세스할 수 있다.”

필립 히어의 관점에서 볼 때, TwinCAT Building Automation Library를 사용하여 구현된 기존의 빌딩 자동화 시스템이 OPC UA를 통해 직접 조작될 수 있다는 점도 중요한 특징이다. 그는 "특정 연구 프로젝트의 요구에 맞게 어떠한 개별적인 액츄에이터도 오버라이드할 수 있다“며 ”TwinCAT OPC UA를 사용하면 정보 모델의 트리 내에서 쉽고 원활하게 새로운 인스턴스를 만들 수 있습니다. 연구자들은 건물 자동화 시스템이 정상적인 운영 목적으로만 고유 트리를 볼 수 있는 것과 거의 동일한 방식으로 고유 트리를 볼 수 있다“고 말했다. 또한 그는 ”우리는 Beckhoff 제어 시스템에 구현된 선택기를 통해 필요한 권한을 선택하고 적용할 수 있다. 이는 매우 유연하고 빠르기 때문에 큰 장점”이라고 설명했다.

TwinCAT PLC HMI 소프트웨어가 표시된 CP2915 멀티 터치 제어 패널은 데몬스트레이터 플랜트의 상태를 보여준다. [사진= Beckhoff Automation]
TwinCAT PLC HMI 소프트웨어가 표시된 CP2915 멀티 터치 제어 패널은 데몬스트레이터 플랜트의 상태를 보여준다. [사진= Beckhoff Automation]

 

Empa의 OPC UA 통신에 대한 자세히 설명

-OPC UA 전송 계층인 Empa 데몬스트레이터 파크는 구조상 모듈형이다. OPC UA 서버 및 클라이언트로 작동하는 별도 컨트롤러는 NEST 백본, NEST 유닛, ehub 및 데몬스트레이터 이동의 다양한 서브시스템을 제어한다. 이 서브시스템은 OPC UA를 통해 클라우드에서 TwinCAT OPC UA 게이트웨이와 통신하며, 모든 OPC UA 서버는 게이트웨이에 공유 서버로 액세스할 수 있다. 또한 후자는 상위 데이터베이스, 연구 템플릿 및 SCADA 시스템의 액세스 노드 역할을 한다. Empa는 TwinCAT 소프트웨어에서 사용할 수 있는 OPC UA 클라이언트 PLCopen 기능 블록을 사용하여 CX5140 임베디드 PC 사이에서 장치 간 통신을 구현했다.

-OPC UA 정보 모델: NEST 정보 모델은 모든 장치 및 센서 그룹에 대해 정의된 객체 유형을 기반으로 한다. 이 객체 유형은 읽기와 쓰기 작업을 구별하고, 모든 키 데이터 포인트를 포함한다. 장치 그룹당 하나의 객체 유형이 있으며 객체 유형은 필요한 만큼 자주 객체에 인스턴스화될 수 있다. 이는 다른 해상도의 OPC UA 서버 네임스페이스를 통해 객체를 쿼리할 수 있는 계층 구조를 구축한다.

-기기 간 통신: Empa 데몬스트레이터 파크에 있는 플랜트는 다양한 제어장치를 사용한다. 플랜트에서 측정된 모든 값과 제어 출력은 I/O 또는 버스 시스템을 통해 연결된 각 컨트롤러에 의해 처리된 다음 OPC UA 네임스페이스에 정의된 객체를 통해 사용할 수 있게 된다.

-기계와 사람 간 통신: 각 플랜트는 일반 또는 연구 모드에서 작동할 수 있다. 연구 모드에서는 제어 시스템 논리가 무시된다. 이를 가능하게 하기 위해 각 액츄에이터에 대해 기능 블록이 생성되었다. 각 기능 블록은 2가지 작동 모드에 대해 2개의 OPC UA 쓰기 인스턴스를 통해 접근할 수 있다.

빌딩 자동화를 위한 솔루션

-OPC UA를 통한 건물, 이동성 및 에너지 데몬스트레이터 상호 연결

고객 이점

-신기술 및 시뮬레이션 결과의 실제 적용 연구

-연구 및 일반 운영을 위한 다양한 운영 모드 구현

적용된 PC 제어

-TwinCAT OPC UA 포함 CX5140: 유연한 OPC UA 구현에 이상적

-TwinCAT OPC UA 게이트웨이: 클라우드에 저장된 모든 OPC UA 서버의 데이터에 대한 중앙 액세스 지점

-TwinCAT 범위: 간단한 테스트 및 분석 절차를 위한 고해상도 데이터

Empa는 KL85xx 매뉴얼 오퍼레이션 모듈(하단)을 포함하여 다양한 EtherCAT 터미널과 버스 터미널을 사용한다. [사진= Beckhoff Automation]
Empa는 KL85xx 매뉴얼 오퍼레이션 모듈(하단)을 포함하여 다양한 EtherCAT 터미널과 버스 터미널을 사용한다. [사진= Beckhoff Automation]

유연성 – PC 기반 제어의 핵심 이점

Empa는 2013년 Beckhoff로부터 PC 기반 제어 기술을 사용하기 시작했으며, 처음에는 다양한 인터페이스를 갖춘 소규모 연구 건물을 자동화하기 시작했다. 필립 히어는 이렇게 말했다. "콤팩트한 디자인 외에도 중요한 요소 중 하나는 다양한 인터페이스로, DALI, KNX 또는 M-Bus와 같은 일반적인 빌딩 기술 표준을 훨씬 뛰어넘었다.

건물은 추가적인 산업 통신 프로토콜에 의존했고, 우리는 또한 그것을 수용해야만 했다. 이 프로젝트에서는 버스 터미널과 EtherCAT 터미널이 혼합되어 있어야 하는데, 이는 Beckhoff 기술에 문제가 되지 않았다. EtherCAT의 탁월한 통신 성능은 특히 예외적으로 정밀한 측정이 필요한 상황에서 우리에게 또 다른 큰 장점이다.”

PC 기반 제어의 또 다른 이점은 에너지 측정 기술의 원활한 통합을 가능하게 한다는 것이다. 예를 들어, Empa는 약 25개의 EL3403 및 EL3443 EtherCAT 3상 전력 측정 터미널을 사용하여 공급망의 주요 전기 데이터를 기록하고 분석한다. TwinCAT Scope 역시 Philip Heer의 설명처럼 일을 더욱 쉽게 만든다. 이에 대해 필립 히어는 "TwinCAT Scope의 사용하기 쉽고 강력한 분석 기능을 통해 고해상도 데이터를 사용하여 컨트롤러를 테스트하고 장애 입력을 제대로 평가할 수 있다“고 밝혔다.


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