NuGet SCADA 독립 시스템 구축

이 튜토리얼에서는 Caffeine NuGet 패키지만으로 독립적인 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 시스템을 구축합니다. Caffeine Engine 설치 없이, NEXCODE.Caffeine.Scada 패키지로 장비를 모델링하고 실시간 데이터를 모니터링합니다.

개요

단계	주제	소요 시간
1	프로젝트 설정	5분
2	장비 모델 정의	15분
3	InterlockRule 안전 로직	10분
4	DI 등록 및 드라이버 연결	10분
5	실시간 모니터링	10분
6	AAS 연동 (선택)	10분

사전 요구 사항:

• Tutorial 02: 첫 번째 드라이버 완료
• .NET 10 SDK
• C# 중급 수준
• Rx.NET 기본 지식 (IObservable/Subscribe)

학습 목표:

• EquipmentNode 기반 장비 트리 구조를 설계할 수 있다
• Sensor, Valve, Cylinder 컴포넌트로 I/O 포인트를 구성할 수 있다
• InterlockRule로 안전 인터락을 구현할 수 있다
• Caffeine Engine 없이 독립 SCADA를 실행할 수 있다

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1단계: 프로젝트 설정

Worker Service 프로젝트 생성

dotnet new worker -n MyScadaSystem
cd MyScadaSystem

# Caffeine SCADA 패키지 추가
dotnet add package NEXCODE.Caffeine.Core
dotnet add package NEXCODE.Caffeine.Scada

# 선택: AAS 연동
dotnet add package NEXCODE.Caffeine.AAS

NuGet 패키지 역할

패키지	용도
NEXCODE.Caffeine.Core	인터페이스, 엔티티, 값 객체
NEXCODE.Caffeine.Scada	장비 모델, 센서, 밸브, 인터락
NEXCODE.Caffeine.AAS	AAS 디지털 트윈 연동 (선택)

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2단계: 장비 모델 정의

SCADA 장비 트리 구조

Caffeine SCADA는 Module → Component → IoPart 계층 구조로 장비를 모델링합니다:

CvdEquipment.cs 정의

using Caffeine.Scada.Equipment;
using Caffeine.Scada.Components;

namespace MyScadaSystem;

/// <summary>
/// CVD (Chemical Vapor Deposition) 반도체 장비.
/// 가스 공급 → 챔버 진공 → RF 플라즈마 → 박막 증착 공정.
/// </summary>
public class CvdEquipment : EquipmentNode
{
    // 모듈
    public ModuleNode GasModule { get; }
    public ModuleNode ChamberModule { get; }
    public ModuleNode RFModule { get; }

    // 가스 밸브
    public Valve N2Valve { get; }
    public Valve SiH4Valve { get; }

    // 챔버 컴포넌트
    public Cylinder GateValve { get; }
    public AnalogSensor TemperatureSensor { get; }
    public AnalogSensor PressureSensor { get; }

    // RF 전원
    public AnalogSensor RFPowerSensor { get; }

    public CvdEquipment(string name) : base(name)
    {
        // 1. 모듈 생성
        GasModule = AddModule("Gas");
        ChamberModule = AddModule("Chamber");
        RFModule = AddModule("RF");

        // 2. 가스 모듈 — 밸브 2개
        N2Valve = GasModule.AddComponent(
            new Valve("N2", "질소 가스 밸브"));
        SiH4Valve = GasModule.AddComponent(
            new Valve("SiH4", "실란 가스 밸브"));

        // 3. 챔버 모듈 — 게이트 밸브 + 센서
        GateValve = ChamberModule.AddComponent(
            new Cylinder("GateValve", "챔버 게이트 밸브"));
        TemperatureSensor = ChamberModule.AddComponent(
            new AnalogSensor("Temperature", "챔버 온도", "°C",
                minValue: 0, maxValue: 800));
        PressureSensor = ChamberModule.AddComponent(
            new AnalogSensor("Pressure", "챔버 압력", "mTorr",
                minValue: 0, maxValue: 1000));

        // 4. RF 모듈 — 전력 센서
        RFPowerSensor = RFModule.AddComponent(
            new AnalogSensor("RFPower", "RF 전력", "W",
                minValue: 0, maxValue: 5000));
    }
}

전체 I/O 포인트 확인

var cvd = new CvdEquipment("CVD-001");

// 장비의 모든 I/O 포인트 열거
foreach (var part in cvd.EnumerateAllParts())
{
    Console.WriteLine($"  {part.FullPath}: {part.GetType().Name}");
}
// 출력:
//   CVD-001.Gas.N2: Valve
//   CVD-001.Gas.SiH4: Valve
//   CVD-001.Chamber.GateValve: Cylinder
//   CVD-001.Chamber.Temperature: AnalogSensor
//   CVD-001.Chamber.Pressure: AnalogSensor
//   CVD-001.RF.RFPower: AnalogSensor

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3단계: InterlockRule 안전 로직

**인터락(Interlock)**은 장비 안전을 위한 조건부 동작 차단 규칙입니다. 예: "챔버가 진공 상태가 아니면 RF 전원을 투입할 수 없다"

인터락 규칙 정의

// CvdEquipment 생성자 내부에 추가

// 규칙 1: RF Power 투입 전 챔버 Vacuum 확인
RFPowerSensor.AddInterlock(new InterlockRule(
    name: "VacuumCheck",
    description: "RF 전원 투입 전 챔버 압력이 100mTorr 이하여야 합니다",
    condition: () => PressureSensor.CurrentValue <= 100.0,
    severity: InterlockSeverity.Critical
));

// 규칙 2: Gate Valve Open 전 N2 Purge 완료 확인
GateValve.AddInterlock(new InterlockRule(
    name: "N2PurgeCheck",
    description: "게이트 밸브 개방 전 N2 퍼지가 완료되어야 합니다",
    condition: () => N2Valve.IsOpen,
    severity: InterlockSeverity.Warning
));

// 규칙 3: SiH4 가스 투입 전 챔버 온도 확인
SiH4Valve.AddInterlock(new InterlockRule(
    name: "TemperatureCheck",
    description: "실란 가스 투입 전 챔버 온도가 200°C 이상이어야 합니다",
    condition: () => TemperatureSensor.CurrentValue >= 200.0,
    severity: InterlockSeverity.Critical
));

인터락 검증

// 인터락 위반 시 동작 차단
var result = SiH4Valve.TryOpen();
if (!result.Success)
{
    Console.WriteLine($"차단됨: {result.ViolatedRule?.Description}");
    // 출력: 차단됨: 실란 가스 투입 전 챔버 온도가 200°C 이상이어야 합니다
}

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4단계: DI 등록 및 드라이버 연결

경로 1: 코드에서 직접 등록

// Program.cs
using MyScadaSystem;

var builder = Host.CreateApplicationBuilder(args);

var cvd = new CvdEquipment("CVD-001");

builder.Services.AddCaffeineScada();
builder.Services.AddCaffeineEquipment(cvd, driver =>
{
    driver.UseSimulation();  // 개발 단계: 시뮬레이션 드라이버
    // driver.Use("ModbusTcp");  // 프로덕션: 실제 드라이버
});

builder.Services.AddHostedService<MonitoringWorker>();

var host = builder.Build();
host.Run();

경로 2: JSON Config 기반 Fleet 관리

다수의 장비를 설정 파일로 관리할 수 있습니다:

appsettings.json:

{
  "EquipmentFleet": {
    "EquipmentType": "CvdEquipment",
    "Driver": {
      "Type": "ModbusTcp",
      "Port": 502,
      "AddressMapping": "Sequential"
    },
    "DefaultProfile": {
      "MaxTemperature": 800,
      "MaxPressure": 1000
    },
    "Instances": [
      {
        "Name": "CVD-001",
        "Ip": "192.168.1.101",
        "BaseAddress": "D100"
      },
      {
        "Name": "CVD-002",
        "Ip": "192.168.1.102",
        "BaseAddress": "D100"
      },
      {
        "Name": "CVD-003",
        "Ip": "192.168.1.103",
        "BaseAddress": "D200",
        "Profile": {
          "MaxTemperature": 600
        }
      }
    ]
  }
}

Program.cs (Fleet 방식):

builder.Services.AddCaffeineScada();
builder.Services.AddEquipmentFleetFromConfig<CvdEquipment>(
    builder.Configuration.GetSection("EquipmentFleet"));

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5단계: 실시간 모니터링

MonitoringWorker.cs

using Caffeine.Scada.Equipment;
using System.Reactive.Linq;

namespace MyScadaSystem;

public class MonitoringWorker : BackgroundService
{
    private readonly IEnumerable<EquipmentNode> _equipments;
    private readonly ILogger<MonitoringWorker> _logger;

    public MonitoringWorker(
        IEnumerable<EquipmentNode> equipments,
        ILogger<MonitoringWorker> logger)
    {
        _equipments = equipments;
        _logger = logger;
    }

    protected override Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken)
    {
        foreach (var equipment in _equipments)
        {
            if (equipment is CvdEquipment cvd)
            {
                SubscribeSensors(cvd, stoppingToken);
            }
        }

        return Task.CompletedTask;
    }

    private void SubscribeSensors(CvdEquipment cvd, CancellationToken ct)
    {
        // 온도 센서 — 1초마다 최신 값
        cvd.TemperatureSensor.ValueStream
            .Throttle(TimeSpan.FromSeconds(1))
            .Subscribe(
                value => _logger.LogInformation(
                    "[{Equipment}] 온도: {Temp:F1}°C",
                    cvd.Name, value),
                ct);

        // 압력 센서 — 임계값 초과 시 경고
        cvd.PressureSensor.ValueStream
            .Where(pressure => pressure > 800)
            .Subscribe(
                value => _logger.LogWarning(
                    "[{Equipment}] ⚠️ 압력 경고: {Pressure:F0} mTorr",
                    cvd.Name, value),
                ct);

        // 모든 센서 — 10초 평균
        cvd.TemperatureSensor.ValueStream
            .Buffer(TimeSpan.FromSeconds(10))
            .Where(buffer => buffer.Count > 0)
            .Subscribe(buffer =>
            {
                var avg = buffer.Average();
                _logger.LogInformation(
                    "[{Equipment}] 10초 평균 온도: {Avg:F1}°C",
                    cvd.Name, avg);
            }, ct);
    }
}

실행

dotnet run

# 출력 예시:
# [INF] [CVD-001] 온도: 425.3°C
# [INF] [CVD-001] 10초 평균 온도: 423.7°C
# [WRN] [CVD-001] ⚠️ 압력 경고: 852 mTorr

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6단계: AAS 연동 (선택)

장비 모델을 IEC 63278 AAS(Asset Administration Shell)로 자동 변환하여 디지털 트윈으로 관리할 수 있습니다.

AAS 모듈 추가

// Program.cs에 추가
builder.Services.AddCaffeineAas(aas =>
{
    aas.AddSubmodelProvider<NameplateSubmodelProvider>()
       .AddSubmodelProvider<OperationalDataSubmodelProvider>()
       .WithAasxPackageSupport();
});

장비 → AAS Shell 변환

// 장비 모델에서 AAS Shell 자동 생성
app.MapGet("/aas/shells", async (
    IEnumerable<EquipmentNode> equipments,
    TagToAasConverter converter) =>
{
    var shells = new List<object>();

    foreach (var eq in equipments)
    {
        // 장비의 모든 I/O 파트를 AAS SubmodelElement로 변환
        var elements = eq.EnumerateAllParts()
            .Select(part => converter.Convert(part));

        shells.Add(new
        {
            IdShort = eq.Name,
            GlobalAssetId = $"urn:nexcode:scada:{eq.Name}",
            Elements = elements.Count()
        });
    }

    return shells;
});

AASX 내보내기

app.MapGet("/aas/export/{equipmentName}", async (
    string equipmentName,
    AasxPackageHandler packageHandler) =>
{
    var bytes = await packageHandler.ExportAsync(equipmentName);
    return Results.File(bytes,
        "application/asset-administration-shell-package",
        $"{equipmentName}.aasx");
});

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배운 내용 정리

항목	설명
EquipmentNode	장비 트리의 루트 — Module/Component/IoPart 계층
ModuleNode	기능별 그룹 (Gas, Chamber, RF 등)
Sensor, Valve, Cylinder	I/O 컴포넌트 — 실시간 값 스트림 제공
InterlockRule	안전 조건부 동작 차단 규칙
AddCaffeineScada()	SCADA 기본 서비스 DI 등록
AddCaffeineEquipment<T>()	단일 장비 등록 (코드 방식)
AddEquipmentFleetFromConfig()	다수 장비 등록 (JSON Config)
ValueStream	IObservable<double> — Rx.NET 실시간 스트림

다음 단계

• AAS 심화 튜토리얼 — Custom Provider 개발
• Raspberry Pi 배포 — 이 SCADA를 엣지에 배포
• 프로덕션 배포 — Kubernetes 오케스트레이션

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문제 해결

Q: AddCaffeineScada()가 인식되지 않습니다.

NEXCODE.Caffeine.Scada NuGet 패키지가 설치되어 있는지 확인하세요. using Caffeine.Scada.Extensions;를 추가해야 합니다.

Q: 시뮬레이션 드라이버에서 값이 변하지 않습니다.

EquipmentDriverBuilder.UseSimulation() 호출 시 자동으로 랜덤 데이터가 생성됩니다. ValueStream 구독이 정상적으로 설정되었는지 확인하세요.

Q: InterlockRule 조건이 항상 false입니다.

인터락 조건 함수(condition)는 매 호출 시 평가됩니다. CurrentValue가 업데이트되기 전에 체크하면 초기값(0)으로 평가됩니다. 센서 값이 수신된 후 인터락을 확인하세요.

Q: Fleet Config에서 장비가 생성되지 않습니다.

EquipmentType이 실제 클래스명과 일치하는지 확인하세요. 네임스페이스 없이 클래스명만 지정합니다 (예: "CvdEquipment").