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[06] 스마트팩토리 (Level 2/3) - RTDB 중심

Broaden 2025. 4. 9. 23:23

 

지난 포스팅에서는 스마트팩토리의 OT(Operation Technology) 영역인 Level 1(PLC, DCS)과 Level 2(HMI)에 대해 살펴보았습니다. 오늘은 Level 2와 Level 3의 경계에 위치하며 스마트팩토리의 실시간 데이터 관리의 핵심이라고 할 수 있는 RTDB(Real-Time Database, 실시간 데이터베이스)에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 

 

RTDB는 단순한 데이터 저장소를 넘어, 제조 공정에서 발생하는 방대한 양의 실시간 데이터를 수집, 저장, 처리, 분석하여 스마트한 의사 결정을 지원하고 생산 시스템을 효율적으로 제어하는 데 필수적인 역할을 수행합니다. 마치 공장의 심장처럼, 실시간으로 데이터를 공급하고 순환시켜 스마트한 운영을 가능하게 하는 핵심 동력이라고 할 수 있습니다.

 

그럼 지금부터 스마트팩토리 RTDB의 주요 기능과 특징, 종류, 구성 요소, 그리고 다른 제조 시스템과의 연계 관계까지 자세히 살펴보겠습니다.

 

스마트팩토리 RTDB의 주요 기능 및 특징

  1. 데이터 수집 (Data Acqusition)
    • 공장 내 다양한 센서(온도, 압력, 진동 등) 및 제어 시스템(PLC)으로부터 실시간으로 데이터를 수집합니다.
    • OPC UA, MQTT, Modbus, Ethernet/IP 등 다양한 산업용 통신 프로토콜을 폭넓게 지원하여 이기종 시스템과의 원활한 데이터 연동을 가능하게 합니다.
  2. 데이터 저장 (Data Storage)
    • 시간 순서대로 기록되는 시계열 데이터(Time-Series Data) 처리에 특화된 경우가 많습니다. 스마트팩토리에서 발생하는 대부분의 데이터는 시간 흐름에 따른 변화를 분석하는 것이 중요하므로 시계열 데이터베이스의 효율성이 매우 높습니다.
    • 대용량 데이터를 효율적으로 저장하고, 빠른 검색 및 조회 성능을 제공하여 실시간 데이터 분석 및 활용을 지원합니다.
  3. 실시간 처리 및 분석 (Data Processing and Analysis)
    • 실시간 데이터 스트림 처리(Real-Time Data Stream Processing), 복합 이벤트 처리(CEP, Complex Event Processing), 이상 감지(Anomaly Detection), 예측 분석(Predictive Analytics) 등 고급 데이터 처리 및 분석 기능을 제공합니다.
    • 머신 러닝(Machine Learning), 딥러닝(Deep Learning) 알고리즘을 통합하여 데이터 분석의 정확도와 효율성을 극대화할 수 있습니다.
  4. 데이터 시각화 (Data Visualization)
    • 실시간 데이터를 대시보드, 차트, 그래프 등 다양한 시각적 형태로 제공하여 사용자가 데이터를 쉽게 이해하고 분석할 수 있도록 돕습니다.
    • 웹 기반 인터페이스, 모바일 앱 등 다양한 플랫폼을 지원하여 언제 어디서든 실시간 데이터에 접근하고 모니터링할 수 있도록 편의성을 제공합니다.
  5. 시스템 연동 (System Integration)
    • MES(Manufacturing Execution System)등 다른 제조 시스템과 긴밀하게 연동하여 데이터의 흐름을 원활하게 하고 정보 공유를 촉진합니다.
    • API(Application Programming Interface)를 제공하여 외부 시스템과의 통합을 용이하게 하고 데이터 활용의 확장성을 높입니다.
  6. 보안 (Security)
    • 데이터 암호화, 접근 제어, 사용자 인증 등 다양한 보안 기능을 내장하여 수집 및 저장된 데이터의 기밀성, 무결성, 가용성을 보장합니다.
    • 산업 제어 시스템 보안 표준을 준수하여 OT 환경의 특성에 맞는 강력한 보안 체계를 제공합니다.


RTDB의 종류

스마트팩토리 환경에서 활용되는 RTDB는 상용 솔루션과 오픈 소스 솔루션으로 다양하게 존재합니다.

  1. 상용 RTDB
    • OSIsoft PI System: 오랜 경험와 강력한 기능을 바탕으로 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 대표적인 RTDB 솔루션입니다.
    • GE Digital Predix: GE의 산업용 플랫폼 Predix의 핵심 구성 요소로, 클라우드 기반의 강력한 데이터 관리 및 분석 기능을 제공합니다.
    • Siemens MindSphere: 지멘스의 클라우드 기반 개방형 IoT 운영체제로, 다양한 산업 데이터를 통합 관리하고 분석하는 데 활용합니다.
    • Rockwell Automation FactoryTalk Historian: 로크웰 오토메이션의 산업 자동화 솔루션과 긴밀하게 통합되어 실시간 데이터 관리를 지원합니다.
    • AVEVA Historian (Wonderware Historian): 강력한 데이터 수집 및 저장 기능을 제공하며, 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.
  2. 오픈 소스 RTDB
    • Apache Kafka: 대용량 실시간 데이터 스트림 처리에 특화된 분산 스트리밍 플랫폼으로, 실시간 데이터 파이프라인 구축에 널리 사용됩니다.
    • InfluxDB: 시계열 데이터의 효율적인 저장 및 처리에 최적화된 오픈 소스 데이터베이스입니다.
    • TimescaleDB: 강력한 기능과 안정성을 자랑하는 PostgreSQL 기반의 오픈 소스 시계열 데이터베이스입니다.


RTDB의 구성 요소 = DB + AP + α (실시간 데이터 처리 플랫폼)

RTDB는 단순하게 데이터를 저장하는 데이터베이스(DB)의 역할만 수행하는 것이 아니라, 데이터 수집, 처리, 분석, 시각화, 시스템 연동 등 다양한 기능을 통합적으로 제공하는 실시간 데이터 처리 플랫폼으로 이해하는 것이 더 적절합니다.

  1.  데이터베이스(DB)
    • 실시간으로 수집되는 데이터를 효율적으로 저장하고 관리하는 핵심적인 기능입니다.
    • 일반적인 관계형 데이터베이스(RDB)보다 시계열 데이터(Time-Series Data) 처리에 특화된 데이터베이스를 사용하는 경우가 많습니다.
    • 빠른 데이터 쓰기 및 읽기 속도를 제공하여 실시간 데이터 처리 요구 사항을 충족합니다.
    • In-Memory 데이터베이스를 활용하여 데이터 접근 속도를 극대화하고 성능을 향상시키기도 합니다.
  2. 애플리케이션 서버(AP Server)
    • 다양한 데이터 소스(센서, OPC UA 서버 등)로부터 데이터를 수집하는 기능을 제공합니다.
    • 수집된 데이터를 변환, 필터링, 집계, 분석하는 기능을 수행하여 데이터의 가치를 높입니다.
    • 복합 이벤트 처리(CEP), 이상 감지, 예측 분석 등 실시간 분석 기능을 내장하고 있습니다.
    • 외부 시스템과의 원활한 연동을 위한 API(Application Programming Interface)를 제공합니다.
    • 특정 조건 발생 시 사용자에게 알림/경보를 전송하는 기능을 제공하여 신속한 대응을 지원합니다.
  3. α (추가 기능)
    • 실시간 데이터를 차트, 그래프 등으로 시각화하여 사용자에게 직관적으로 제공합니다.
    • 데이터베이스 관리, 사용자 관리 보안 설정 등을 위한 관리 도구를 제공합니다.
    • 엣지 디바이스에서 데이터를 처리하고 분석하는 엣지 컴퓨팅 기능을 지원합니다.
    • 머신러닝/딥러닝 모델을 RTDB에 통합하여 실시간 예측 및 분석 기능을 강화합니다.
  4. 대표적인 예시
    • OSIsoft PI System
      • PI Data Archive (데이터베이스)
      • PI Asset Framework (데이터 모델링 및 관리)
      • PI Vision (데이터 시각화)
      • PI Integrators (외부 시스템 연동)
      • PI Event Frames (이벤트 관리)
      • PI Notifications (알림 기능)
    • GE Digital Predix Time Series
      • Time Series Database (데이터베이스)
      • REST API (데이터 접근 및 관리)
      • Edge Software (엣지 컴퓨팅)
      • Analytics Services (분석 기능)


RTDB의 데이터 저장 구조

RTDB는 실시간으로 발생하는 대량의 시계열 데이터를 효율적으로 저장하고 관리하기 위해 특화된 데이터 구조를 사용합니다.

 

[개념적 모델]

  1. 측정값(Measurement): 수집되는 데이터의 종류를 나타냅니다. (예: 온도, 압력, 속도 등)
  2. 태그(Tag): 데이터의 출처를 식별하고 추가적인 컨텍스트 정보를 제공하는 Key-Value 쌍입니다. 데이터를 필터링하거나 그룹화하는 데 유용하게 활용됩니다.
    • sensor_id=sensor_001
    • location=factory_floor_a
    • equipment_type=pump_01
  3. 필드(Field): 실제 측정된 값입니다. 하나의 측정 값에 여러 개의 필드가 존재할 수 있습니다.
    • value=25.5 (온도 측정의 경우)
    • rpm=1750 (속도 측정의 경우)
    • status=OK (장비 상태 표시 - 숫자 또는 문자열)
  4. 타임스탬프(Timestamp): 해당 측정값이 기록된 시간입니다. 일반적으로 Unix 에포크 시간(Epoch Time) 형식으로 저장되어 시간 순서 기반의 분석을 용이하게 합니다.

 

[텍스트 표현 예시] - 라인 프로토콜(InfluxDB)

temperature,sensor_id=sensor_001,location=factory_floor_a value=25.5 1678886400000
temperature,sensor_id=sensor_002,location=factory_floor_b value=28.2 1678886400000
temperature,sensor_id=sensor_001,location=factory_floor_a value=25.7 1678886460000
pressure,sensor_id=pressure_001,unit=psi value=14.7 1678886400000
speed,equipment_id=motor_001,unit=rpm rpm=1745 1678886400000
speed,equipment_id=motor_001,unit=rpm rpm=1750 1678886460000


RTDB와 타 제조 시스템과의 연계 관계

RTDB는 스마트팩토리의 다양한 시스템과 유기적으로 연동되어 데이터 흐름을 원활하게 하고 정보 공유를 촉진하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 일반적인 데이터 흐름 구조와 함께, 엣지 컴퓨팅 활용 등 다양한 변형된 구조가 존재합니다.

  1. 일반적인 구조
    • Sensor/Actuator > PLC > TC/EC/EAP > RTDB > MES
  2. 변형된 구조
    • Sensor/Actuator > PLC > RTDB > MES
  3. 변형된 구조(Edge Computing 활용)
    • Sensor/Actuator > PLC > Edge RTDB > RTDB > MES

 

RTDB, 스마트팩토리 지능화를 위한 엔진

RTDB는 스마트팩토리 환경에서 발생하는 방대한 양의 실시간 데이터를 효율적으로 관리하고 분석하여 지능적인 의사결정을 지원하는 핵심 시스템입니다. 단순한 데이터 저장소를 넘어, 데이터 수집, 처리, 분석, 시각화, 시스템 연동 등 다양한 기능을 통합적으로 제공함으로써 스마트팩토리의 운영 효율성을 극대화하는 데 필수적인 역할을 수행합니다.

 

지금까지 Level 2와 Level 3에 걸쳐 중요한 역할을 담당하는 RTDB에 대해 자세히 알아보았습니다. 다음에는 스마트팩토리의 본격적인 Level 3영역인 TC/EC/EAP와 MES에 대해 심층적으로 다루도록 하겠습니다.


[00] 스마트팩토리를 한 번 그려보자.
[01] 스마트팩토리의 수직적 구조
[02] 스마트팩토리(Level 0) - 센서 및 액추에이터
[03] 스마트팩토리(Level 1)- PLC 중심
[04] 스마트팩토리(Level 1)- DCS 중심
[05] 스마트팩토리(Level 2)- HMI 중심
[06] 스마트팩토리(Level 2/3)- RTDB 중심

 

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