본 논문에서는 원자력 안전등급 제어기기의 안전 통신망 구현을 위한 원자력 안전등급 통신 보드를 제안한다. 원자로 보호계통이 아날로그에서 디지털화되면서 디지털 통신망을 사용하게 되었다. 디지털 통신망은 원자력 안전등급에 사용되는 통신망으로 안전등급에서 요구하는 성능 및 시험을 통과한 통신보드가 제공되어야 한다. 통신 프로토콜 계층은 OSI 7 계층 중 물리계층, 데이터링크 계층, 어플리케이션계층만을 사용한다. 데이터 링크 계층에서는 사이버 보안을 위해 데이터 패키지를 변경하였다. 데이터 건전성을 위해 CRC32를 사용 하였으며 데이터 수신에 대해서는 재요청 및 응답을 하지 않는 단방향 통신만을 함으로써 원자력 안전계통에 영향을 주지 않게 설계 되었다. 또한 원자력안전등급을 획득하기 위해서 요건, 설계, 검증의 절차에 따라 설계하였다. 하드웨어검증을 위해 전자파 시험, 노화분석 시험, 육안검사, 번인시험, 내환경 시험 및 내진 시험과 같은 기기 검증을 수행 하였다. 또한 FPGA펌웨어 검증을 위해 IEEE 1074의 생명주기를 준수하여 단위시험과 통합 시험을 실행 하였다[1-3].
본 논문에서는 원자력 안전등급 제어기기의 안전 통신망 구현을 위한 원자력 안전등급 통신 보드를 제안한다. 원자로 보호계통이 아날로그에서 디지털화되면서 디지털 통신망을 사용하게 되었다. 디지털 통신망은 원자력 안전등급에 사용되는 통신망으로 안전등급에서 요구하는 성능 및 시험을 통과한 통신보드가 제공되어야 한다. 통신 프로토콜 계층은 OSI 7 계층 중 물리계층, 데이터링크 계층, 어플리케이션계층만을 사용한다. 데이터 링크 계층에서는 사이버 보안을 위해 데이터 패키지를 변경하였다. 데이터 건전성을 위해 CRC32를 사용 하였으며 데이터 수신에 대해서는 재요청 및 응답을 하지 않는 단방향 통신만을 함으로써 원자력 안전계통에 영향을 주지 않게 설계 되었다. 또한 원자력안전등급을 획득하기 위해서 요건, 설계, 검증의 절차에 따라 설계하였다. 하드웨어검증을 위해 전자파 시험, 노화분석 시험, 육안검사, 번인시험, 내환경 시험 및 내진 시험과 같은 기기 검증을 수행 하였다. 또한 FPGA 펌웨어 검증을 위해 IEEE 1074의 생명주기를 준수하여 단위시험과 통합 시험을 실행 하였다[1-3].
This paper suggest the safety class communication board in order to design the safety network of the nuclear safety class controller. The reactor protection system use the digitized networks because from analog system to digital system. The communication board shall be provided to pass the required ...
This paper suggest the safety class communication board in order to design the safety network of the nuclear safety class controller. The reactor protection system use the digitized networks because from analog system to digital system. The communication board shall be provided to pass the required performance and test of the safety class in the digital network used in the nuclear safety class. Communication protocol is composed of physical layer(PHY), data link layer(MAC: Medium Access Control), the application layer in the OSI 7 layer only. The data link layer data package for the cyber security has changed. CRC32 were used for data quality and the using one way communication, not requests and not responses for receiving data, does not affect the nuclear safety system. It has been designed in accordance with requirements, design, verification and procedure for the approving the nuclear safety class. For hardware verification such as electromagnetic test, aging test, inspection, burn-in test, seismic test and environmental test in was performed. FPGA firmware to verify compliance with the life-cycle of IEEE 1074 was performed by the component testing and integration testing.
This paper suggest the safety class communication board in order to design the safety network of the nuclear safety class controller. The reactor protection system use the digitized networks because from analog system to digital system. The communication board shall be provided to pass the required performance and test of the safety class in the digital network used in the nuclear safety class. Communication protocol is composed of physical layer(PHY), data link layer(MAC: Medium Access Control), the application layer in the OSI 7 layer only. The data link layer data package for the cyber security has changed. CRC32 were used for data quality and the using one way communication, not requests and not responses for receiving data, does not affect the nuclear safety system. It has been designed in accordance with requirements, design, verification and procedure for the approving the nuclear safety class. For hardware verification such as electromagnetic test, aging test, inspection, burn-in test, seismic test and environmental test in was performed. FPGA firmware to verify compliance with the life-cycle of IEEE 1074 was performed by the component testing and integration testing.
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문제 정의
본 논문에서는 안전등급 제어기기의 안전등급 통신망을 구성하는 통신보드를 설계하여보았다. 원자력 안전등급의 요건을 먼저 분석하고, 개발 절차에 맞는 형상관리로 설계를 하였다.
제안 방법
기기검증은 주어진 온도, 습도, 압력, 방사능에 관한 시험 조건에 따라 그림 12와 같이 전자파 시험, 노화 분석, 육안 검사, 번인 시험, 내환경 시험, 내진 시험을 진행하였다[5,6].
본 연구는 펌웨어 개발수명주기에 따른 계획단계, 요건단계, 설계단계, 구현단계와 통합 및 검증단계의 단계별 확인 및 검증에 대한 내용을 포함하고 있다.
본 논문에서는 안전등급 제어기기의 안전등급 통신망을 구성하는 통신보드를 설계하여보았다. 원자력 안전등급의 요건을 먼저 분석하고, 개발 절차에 맞는 형상관리로 설계를 하였다. 일반적인 상용 Ethernet Package를 원자력 안전등급 통신망을 위해 Package를 변형 하여 FPGA로 설계하였다.
원자력 안전등급의 요건을 먼저 분석하고, 개발 절차에 맞는 형상관리로 설계를 하였다. 일반적인 상용 Ethernet Package를 원자력 안전등급 통신망을 위해 Package를 변형 하여 FPGA로 설계하였다.
펌웨어 통합시험이 끝난 뒤, 펌웨어가 내장된 FPGA가 삽입된 보드의 건전성을 확인하기 위한 송신 및 수신 시험을 진행한다. 프로세서보드에서 송신 데이터를 생성하고 통신보드를 거쳐 다시 프로세서보드로 수신된 데이터가 동일한지를 그림 11과 같이 확인함으로써 통신보드의 작동 상태를 시험하게 된다.
검증과정은 설계 시작과 동시에 검증에 대한 계획을 수립하고 그에 맞게 진행을 한다. 하드웨어는 전자파 시험, 노화분석, 육안 검사, 번인 시험, 내환경 시험, 내진시험 등과 같은 기기 검증을 통해 검증하였으며, 펌웨어는 Functional Simulation과 Timing Simulation을 포함한 단위시험 그리고 실장 시험인 통합시험을 진행하여 검증하였다. 설계와 검증을 모두 인허가에 맞는 절차를 거쳐 개발됨에 따라, 원자력 안전등급을 획득하여, 원자력 안전등급 제어기기의 통신망을 구성할 수 있게 되었다.
대상 데이터
서브랙 크기는 19인치 6U 사이즈로 제작되며, 최대 15슬롯까지 장착 가능하도록 설계되어 있다. 버스의 기본 주파수는 50Mhz를 사용하며, Data, Adress, nCS, nRD, nWR, WnR, nREADY, nSYSRST 신호를 사용한다.
통신 보드 하드웨어 단위시험을 위한 기본적인 시험환경은 모든 입출력 변수 및 예상 결과치를 확인할 수 있는 능력이 있어야 한다. 시험에 필요한 장비는 개발 모듈(Target System), 개발 모듈을 장착하는 1개의 서브랙, 확장보드, 서브랙 전원모듈(SPM : Subrack Power Module), 출력확인 장비, Multi-Tester 1대, Oscilloscope 1대 등이다.
시험환경의 하드웨어 구성은 윈도우XP 이상의 운영체계를 탑재한 Host 컴퓨터와 프로세서가 탑재된 Target System 및 Host 컴퓨터와 Target System을 연결하는 에뮬레이터로 구성된다.
이론/모형
물리계층은 물리매체를 통하여 데이터 전송 및 수신에 필요한 기능을 가지며, 데이터 전송을 위한 물리적 매체는 전기적 격리 및 EMI(Electro Magnetic Interference) 특성이 우수한 광케이블을 사용한다. 또한 4B/5B의 블록 코딩 방식과 DC Component의 방지를 위한 NRZI (Non-Return-to- Zero-Invert) 인코딩 방식을 사용한다.
성능/효과
Link 및 Loop-Back 기능과 타이밍에 관한 시험 결과는 각각 그림 9 및 그림 10과 같이 시험 사례의 입력에 따른 시험 출력변수 값이 예상 출력변수 값과 일치하였고 시험 허용기준을 만족하였다.
프로세서보드에서 송신 데이터를 생성하고 통신보드를 거쳐 다시 프로세서보드로 수신된 데이터가 동일한지를 그림 11과 같이 확인함으로써 통신보드의 작동 상태를 시험하게 된다. 데이터 정밀도를 측정하기 위해 108 이상의 데이터 프레임을 전송하여 데이터 손실율(BER)이 10-9을 만족함을 확인하였다.
안전통신망 통신 보드는 디지털 계측제어계통의 제어기기에 적용할 수 있도록 설계되고 제작되었다. 디지털 계측제어계통에의 제어기기 안전등급 통신보드를 도입함으로써 부품단종 문제점 해결 및 예비부품 확보를 용이하게 하였으며, 단방향 데이터링크 사용으로 인한 통신의 복잡성 감소와 광케이블 사용으로 전기적 격리 용이성 및 전자파 영향 감소를 시켰다
안전등급 통신보드는 원자력 디지털 계측제어계통의 안전등급 통신망 설계에 적용하기 위하여 개발하였고, 펌웨어 개발 수명주기에 따라 확인 및 검증 업무를 수행하였으며, 내진 시험, 내환경 시험 및 전자파 시험을 포함하는 기기검증 시험을 수행하여 성능을 확인하였기에 원자력 디지털 계측제어계통의 안전등급 통신망에 적용할 수 있음을 입증하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안전통신망의 매체접근제어를 위한 방법은?
안전통신망은 매체접근제어를 위해서 주소 체계를 각 데이터 프레임에 송신지 주소 및 목적지 주소를 할당하여 통신 노드 간에 데이터 프레임의 교환이 가능하도록 별도의 주소체계를 사전에 설정하여 사용한다.
안전통신망의 데이터 전송을 위한 케이블은 무엇인가?
안전통신망은 OSI(Open System Interconnection)에서 제시하는 7 계층의 프로토콜에서 1계층(물리계층(Physical Layer)), 2계층(데이터 링크 계층(Data Link Layer)) 및 7계층(애플리케이션 계층(Application Layer))을 사용하여야한다. 물리계층은 물리매체를 통하여 데이터 전송 및 수신에 필요한 기능을 가지며, 데이터 전송을 위한 물리적 매체는 전기적 격리 및 EMI(Electro-Magnetic Interference) 특성이 우수한 광케이블을 사용한다. 또한 4B/5B의 블록 코딩 방식과 DC Component의 방지를 위한 NRZI (Non-Return-to- Zero-Invert) 인코딩 방식을 사용한다.
안전통신망 통신 보드의 특징은?
안전통신망 통신 보드는 디지털 계측제어계통의 제어기기에 적용할 수 있도록 설계되고 제작되었다. 디지털 계측제어계통에의 제어기기 안전등급 통신보드를 도입함으로써 부품단종 문제점 해결 및 예비부품 확보를 용이하게 하였으며, 단방향 데이터링크 사용으로 인한 통신의 복잡성 감소와 광케이블 사용으로 전기적 격리 용이성 및 전자파 영향 감소를 시켰다.
참고문헌 (6)
IEEE 323, "IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations", 2003.
IEEE 7-4.3.2, "IEEE Standard Criteria for Digital Computers in Safety Systems of Nuclear Power Generating Stations", 2003.
IEEE 1074, "IEEE Standard for Developing a Software Project Life Cycle Process", 2004.
SAMCHANG Co, Ltd, "Topical Report of SECOP-Q Platform", 2011.
IEEE Std. 802.3, "Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications", 2008.
Regulatory Guide 1.180, "Guideline for Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety Related I&C System", 2003.
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