HPD 개발수명주기를 적용한 원전 FPGA 기반 제어기의 설계와 검증 Design and Qualification of FPGA-based Controller applying HPD Development Life-Cycle for Nuclear Instrumentation and Control System원문보기
원자력 산업계는 최근 원전 계측제어계통 설비의 단종과 같은 예상치 못한 환경에 직면해오고 있으며, 이러한 문제를 근본적으로 해결하고자 노력하고 있다. IAEA, IEC, 등의 연구결과에 따르면, FPGA는 단종이 예상되는 제어계통에의 대체수단으로 주목받고 있다. FPGA가 원자력 플랜트의 PLC(Programmable Logic Controller)를 대체하기 위해서는 높은 건정성과 신뢰성을 가져야 한다. 따라서, FPGA 기반 제어기의 건전성과 신뢰성을 향상시키기 위하여 HDL 개발수명주기를 적용하여 개발하였다. 또한, 원전 계측제어계통에 적용하기 위하여 번인시험과 환경시험의 기기검증이 수행되었다. 시험수행결과, 352시간의 번인시험과 92시간의 환경시험 중에 정상적인 기능 및 성능을 수행함을 확인할 수 있었다.
원자력 산업계는 최근 원전 계측제어계통 설비의 단종과 같은 예상치 못한 환경에 직면해오고 있으며, 이러한 문제를 근본적으로 해결하고자 노력하고 있다. IAEA, IEC, 등의 연구결과에 따르면, FPGA는 단종이 예상되는 제어계통에의 대체수단으로 주목받고 있다. FPGA가 원자력 플랜트의 PLC(Programmable Logic Controller)를 대체하기 위해서는 높은 건정성과 신뢰성을 가져야 한다. 따라서, FPGA 기반 제어기의 건전성과 신뢰성을 향상시키기 위하여 HDL 개발수명주기를 적용하여 개발하였다. 또한, 원전 계측제어계통에 적용하기 위하여 번인시험과 환경시험의 기기검증이 수행되었다. 시험수행결과, 352시간의 번인시험과 92시간의 환경시험 중에 정상적인 기능 및 성능을 수행함을 확인할 수 있었다.
Nuclear industries have faced unfavorable circumstances such as an obsolescence of the instrumentation and control system, and therefore nuclear society is striving to resolve this issue fundamentally. IEC and IAEA judge that FPGA technology is a good replacement for Programmable Logic Controller (P...
Nuclear industries have faced unfavorable circumstances such as an obsolescence of the instrumentation and control system, and therefore nuclear society is striving to resolve this issue fundamentally. IEC and IAEA judge that FPGA technology is a good replacement for Programmable Logic Controller (PLC) of Nuclear Instrumentation and Control System. FPGAs are currently highlighted as an alternative means for obsolete control systems. Because the main function inside an FPGA is initially developed as software, good software quality can impact the reliability of an FPGA-based controller. Therefore, it is necessary to establish a software development aspect strategy that enhances the reliability of an FPGA-based controller. In terms of software development, HDL-Programmed Device (HPD) Development Life Cycle is applied into FPGA-based Controller. The burn-in test and environmental(temperature) test should be performed in order to apply into nuclear instrumentation and control system. Therefore it is ensured that the developed FPGA-based controller are normally operated for 352 hours and 92 hours in test chamber of Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM).
Nuclear industries have faced unfavorable circumstances such as an obsolescence of the instrumentation and control system, and therefore nuclear society is striving to resolve this issue fundamentally. IEC and IAEA judge that FPGA technology is a good replacement for Programmable Logic Controller (PLC) of Nuclear Instrumentation and Control System. FPGAs are currently highlighted as an alternative means for obsolete control systems. Because the main function inside an FPGA is initially developed as software, good software quality can impact the reliability of an FPGA-based controller. Therefore, it is necessary to establish a software development aspect strategy that enhances the reliability of an FPGA-based controller. In terms of software development, HDL-Programmed Device (HPD) Development Life Cycle is applied into FPGA-based Controller. The burn-in test and environmental(temperature) test should be performed in order to apply into nuclear instrumentation and control system. Therefore it is ensured that the developed FPGA-based controller are normally operated for 352 hours and 92 hours in test chamber of Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM).
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문제 정의
번인시험은 부품조립 후 초기고장 제거와 전기적 특성치의 극한값까지 운전하여 정상적으로 동작됨을 확인하기 위한 것이다. 또한 온습도 시험은 주어진 사용환경 하에서 기기의 성능특성을 만족시킬 수 있음을 입증하기 위한 것이다. 시험은 원전 기술기준인 EPRI TR-107330 및 IEEE Std.
본 본문에서는 원전 사용을 위한 FPGA 기반 제어기 개발을 위한 HPD 개발수명주기를 제시하고, 개발된 제어기에 대한 기기검증을 통하여, 기존 PLC를 대체할 만큼 충분히 신뢰성 있음을 제시하였다.
제안 방법
FPGA 제어기는 VHDL 사용, 하향식설계, 동기설계적용, 결함유형 제거 및 최적화 기법을 활용하여 개발하였다[3, 4, 5]. VHDL는 IEEE Std.
FPGA 설비가 원전 계측제어계통에 적용되는 PLC 설비를 대체하기 위해서는 PLC 대비 동등수준의 건전성과 신뢰성을 확보해야 하였다. 따라서, 제어기를 구성하는 소프트웨어 측면에서의 구체화돤 HPD 개발 수명주기를 제시하였고, 체계적 소프트웨어 개발을 수행하였다. 또한, 개발된 FPGA 제어기를 원전 계측제어계통 환경에 설치하기 위해서는 원전 기기검증 요건에 따른 검증이 수행되어야 한다.
개발된 FPGA 제어기에 자동 원자로정지 및 자동 공학적안전설비 작동기능을 수행하는 다양성보호계통을 그림 7과 같이 두(2) 채널의 FPGA 제어기에 탑재 하였다. 또한, I/O 시뮬레이터를 장착하여, 그림 8과 같이 사고시의 시나리오에 따라 공정변수를 생성하여 FPGA 제어기로 구성된 다양성보호계통에 대한 기능 및 성능시험을 수행하였다.
번인 및 온습도 시험동안 제어기의 요구되는 기능 및 성능을 평가하였다. 번인 시험 중의 기능시험(3차) 과 온습도 시험 중의 기능시험(3차)을 실시하여 FPGA 제어기가 표 3의 허용기준을 만족하였음을 확인하였다.
이 시험을 통하여 개발된 다양성보호계통의 정상동작여부를 확인하였으며, 이와 수반하여 FPGA 제어기의 기능수행여부를 확인하였다.
개발된 FPGA 제어기는 높은 신뢰도와 함께 EPRI TR-107730에서 요구하는 높은 정확도를 가져야 한다. 이에 그림 4와 같이 교정된 시험 장비를 이용하여 아날로그 입력보드(전류, 전압), 아날로그 출력보드(전류, 전압) 디지털 입력 및 출력보드의 정확도와 동작성을 시험하였다.
FPGA 제어기의 연산기능을 수행하는 FPGA 보드, 아날로그 입출력보드, 디지털 입출력보드, 통신보드, 전원모듈이 탑재된 상태이다. 이후, 그림 6의 시험챔버 환경하에서 FPGA 제어기의 시험 및 성능시험을 기능 시험절차서에 따라 수행하였다. 시험설비는 표 3과 같은 시험챔버 환경하에서 요구되는 기능을 정상적으로 수행할 수 있어야 한다.
대상 데이터
FPGA 제어기의 정확도 및 동작성 시험결과는 표 2와 같이 허용기준을 충족하였다. 시험은 공식인증기관인 한국기계연구원에서 수행되었다.
시험을 위한 구성은 FPGA 제어기와 외부 모사신호 생성기 및 측정기, 그리고 시험요원을 위한 화면으로 구성된다. FPGA 제어기의 연산기능을 수행하는 FPGA 보드, 아날로그 입출력보드, 디지털 입출력보드, 통신보드, 전원모듈이 탑재된 상태이다.
성능/효과
번인 및 온습도 시험동안 제어기의 요구되는 기능 및 성능을 평가하였다. 번인 시험 중의 기능시험(3차) 과 온습도 시험 중의 기능시험(3차)을 실시하여 FPGA 제어기가 표 3의 허용기준을 만족하였음을 확인하였다. 환경시험은 공인기관(한국기계연구원)에서 수행되어 시험기간 중 그 기능 및 성능이 유지됨을 확인하였다.
이에 번인, 환경 시험을 수행하여 각각 352시간, 92시간동안 정상으로 동작함을 확인하였다. 이러한, 체계적 개발과 검증을 통하여 원전적용 가능성을 확인할 수 있었다.
또한, 개발된 FPGA 제어기를 원전 계측제어계통 환경에 설치하기 위해서는 원전 기기검증 요건에 따른 검증이 수행되어야 한다. 이에 번인, 환경 시험을 수행하여 각각 352시간, 92시간동안 정상으로 동작함을 확인하였다. 이러한, 체계적 개발과 검증을 통하여 원전적용 가능성을 확인할 수 있었다.
후속연구
높은 건전성을 갖는 FPGA 제어기 개발을 통해 해외에 뒤지지 않는 국내기술을 확보할 수 있었으며, FPGA 제어기의 체계적 설계와 건전성 분석을 기반으로 원전에 적용되고 있는 PLC를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서, 제어기를 구성하는 소프트웨어 측면에서의 구체화돤 HPD 개발 수명주기를 제시하였고, 체계적 소프트웨어 개발을 수행하였다. 또한, 개발된 FPGA 제어기를 원전 계측제어계통 환경에 설치하기 위해서는 원전 기기검증 요건에 따른 검증이 수행되어야 한다. 이에 번인, 환경 시험을 수행하여 각각 352시간, 92시간동안 정상으로 동작함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FPGA 제어기의 신뢰성을 향상하는 방법은?
따라서, FPGA 기반의 제어기 개발시에 하드웨어와 주요 기능을 수행하기 위한 소프트웨어 등의 체계적인 개발이 필요하다. 제어기를 구성하는 하드웨어는 검증된 부품을 사용하고, 신뢰성 높은 설계를 함으로써 그 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 소프트웨어의 경우에는 HPD (HDL-Programmed Devices) 개발수명주기를 적용하여 체계적으로 개발함으로써 소프트웨어의 품질을 향상시킬 수 있으며, 궁극적으로는 제어기의 신뢰성을 향상시키게 된다.
소프트웨어를 통해 운영되는 PLC의 문제점은?
이러한 문제를 해결하기 위하여 1990년대부터 본격적으로 PLC(Programm -able Logic Controller)가 원전 계측제어계통에 적용되었으나, PLC 또한 단종문제로 인한 유지보수의 어려움이 발생하였다. 특히, 아날로그 기기와는 달리 PLC가 소프트웨어에 의해 운영되는 특성은 주요부품 단종시에 운영체제 또는 지원 소프트웨어를 변경해야 하는 상황을 가져왔으며, 이에 따른 인허가 심사가 별도로 요구되었다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 설계시점에는 소프트웨어이나, 통합시에는 단일 칩내의 회로로 구성되는 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 대한 원자력 산업계의 관심이 집중되고 있다.
FPGA 제어기의 개발에 무엇을 활용하였는가?
FPGA 제어기는 VHDL 사용, 하향식설계, 동기설계적용, 결함유형 제거 및 최적화 기법을 활용하여 개발하였다[3, 4, 5]. VHDL는 IEEE Std.
참고문헌 (8)
J. C. Baraza, J. Gracia, D. Gil, and P. Gil, "A prototype of a VHDL based fault injection tool: description and application," J. of Systems Architecture, vol. 47, no. 10, 2002, pp. 847-867.
J. LEE, "Design and Verification Process for Developing the FPGA-Based Firmware for NPPs," 1st IAEA Workshop on Applications of Field-Programmable Gate Arrays in Nuclear Power Plants, Paris, France, Aug. 2008.
J. LEE and Y. KIM, "Design and Verification of FPGA-Based Applications in Nuclear Power Plants," J. of Energy and Power Engineering, vol. 7, no. 3, 2013, pp. 537-544.
J. LEE, "Design Experience for FPGA-based Bistable module of Reactor Protection System," The 4th IAEA Workshop on Applications of Field-Programmable Gate Arrays in Nuclear Power Plants, Paris, France, Aug. 2011.
K. Sohn, W. Yi, J. Lee, and I. Koo, "PROTECTION AND CONTROL WITH FPGA," The 18th Pacific Basin Nuclear Conference (PBNC 2012), BEXCO, Busan, Korea, Mar. 2012.
Y. Moon, S. Lim, Y. Lee, and Y. Bae, "Hardware Implementation of Motor Controller Based on Zynq EPP(Extensible Processing Platform)," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 11, 2013, pp. 1707-1712.
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I. Koo, K. Kim, S. Hong, G. Park, and J. Park, "Digital Asset Analysis Methodology against Cyber Threat to Instrumentation and Control System in Nuclear Power Plants," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 6, 2011, pp. 839-847.
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