힐셔(Hilscher Gesellschaft fur Systemautomation mbH)의 netPI는 라즈베리 파이 3(Raspberry Pi 3) 아키텍처를 기반으로 한 플랫폼으로서, IoT와 인더스트리4.0 자동화 같은 애플리케이션에 사용하기 적합하다. 이 단일 회로 보드 디자인은 파이 3의 기본 회로와 힐셔의 netX 산업용 네트워크 컨트롤러를 결합했다. 또한, 강력한 파이 3 CPU(64bit, 4코어, 1,200MHz)가 다중 프로토콜을 지원하여 대다수 주요 산업용 네트워크로 연결을 구축할 수 있다. netPI는 힐셔가 파이 3 제조업체인 Element14와 협력해서 개발한 것으로써, 산업용 애플리케이션용으로 설계됐다.
50℃에 이르기까지 최대 CPU 구동
회로보드는 파이 3의 통상적인 6 레이어가 아니라 8 레이어로 이루어져, 전자기 호환성을 향상시킨다. 이 회로보드의 특징은 통상적 크기보다 2배 이상 더 크므로 열 방출을 매우 증가시킨다. 그렇지 않으면, 14mm×14mm로 된 4개 프로세서를 집적한 CPU가 CPU 부하가 높은 상태에서 누적된 열 때문에 문제를 일으킬 수 있다.
또 한편으로는 코어 온도가 80℃ 이상으로 상승하면 CPU의 클락 속도(clock speed)를 자동으로 낮춤으로써 과열을 방지한다. 이 온도가 85℃에 이르면 CPU가 600MHz로만 동작한다. netPI는 주변 온도가 50℃에 이를 때까지 최대의 CPU 부하로 성능 저하 없이 동작하도록 설계됐다. 또한, 금속 하우징으로 되어 있고 CPU가 냉각 블록을 포함함으로써 열을 이 하우징으로 전달해 코어 온도가 80℃를 넘지 않도록 한다.
이와 비교해서 파이 3의 CPU는 동일한 CPU 부하로 주변 온도가 24℃일 때 이미 80℃ 임계값에 도달한다. 또한, 전자 장비의 결함 가능성은 온도에 따라서 기하급수적으로 높아지기에 netPI는 수동적인 냉각방식을 사용함으로써 하드웨어 수명을 크게 연장하여 장비의 신뢰성을 높인다.
▲ 그림 1 Rasberry+nethat
사이클 수명이 2~3배 더 긴 ‘산업용 SD 카드’
netPI의 스토리지 매체는 마이크로SD 커넥터를 통해서 제공되기 때문에 스토리지 매체의 크기와 내구성을 고객의 요청에 따라 선택하고 개조할 수 있다. netPI의 표준적인 선택은 기존 카드(Media-Market)에 비해 읽고 쓰는 사이클 수명이 2~3배 더 긴 ‘산업용 8GB SD 카드’이다.
또한, netPI는 8KB의 FRAM 메모리를 제공하므로, 높은 속도로 데이터를 쓸 수 있어 전력 중단 안전모드에서 장기간 신뢰할 수 있는 데이터를 유지한다. 이 메모리는 RAM처럼 빠르면서도 플래시 메모리와 달리 거의 무한정한 횟수의 쓰기 사이클이 가능하다. 예를 들어 PLC의 프로세스 데이터를 사이클마다 저장하고 전력 중단이 발생했을 때는 최종적으로 저장된 출력 데이터 패턴을 리드 아웃 할 수 있다. 그리고 netPI는 실시간 클락(RTC)을 포함한다. 이 RTC에 유지보수가 필요 없는 수퍼커패시터를 사용함으로써 전력 중단이 발생되고 최소한 7일 동안 타이머 기능을 유지할 수 있다.
▲ 그림 2 netPI
무선 전송을 위한 온보드 WLAN
netPI는 파이 3과 마찬가지로 무선/블루투스 안테나를 포함한다. 그렇기에 IEEE 802.11 a/b/g/n 및 블루투스 4.1에 따른 무선 데이터 전송을 할 수 있다. 하지만 파이 3과 달리 안테나가 회로 보드 배선을 따라서 하우징 바깥으로 나와 있고, 플라스틱 돔을 사용해 외부 영향으로부터 보호하고 있으므로 최상의 무선 통신을 가능하게 한다.
이처럼 netPI는 안테나를 포함하고 있기에 파이 2나 현행 파이 3 컴퓨팅 모듈까지도 필요로 하는 별도의 USB 무선 어댑터를 구매하지 않아도 된다. 그러므로 스위치기어 캐비닛 바깥에서 실행 장비를 구성하거나 진단하는 것과 같은 통상적인 시나리오들을 추가적인 비용 없이 구현할 수 있다.
IEC 62443에 따른 사이버 보안
netPI는 파이 3과 달리 Raspbian 오픈 리눅스 운영 체제가 제공되지 않는다. netPI의 시스템 소프트웨어는 Yocto 커스텀 리눅스(커널 4.4)와 안전성 프레임워크로서 AppArmor를 기반으로 한다. 그럼으로써 자동화 및 제어 시스템용으로 IEC 62443 IT 안전성 표준을 사용할 수 있는 토대를 마련한다.
가능한 효과적으로 데이터 가로채기나 무단조작 같은 사이버 위협을 방어하기 위해서, 시스템 소프트웨어 신뢰성을 보장하기 위한 보안 부트, 승인된 설치 패키지를 사용한 소프트웨어 확장 및 업데이트, 사용자 및 권한 관리, SSH 콘솔 접속 금지, https 보안 접속을 통해서만 구성 페이지 액세스 같은 보안 기능들을 구현하게 한다.
Profinet, EtherNet/IP 등을 지원하는 netX
netPI에 사용된 netX 51 산업용 네트워크 컨트롤러는 다중 프로토콜이 가능하므로 8개 채널로 Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Profibus, CAN, IO-Link 마스터를 포함한 다양한 네트워크를 제어할 수 있다.
또한, netPI는 2개의 추가적인 이더넷 포트를 통해서 리얼타임 이더넷(Real-Time Ethernet)을 사용할 수 있으며, 4분기에 제공할 예정인 플러그인 모델들을 사용하면 추가적인 옵션들을 유연하게 사용할 수 있다.
이러한 플러그인 모델은 하단의 슬롯으로 연결할 수 있다. 파이 3 CPU와 netX사이의 통신은 DMA 제어 125MHz SPI 고속 버스를 통해서 이루어진다. netX 드라이버는 힐셔의 netX 기반 cifX RTE/Fieldbus PC 카드로 10년 이상 사용되고 있는 동일한 API 액세스 기능을 제공하기에 기존에 작성된 애플리케이션을 문제없이 인식할 수 있다.
IEC 62443과 관련된 또 다른 이점은, 두 칩에 의해서 IT와 OT 네트워크가 물리적으로 분리된다. 소프트웨어 작업자만이 두 세계를 연결할 수 있으며, 사용자만이 어떤 데이터를 전송할지 결정할 수 있다.
파이 3에 대한 플러그인으로서 netX
netPI 판매는 2017년 내에 시작될 예정이며, netX 및 드라이브 체험은 현재 가능하다. 힐셔는 자사 웹사이트(http://www.nethat.net/)에서 HAT 형식으로 된 파이 플러그인 모듈(Pi plug-in module)을 소개하고 있으며, 구매는 Amazon.de를 통해서 가능하다.
이 플러그인 모듈은 netPI와 동일한 리얼타임 이더넷 기능을 제공한다. 간단한 드라이버를 사용해서 이 모듈을 고정적 32byte 입출력으로 구성하고 있기에 경험이 많지 않은 사용자라 하더라도 손쉽게 Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT 네트워크로 이 모듈을 작동할 수 있다. 그런 다음 EDS 및 GSDML 파일과 엔지니어링 소프트웨어를 사용해서 가동을 시작하고 I/O 데이터 교환을 할 수 있다.
Docker를 사용해서 모든 애플리케이션을 안전하게 실행
Docker 소프트웨어는 netPI의 필수적인 부분이다. Docker는 리눅스 커널의 가상화 기능을 사용해서 애플리케이션을 컨테이너(container)라는 것으로 캡슐화하고, 이렇게 캡슐화함으로써 이 애플리케이션은 리눅스 호스트를 방해하지 않고 차단되어 실행하게 된다.
예를 들어 Raspbian 운영 체제를 netPI의 Yocto-Linux 컨테이너로 실행하여 친숙한 방식으로 사용할 수 있다. 각각의 컨테이너가 고유의 이름 공간과 가상 드라이브를 갖기 때문에 한 컨테이너가 다른 컨테이너의 프로세스를 보거나 변경할 수 없다. 또한, 컨테이너는 고유의 네트워크 스택을 가지고 고유의 네트워크 IP를 정의하거나 혹은 호스트의 네트워크 IP를 사용할 수 있다.
뿐만 아니라 Docker 데몬이 ‘루트 권한’을 가지고 있으므로 허가된 사용자만이 netPI에 포함된 Docker Web GUI를 사용해서 컨테이너를 구성하고 시작할 수 있다. IBM이 실시하고 IEEE Xplore Digital Library에 게재된 조사에서 Docker의 성능을 분석했는데, 고유 시스템과 비교했을 때 성능 저하가 아주 미미한 것으로 나타났다. ‘폐쇄’ 유닛으로 설계될 뻔한 netPI를 Docker로 개방함으로써 파이 3과 유사하지만, 보완적인 방식으로 애플리케이션 확장이 가능해진다. 그러나 netPI로는 Docker 소프트웨어 개발을 할 수 없다. 대신 파이 3에서 단일 명령을 사용해 Docker를 설치하고 이것을 netPI에서 Docker 소프트웨어를 위한 개발 플랫폼으로 전환시킬 수 있다.
▲ 그림 3 netPI-Docker
Docker Hub를 통해서 소프트웨어 배포
Docker Hub는 Docker 소프트웨어를 배포하기 위한 포털이다. 민간/상업용 또는 공개적으로 운영되는 저장소를 통해서 누구든 컨테이너 이미지의 형태로 자신의 소프트웨어를 다른 사람에게 제공할 수 있다. 힐셔는 hilshcernetpi(https://hub.docker.com/u/hilschernetpi)라는 이름의 netPI용 무료 저장소를 운영하고 있다. 이를 통해 Node-RED IoT 연결 에디터용으로 즉시 사용 가능한 필드버스 노드를 애플리케이션 예제와 같이 제공한다. netX 드라이버를 처음부터 프로그래밍하려면 학습을 위한 시간이 걸리고, 사용자들은 이렇게 하는 것을 원치 않기 때문이다.
이 노드는 Profinet이나 EtherNet/IP 프로토콜을 선택적으로 로드할 수 있으며 네트워크의 I/O 대역폭을 유연하게 구성할 수 있다. 포괄적인 Node-RED 설치를 포함하는 이 노드는 이 저장소로부터 netPI나 netHAT으로 완전한 이미지로써 로드할 수 있다. 그 밖의 옵션들은 HDMI 포트를 통한 로컬 디스플레이를 위한 데스크톱 컨테이너, 써드파티 회사인 resin.io(https://resin.io)의 Raspbian OS 같은 것들이다.
Node-RED가 펼치는 새로운 세상
힐셔가 netPI 서비스를 Node-RED 노드 형태로 제공하는 건 Node-RED가 널리 사용되고 있고 확고한 JavaScript 기반에 직관적으로 사용할 수 있는 웹 인터페이스를 제공하기 때문이다. 또한, FRAM을 사용하기 위한 노드는 이미 제공되고 있다.
Node-RED의 장점은 데이터 플로 프로세스를 사람이 이해하기 쉬운 형태로 추상화한다는 것이다. 단 몇 초 만에 데이터를 어떤 문맥으로 손쉽게 가져올 수 있으며 TCP/IP, OPC UA, MQTT, 이메일 같은 다른 소스에서 나온 어느 데이터하고도 연결이 가능하다.
라즈베리파이 재단에서도 Node-RED의 강점을 인식하고 Raspbian(Jessie with Pixel)의 필수적인 부분으로 만들었다. IBM, 마이크로소프트, 아마존 같은 세계적인 기업들도 Node-RED를 주목하고 있으며 자사 클라우드 솔루션으로 링크하는 노드들을 제공한다. 이는 현재 커뮤니티에서 제공되는 950개 이상의 노드들의 몇 가지 예이며, Node-RED가 최대 연결을 제공할 수 있음을 보여 준다.
혁신 가속화
netPI는 특히 대학이나 학생들과 긴밀하게 협력하며 연구개발을 중요시하는 기업에서 유용하게 활용될 수 있다. 기업들은 학생들로부터 참신한 아이디어를 얻을 수 있고, 기업의 장기적 성공을 지속시키기 위한 밑받침이 되는 혁신 가속화를 꾀할 수 있다. 오늘날 교육 분야에서는 대부분 사람들이 라즈베리를 잘 알고 있으며 집에서도 많이 사용된다.
netPI는 산업용 분야에서 라즈베리를 활용할 수 있도록 한다. 기존에 파이 3으로 구현된 애플리케이션을 몇 단계만으로 ‘컨테이너화’하고 netPI로 옮길 수 있다. 지금 당장 netPI를 사용할 생각이 없더라도 단 40유로(EUR)에 파이 3을 사용해 검토해보고, Docker 안에서 애플리케이션 아이디어에 대해서 타당성 테스트를 하고 나중에는 산업용 용도로 편리하게 netPI를 이용해 로드만 하면 된다. netPI는 특히 인더스트리4.0 애플리케이션과 관련해서 개방되고 창조적인 개발을 선도할 것이다.
