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문제 정의
- 본 논문에서는 신뢰성이 요구되어지는 발전소 보일러 제어 시스템의 기본 스테이션에 대한 기능 검증 시험 항목을 기존 수행 연구를 참조하여 선정하고, 수행한 시험 사례를 소개하였다. 본 논문에서 소개한 기본 스테이션에 대한 기능 검증 시험 결과를 현장에 실증 적용되는 20여개의 스테이션으로 구성되어지는 통합 제어 시스템 기능 검증에도 활용하여 발전소에 적용하기 전에 통합 제어 시스템의 신뢰도를 제고할 것으로 기대한다.
- 본 논문에서는 제어 시스템 검증을 위해 기기 검증 후 이루어진 보일러 제어 시스템의 기본 스테이션에 대한 기능 검증 사례에 대해 소개한다. 본론에서는 기본 시스템 기능 검증 시험 항목을 나열하고, 나열한 시험 항목에 대한 시험 결과를 기술한다.
- 본 논문은 지식경제부 전력산업연구개발사업에 의하여 수행 중인 화력발전용 통합 감시 제어시스템 성능 검증 및 실증시험 기술 개발 결과임.
- 본 논문에서는 제어 시스템 검증을 위해 기기 검증 후 이루어진 보일러 제어 시스템의 기본 스테이션에 대한 기능 검증 사례에 대해 소개한다. 본론에서는 기본 시스템 기능 검증 시험 항목을 나열하고, 나열한 시험 항목에 대한 시험 결과를 기술한다.
제안 방법
- 본 항목은 시스템 진단 기능을 확인하는 시험으로 EWS와 OIS의 HMI에서 시스템의 진단 정보와 상태를 감시한다. 감시 항목으로는 CPU 보드의 Master/Slave 여부, CPU 보드의 고장 여부, 통신 보드의 고장 여부, CPU 보드의 부하, 각 통신 포트의 연결 상태, I/O 보드의 고장 여부, CPU 보드의 Master/Slave 절환 여부, 통신 포트의 절체 여부, 시스템 서버의 고장 여부, 시스템 서버의 Master/Slave 여부 등으로 그래픽 또는 시스템 알람을 통해서 확인한다. 그림 4는 시스템 진단 기능에 의한 제어 시스템 캐비넷의 시스템 상태를 보여주고 있다.
- 개발한 통합 감시 제어시스템의 프로토타입의 기본 스테이션에 대한 기능 시험은 개발한 제어 시스템이 갖추어야할 기본 기능을 구비하고 있는 지를 검증하는 시험으로, 시험 항목은 전력연구원이 기 수행한 제어 시스템 국산화 개발 과제인 화력발전소 보일러용 분산 제어 시스템 개발 과제와 원전 DCS(Distributed Control System) 개발 과제 수행 결과를 참조하여 선정하였다[2]. 선정한 시험항목은 시험 대상 제어시스템 제원 및 구성 확인, 엔지니어링 확인 및 변경 시험, 시뮬레이터 연계 단위 제어 루프 시험, 이중화 시험, 시스템 진단 기능 시험, 기능블럭 시험, 하드웨어 입출력 시험 등이다.
- 보일러 제어용 기능블럭 중 선별한 기능블럭에 대한 기능시험 결과는 표 2와 같다. 기능블럭 중 PID 제어기, PT2, M_STATION에 일부 오류가 있었으나, 펌웨어 알고리즘 수정과 설계 오류에 의한 재설계를 통해 정상화하였다.
- 단위 제어 루프에 대한 로직을 제어 시스템에 구현하고, 제어 시스템 로직으로 시뮬레이터의 공정 모델의 해당 루프를 제어하면서 제어시스템의 제어 로직을 검증하는 시험으로 복수기 계통의 Hot well 수위 제어, Rejection 레벨 제어, COP(Condensate Pump) 최소 유량 제어, CBP(Condensate Booster Pump) 최소 유량 제어, 탈기기 수위와 오버플로우 제어, 탈기기 Pegging steam 압력 제어를 대상으로 시험을 하였다. 제어 루프에 대한 시험을 위해서 제어를 위해 필요한 I/O 포인트를 정의/연계하고, 해당 제어 로직을 제어시스템에서 구현하였다.
- 본 논문에서 소개하는 500MW급 석탄 표준화력 발전소의 실증적용을 목표로 개발한 제어 시스템의 기능 검증도 전 범위 시뮬레이터를 이용하여 시험한다[2]. 제어 시스템과 시뮬레이터간 인터페이스는 그림 3과 같이 직접 결선을 통해 이루어졌다.
- 제어 시스템을 검증하고자 하는 경우에는 제어 시스템이 제공되어 시뮬레이터와의 연계되어 활용되므로 emulated 타입의 시뮬레이터를 개발한 후 제어 시스템과 연계하여 제어 검증용으로 활용하기도 한다. 본 논문에서는 시뮬레이터 개발 후 분산 제어시스템과 연계되어 활용되어지며, 제어 모델의 수정이 이루어지는 관계로 시스템의 유지보수 용이성과 향후 활용성 측면에서 emulated 타입의 시뮬레이터를 개발하여 제어 검증용으로 활용하였다.
- 본 절에서는 제어시스템 대해 앞 절에서 언급한 기능 시험 항목을 적용하여 시험한 결과를 기술한다.
- 본 항목에서는 EWS(Engineering Work Station)에서 온라인 다운로드 기능과 온라인 파라미터 수정 기능, 입출력 변수 Forcing 기능 등을 확인한다.
- 본 항목에서는 단위 제어 루프에 대한 로직을 개발한 제어 시스템에 구현하고, 구현한 로직을 이용하여 시뮬레이터 공정 모델의 해당 루프를 제어하면서 제어시스템에서 구현한 제어 로직을 검증할 뿐만 아니라 I/O 보드, 통신 보드, CPU 보드, 데이터베이스 서버, HMI 등 통합 환경에서 종합적인 기능을 확인한다. 본 항목 시험을 위해서는 제어 대상 루프를 선정하고, 제어 시스템에서 시뮬레이터의 공정 모델을 제어하기 위해 필요한 I/O 포인트를 정의한 다음 제어시스템과 시뮬레이터간 I/O 포인트를 연계하는 등 시험 준비가 선행되어야 한다.
- 본 항목 시험을 위해서는 제어 대상 루프를 선정하고, 제어 시스템에서 시뮬레이터의 공정 모델을 제어하기 위해 필요한 I/O 포인트를 정의한 다음 제어시스템과 시뮬레이터간 I/O 포인트를 연계하는 등 시험 준비가 선행되어야 한다. 본 항목에서는 신호 타입별로 시뮬레이터와 제어 시스템간에 신호를 주고 받으면서 제어 시스템 OIS (Operator Interface Station)의 HMI와 EWS 그리고 시뮬레이터의 GUI(Graphical User Interface) 환경에서 태그 확인 시험을 하고, 제어 로직에 의한 제어 루프 기능 시험을 한다.
- 본 항목은 제어 알고리즘 구현을 위해 사용하는 기능 블럭의 기능을 시험한다. 본 항목에서는 제어 시스템 운영자 환경 매뉴얼과 보일러 제어용 기능 블럭 시험 보고서를 참고하여 보일러 제어용 기능 블럭 중 알고리즘이 들어가는 PD(PD Controller), PT1(1st order Delay Element), PT2(2nd order Delay Element), INT (Integrator), PID(PID Controller), PI(PI Controller), M_STATION(Manual Station) 등에 대해서 기능 점검을 하는 것으로 하여 각 기능 블럭에 대해 시험 절차를 작성하였다[2]. 본 논문에서는 PID 제어기의 경우에 대해서만 기술한다.
- 본 항목은 I/O를 담당하는 입출력 보드(AI 보드, AO 보드, DI 보드, DO 보드)가 각 보드의 설계 사양을 만족하는지를 시험한다.
- 본 항목은 사용자 인터페이스 기능을 제공하는 HMI 의 소프트웨어 기능을 시험하는 항목으로, 실시간 트렌드, 이력 데이터 관리, 알람 처리, 리포트 기능, 보안 기능, 엔지니어링 기능 등 HMI가 가지는 기능을 확인한다.
- 본 항목은 시험 대상인 제어 시스템의 제원 및 구성을 확인하기 위한 항목으로 시험 결과가 시스템 구성과 하드웨어 버전이나 소프트웨어 버전 등에 따라 달라질 수 있으므로 시험 시스템을 구체적으로 식별화 하기 위해 시험 시스템 구성, 모듈별 버전, 시스템 설정 상태, 통신 연결 상태, 시스템 진단 상태 등을 확인한다.
- . 선정한 시험항목은 시험 대상 제어시스템 제원 및 구성 확인, 엔지니어링 확인 및 변경 시험, 시뮬레이터 연계 단위 제어 루프 시험, 이중화 시험, 시스템 진단 기능 시험, 기능블럭 시험, 하드웨어 입출력 시험 등이다.
- 이중화 시험은 4[mA]를 0%, 20[mA]를 100%로 하는 신호 범위에서 10% ～ 90%까지 변하는 20초 주기의 삼각파 신호를 시뮬레이터에서 발생시키고, 이 신호를 제어 시스템의 AI 보드를 통해 받아들여, 받아들인 신호를 AO 보드를 통해 다시 시뮬레이터로 전송하는 어플리케이션을 이용하여 이루어졌다. 표 4의 이중화 시험 결과는 시뮬레이터의 GUI와 제어시스템의 HMI를 통한 삼각파 입출력을 통해 확인하였다.
- 제어 로직 검증시험은 제어 시스템의 해당 제어기를 수동모드에서 제어기 출력을 시뮬레이터의 해당 제어기 출력과 동일하게 설정한 상태에서, 시뮬레이터의 공정 모델의 제어권한을 제어시스템에 넘겨주고, 제어시스템의 제어기를 자동모드로 절환하여 제어기의 설정값을 변경하면서 공정값이 설정값을 추종하는지를 확인하였다. 그림 8은 제어시스템에서 구현한 제어 로직을 이용하여 Hot well A 수위 설정값 변화에 대한 제어 결과 트렌드를 보여주고 있다.
- 단위 제어 루프에 대한 로직을 제어 시스템에 구현하고, 제어 시스템 로직으로 시뮬레이터의 공정 모델의 해당 루프를 제어하면서 제어시스템의 제어 로직을 검증하는 시험으로 복수기 계통의 Hot well 수위 제어, Rejection 레벨 제어, COP(Condensate Pump) 최소 유량 제어, CBP(Condensate Booster Pump) 최소 유량 제어, 탈기기 수위와 오버플로우 제어, 탈기기 Pegging steam 압력 제어를 대상으로 시험을 하였다. 제어 루프에 대한 시험을 위해서 제어를 위해 필요한 I/O 포인트를 정의/연계하고, 해당 제어 로직을 제어시스템에서 구현하였다. 그림 6은 기능 검증을 하는 대상 제어 루프인 복수기 Hot well 수위 제어의 HMI 화면을 보여주고 있다.
- 제어 시스템 캐비넷에서 제어를 담당하는 CPU 보드와 입출력을 처리하는 I/O 보드간 통신을 담당하는 이중화로 구현된 통신 보드의 이중화 시험으로 마스터로 운전 중인 CPU 보드 측의 통신 보드를 리셋하였을 경우, 슬레이브로 대기 중이던 CPU 보드로 마스터가 정상적으로 절환되는지를 확인한다. 통신보드가 2개이므로 2번 실시하며, CPU가 이중화된 관계로 역으로 한 번 더 시험한다.
- 제어 시스템 캐비넷의 제어를 담당하는 이중화로 구현된 CPU 보드의 이중화 시험으로 마스터로 운전 중인 CPU 리셋을 통한 CPU 절환 시험, 슬레이브로 운전 중인 CPU의 Mastership 절환을 통한 CPU 절환 시험, 마스터로 운전 중인 CPU Rack의 전원 OFF를 통한 CPU 절환 시험 등을 통해 CPU 보드의 이중화 절환 시험을 한다. 정상적인 절환 여부의 판단은 삼각파를 시뮬레이터에서 제어 시스템으로 주고, 제어 시스템은 AI(Analog Input) 보드를 통해 삼각파를 받아들여, 받아들인 삼각파를 AO(Analog Output) 보드를 통해 출력으로 다시 내보내어 이중화 모듈 절환시 트렌드를 제어 시스템 OIS 의 HMI와 시뮬레이터의 GUI를 통해 확인함으로써 이루어진다.
대상 데이터
- 제어 시스템과 시뮬레이터간 인터페이스는 그림 3과 같이 직접 결선을 통해 이루어졌다. 본 논문에서 대상으로 삼은 제어 시스템은 발전소 보일러 제어용 시스템의 기본 스테이션으로 그림 3과 같이 이중화 시스템의 구성을 갖는다. 그림 3의 제어 시스템 캐비넷의 구성에서 전원은 이중화된 CPU 랙에 각각 전원을 공급하도록 구성되어 있다.
- 통신 라인 이중화 시험으로 통신 라인에 이상이 발생 하였을 경우 정상적인 라인의 절체 또는 모듈의 절환이 이루어지는 지를 확인한다. 본 논문에서 대상으로 한 제어 시스템은 그림 3에서와 같이 OIS간 통신 네트웍인 INFO-Net(Information Network), 시스템 서버와 제어 시스템 캐비넷의 CPU 보드간 통신 네트웍인 CNet (Control Network), 제어 시스템 캐비넷의 통신보드와 I/O 보드간 통신 네트웍인 INet(Internal Network) 등 세계층의 네트웍을 갖는다. 따라서 통신 라인 이중화 시험은 INFO-Net, CNet, INet 통신 라인에 대해서 각각 이루어진다.
데이터처리
- 이중화 시험은 4[mA]를 0%, 20[mA]를 100%로 하는 신호 범위에서 10% ～ 90%까지 변하는 20초 주기의 삼각파 신호를 시뮬레이터에서 발생시키고, 이 신호를 제어 시스템의 AI 보드를 통해 받아들여, 받아들인 신호를 AO 보드를 통해 다시 시뮬레이터로 전송하는 어플리케이션을 이용하여 이루어졌다. 표 4의 이중화 시험 결과는 시뮬레이터의 GUI와 제어시스템의 HMI를 통한 삼각파 입출력을 통해 확인하였다. 시뮬레이터 관점에서의 삼각파 입출력은 제어 시스템 제어기의 동작을 확인하는 것이고, 제어 시스템 관점에서의 삼각파 입출력은 제어기와 시스템 서버를 통한 HMI의 동작을 확인함을 의미한다.
성능/효과
- 시뮬레이터 연계 단위 루프 시험은 이중화 시험시 사용하였던 삼각파 입출력 시험을 병행하고, 장기간 운용 함으로써 단위 제어 루프의 제어 로직을 검증할 뿐만 아니라 I/O 보드, 통신 보드, CPU 보드, 시스템 서버, HMI 등 제어시스템의 종합적인 기능을 확인할 수 있었다. 이 기능을 활용함으로써 단기간에 이루어진 항목 기능 시험에서 발견하지 못했던 문제점들을 발견하고, 펌웨어 수정, 응용 소프트웨어 수정, 보드 칩 교체 등을 통해 기본 스테이션의 신뢰도를 제고할 수 있었다.
- 시뮬레이터 연계 단위 루프 시험은 이중화 시험시 사용하였던 삼각파 입출력 시험을 병행하고, 장기간 운용 함으로써 단위 제어 루프의 제어 로직을 검증할 뿐만 아니라 I/O 보드, 통신 보드, CPU 보드, 시스템 서버, HMI 등 제어시스템의 종합적인 기능을 확인할 수 있었다. 이 기능을 활용함으로써 단기간에 이루어진 항목 기능 시험에서 발견하지 못했던 문제점들을 발견하고, 펌웨어 수정, 응용 소프트웨어 수정, 보드 칩 교체 등을 통해 기본 스테이션의 신뢰도를 제고할 수 있었다.
- 제어 시스템 캐비넷의 CPU 보드와 OIS간의 통신을 위한 게이트웨이 역할과 DB 서버 역할을 담당하는 시스템 서버의 이중화 시험으로 마스터로 운전 중인 서버를 시스템 종료할 경우 마스터 서버가 절환되는 것을 확인한다. 정상적인 절환 여부의 판단은 CPU 보드 이중화 시험과 마찬가지로 삼각파 입출력의 트렌드를 확인함으로써 이루어진다.
후속연구
- 또한 전력 산업 환경에 의해 제어시스템 설치 및 시운전 기간의 충분한 확보가 어려운 시점에서, 향후 실증 적용시 시행착오로 인한 공기 지연을 줄이기 위해 제어 시스템의 검증은 필수적이다.
- 본 논문에서는 신뢰성이 요구되어지는 발전소 보일러 제어 시스템의 기본 스테이션에 대한 기능 검증 시험 항목을 기존 수행 연구를 참조하여 선정하고, 수행한 시험 사례를 소개하였다. 본 논문에서 소개한 기본 스테이션에 대한 기능 검증 시험 결과를 현장에 실증 적용되는 20여개의 스테이션으로 구성되어지는 통합 제어 시스템 기능 검증에도 활용하여 발전소에 적용하기 전에 통합 제어 시스템의 신뢰도를 제고할 것으로 기대한다.
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