레거시 PLC 시스템에서 OPC-UA 지원 소프트웨어의 설계 및 구현 = Design and Implementation of OPC-UA Support Software for Legacy PLC System

국문 초록 (Abstract)

산업 환경에서 공정 제어 시스템은 4차 산업 혁명 시대에 맞춰 자동화와 연결성이 극대화되고 있다. OPC-UA는 제어 시스템에서 계층간의 수직적 접근과 장치간의 수평적 접근을 가능하게 하여 산업 환경에 상호 운용성을 지원하는 4차 산업 혁명의 이상적인 프로토콜로 간주된다. PLC 시스템에서 OPC-UA의 쉬운 개발과 유지 보수성을 위한 PLCopen 기술 문서가 작성됐다. 이 기술 문서는 OPC-UA 서버의 정보 모델과 OPC-UA 클라이언트의 서비스에 대응하는 함수 블록들을 명세한다.
하지만 산업 환경에는 OPC-UA를 활용할 수 없는 레거시 장비들이 사용되고 있다. 이를 위해 레거시 장비를 교체하는 것은 비용과 시스템 안전성 문제를 초래할 수 있다. 그러므로 레거시 장비에 OPC-UA를 활용하기 위한 다양한 연구들이 진행됐다. 본 논문은 레거시 장비들 중 PLC 장비에 한정하여 OPC-UA를 지원하고자 한다. 지원하기 위한 방법으로 첫째는 레거시 장비에 OPC-UA를 제공할 수 없는 원인들을 정의한다. 둘째로 선정한 OPC-UA SDK의 특성과 타겟 시스템을 고려해 정의한 원인들의 해결 방법을 제시하고 간소화된 PLCopen 기술을 설계한다. 마지막으로 설계한 소프트웨어를 개발하고 타겟 시스템을 모사하는 실험 환경을 구성하여 소프트웨어의 동작과 성능을 검증한다.
OPC-UA 서버의 성능 지표는 CPU 사용량과 데이터가 생성된 시점으로부터 외부 OPC-UA 클라이언트가 데이터를 관찰하기까지의 지연 시간이다. 이 성능 지표들은 읽기와 구독 서비스로 검증하였다. OPC-UA 클라이언트는 처리하는 노드 수를 달리해가며 소프트웨어의 컴포넌트 별로 함수 블록의 실행 시간을 측정하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the industrial environment, process control systems are maximizing automation and connectivity in line with the era of the Fourth Industrial Revolution. OPC-UA is considered an ideal protocol for the Fourth Industrial Revolution, which enables vertical access between layers and horizontal access between devices in a control system to support interoperability in the industrial environment. PLCopen technical documentation has been written for easy development and maintenance of OPC-UA in PLC systems. This technical document specifies the information model of the OPC-UA server and the function blocks that correspond to the services of the OPC-UA client.
However, legacy devices that cannot utilize OPC-UA are being used in industrial environments. To this end, replacing legacy devices can lead to cost and system safety issues. Therefore, various studies have been conducted to utilize OPC-UA for legacy devices. This paper seeks to support OPC-UA only for PLC equipment among legacy devices. As a way to support, the first defines the causes of the inability to provide OPC-UA to legacy devices. Secondly, we present a solution to the defined causes and design a simplified PLCopen technology, considering the characteristics of target systems and the selected OPC-UA SDK. Finally, we develop the software and construct an experimental environment that mimics the target system to verify its behavior and performance.
The performance indicators of an OPC-UA server are the CPU usage and the delay from when the data is generated to when the data is observed by an external OPC-UA client. These performance indicators are validated by read and subscription services. The OPC-UA client measured the execution time of functions blocks by each component of the software, varying the number of nodes handled.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 연구 배경 4
• 2.1. OPC-UA 4
• 2.2. PLCopen TC4 8
• 2.3. 레거시 시스템 13
• 3. OPC-UA 지원 소프트웨어 14
• 3.1. OPC-UA 서버 컴파일러 14
• 3.2. OPC-UA 지원 소프트웨어 구조 17
• 3.3. 공유 메모리 20
• 3.4. Gateway 모듈 21
• 3.5. OPC-UA Agent Server 모듈 23
• 3.6. OPC-UA Agent Client 모듈 27
• 4. 성능 평가 38
• 4.1. 측정 환경 38
• 4.2. OPC-UA Agent Server 성능 평가 39
• 4.3. OPC-UA Agent Client 성능 평가 45
• 5. 결론 56
• 참고문헌 58
• Abstract 61