산업용 통신 프로토콜

OPC UA란

조이컨 2025. 4. 15. 12:09

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) 개요

OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture)는 산업 자동화 분야의 안전하고 신뢰성 있는 데이터 교환을 위한 개방형 통신 표준입니다. 독립적인 비영리 단체인 **OPC 재단(OPC Foundation)**에 의해 개발 및 관리되며, 특정 공급업체에 종속되지 않는 플랫폼 독립적인 상호 운용성을 제공하는 것을 목표로 합니다.

 

OPC UA는 단순히 데이터를 주고받는 것을 넘어, 데이터에 의미와 문맥(Context)을 부여하는 정보 모델링 기능과 처음부터 강력하게 설계된 보안 메커니즘을 갖추고 있어, Industry 4.0, 스마트 팩토리, 산업용 사물인터넷(IIoT) 구현의 핵심 기술로 인정받고 있습니다.

OPC Classic과의 차이점 및 UA의 등장 배경

OPC UA 이전에는 OPC Classic (DA, HDA, A&E 등) 표준이 사용되었습니다. 하지만 OPC Classic은 다음과 같은 한계를 가졌습니다.

  • 플랫폼 종속성: 주로 Microsoft Windows의 COM/DCOM 기술에 의존하여 다른 운영체제나 임베디드 시스템에서의 사용이 어려웠습니다.
  • 보안 문제: DCOM 설정의 복잡성과 보안 취약점에 대한 우려가 있었습니다.
  • 제한된 정보 모델링: 단순한 데이터 값(Value) 중심의 통신으로, 복잡한 기계나 시스템의 정보를 구조적으로 표현하는 데 한계가 있었습니다.

OPC UA는 이러한 문제들을 해결하고, 다양한 시스템 환경에서 통합된(Unified) 방식으로 안전하고 의미 있는 정보 교환을 가능하게 하기 위해 개발되었습니다.

핵심 개념 및 아키텍처

  1. 플랫폼 독립성 (Platform Independence):
    • 특정 운영체제(Windows, Linux, macOS, RTOS 등), 프로그래밍 언어, 하드웨어 플랫폼에 종속되지 않습니다.
    • 서비스 지향 아키텍처(SOA)를 기반으로 설계되어 다양한 시스템 환경에 유연하게 적용될 수 있습니다.
  2. 강력한 보안 (Built-in Security):
    • OPC UA는 설계 초기 단계부터 보안을 핵심 요소로 고려했습니다. 다층적인 보안 메커니즘을 제공합니다.
    • 인증 (Authentication): 사용자 및 클라이언트/서버 애플리케이션 인증 (예: 사용자 이름/암호, X.509 인증서).
    • 권한 부여 (Authorization): 사용자/애플리케이션 별로 특정 데이터나 기능에 대한 접근 권한 제어.
    • 데이터 기밀성 (Confidentiality): 통신 데이터 암호화 (예: AES).
    • 데이터 무결성 (Integrity): 메시지 서명을 통해 데이터 위변조 방지.
    • 보안 정책 (Security Policies): 다양한 수준의 보안 요구사항에 맞는 정책 선택 가능.
  3. 정보 모델링 (Information Modeling):
    • OPC UA의 가장 강력한 특징 중 하나입니다. 단순한 데이터 포인트를 넘어, 의미(Semantic)를 갖는 풍부하고 구조화된 정보를 정의하고 교환할 수 있게 합니다.
    • 주소 공간 (Address Space): 서버가 제공하는 정보를 노드(Node)와 레퍼런스(Reference)를 이용하여 계층적이고 네트워크화된 형태로 구성합니다.
    • 노드 (Nodes): 정보의 기본 단위로, 실제 장비(Objects), 데이터 값(Variables), 실행 가능한 기능(Methods), 데이터 타입(DataTypes), 특정 관점(Views) 등을 나타냅니다.
    • 컴패니언 스펙 (Companion Specifications): 특정 산업 분야(예: 포장 기계 - PackML, 플라스틱/고무 기계 - EUROMAP)나 장치 유형(예: 로봇, PLCopen)에 대한 표준 정보 모델을 정의하여, 해당 분야 장비 간의 진정한 '플러그 앤 플레이' 상호 운용성을 촉진합니다.
  4. 다양한 통신 모델 (Communication Models):
    • 클라이언트/서버 (Client/Server): 클라이언트가 서버에게 요청하고 서버가 응답하는 전통적인 방식입니다. 서버의 주소 공간 탐색(Browse), 데이터 읽기/쓰기(Read/Write), 이력 데이터 접근(Historical Access), 메서드 호출(Method Call) 등에 사용됩니다.
    • 발행/구독 (Publisher/Subscriber, Pub/Sub): 발행자(Publisher)가 데이터를 네트워크에 발행하면, 해당 데이터를 구독(Subscribe)하는 다수의 구독자(Subscriber)가 동시에 데이터를 수신하는 방식입니다. 일대다(One-to-Many) 데이터 배포에 효율적이며, 실시간 데이터 스트리밍, 클라우드 연동 등에 유리합니다. UDP나 MQTT 같은 메시징 프로토콜 위에서 구현될 수 있습니다.
  5. 유연한 전송 메커니즘 (Transport Mechanisms):
    • 데이터 전송을 위해 다양한 프로토콜을 사용할 수 있습니다.
    • OPC UA TCP: 고성능 바이너리 프로토콜.
    • HTTPS: 웹 기반 통신 및 방화벽 통과 용이.
    • WebSockets: 웹 애플리케이션과의 효율적인 양방향 통신.
    • MQTT 등 (Pub/Sub용): 클라우드 및 저대역폭 환경에 적합.

주요 목적 및 응용 분야

  • 수직적 통합: 공장 현장의 센서/액추에이터 레벨부터 PLC, SCADA, HMI를 거쳐 MES(생산 실행 시스템), ERP(전사적 자원 관리), 클라우드 플랫폼까지 모든 계층 간의 원활한 데이터 연동.
  • 수평적 통합: 기계와 기계 간(M2M), 라인과 라인 간의 실시간 정보 교환.
  • 보안 원격 접속: 외부에서 공장 내부 시스템의 데이터를 안전하게 모니터링하고 제어.
  • 표준 인터페이스: 다양한 벤더의 시스템 및 소프트웨어 간의 데이터 교환을 위한 표준화된 인터페이스 제공.
  • Industry 4.0 및 스마트 팩토리: 사이버 물리 시스템(CPS), 디지털 트윈(Digital Twin), IIoT 등 핵심 개념 구현을 위한 기반 통신 기술.

장점

  • 플랫폼 독립성: 특정 기술 종속성 탈피, 높은 유연성.
  • 강력한 보안: 산업 제어 시스템 환경에 필수적인 신뢰성 및 안정성 제공.
  • 풍부한 정보 모델링: 단순 데이터를 넘어 '정보'를 교환하여 의미론적 상호운용성(Semantic Interoperability) 실현.
  • 확장성 및 유연성: 클라이언트/서버 및 발행/구독 모델 지원, 다양한 전송 방식.
  • 높은 상호 운용성: 벤더 중립적 표준으로 이기종 시스템 간 통합 용이.
  • 복합 데이터 지원: 단순 변수 외 구조체, 배열 등 복잡한 데이터 타입 처리 가능.

단점 및 과제

  • 초기 구현 복잡성: 기능이 풍부한 만큼, 간단한 프로토콜에 비해 초기 학습 및 구현이 다소 복잡하게 느껴질 수 있습니다 (단, 다양한 SDK 및 도구 지원으로 완화됨).
  • 보안 설정: 강력한 보안 기능을 제대로 활용하기 위해서는 인증서 관리 등 관련 지식 및 절차가 필요합니다.
  • 성능 오버헤드: 정보 모델링 및 보안 처리 등으로 인해, 최저 레벨의 순수 I/O 데이터 전송에서는 고도로 최적화된 필드버스(예: EtherCAT) 대비 약간의 오버헤드가 있을 수 있습니다 (단, Pub/Sub 모델은 대량 데이터 배포에 매우 효율적임).

다른 프로토콜과의 관계

OPC UA는 일반적으로 PROFINET, EtherCAT, Modbus TCP와 같은 필드버스나 산업용 이더넷 프로토콜을 대체하기보다는 보완하는 역할을 합니다. 필드버스가 빠른 실시간 제어를 담당한다면, OPC UA는 이러한 필드버스에 연결된 컨트롤러나 장치들로부터 표준화되고 안전하며 의미 있는 방식으로 정보를 수집하여 상위 시스템(SCADA, MES, ERP, 클라우드)으로 전달하거나, 기계 간의 정보 교환을 가능하게 하는 데 주로 사용됩니다. (최근에는 OPC UA FX (Field eXchange) 및 TSN (Time-Sensitive Networking) 기술을 통해 필드 레벨에서의 실시간 통신 표준화 노력도 진행 중입니다.)

현재 상태 및 동향 (2025년 4월 기준)

OPC UA는 Industry 4.0 및 IIoT 시대를 대표하는 핵심 통신 표준으로 빠르게 자리매김하고 있습니다. 주요 동향은 다음과 같습니다.

  • 클라우드 통합: MQTT 등을 활용한 Pub/Sub 모델 기반의 클라우드 연동 강화.
  • 필드 레벨 통신 (Field Level Communications, FLC): OPC UA FX 표준 개발 및 TSN 기술과의 결합을 통해 컨트롤러-장치, 장치-장치 간 실시간 통신 영역으로 확장 노력.
  • 컴패니언 스펙 확대: 다양한 산업 및 장치 유형에 대한 표준 정보 모델 개발 가속화.
  • 보안 강화: 지속적인 보안 취약점 분석 및 기능 개선.

요약하자면, OPC UA는 플랫폼 독립성, 강력한 보안, 풍부한 정보 모델링 능력을 바탕으로, 산업 자동화의 모든 레벨에서 안전하고 신뢰성 높으며 의미 있는 정보 교환을 가능하게 하는 핵심적인 상호 운용성 표준입니다.