[논문]디지털 제어장치의 고출력 전자기펄스에 대한 취약성 사례 분석

우정민; 주문노; 이홍식; 강성만; 최승규; 이재복

doi:10.5515/kjkiees.2017.28.9.698

초록
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디지털 제어 시스템에서 주로 사용되는 설비인 PLC(Programmable Logic Controller)와 통신선로에 대한 HPEM(High Power Electromagnetic) 펄스의 노출 위험이 최근 증가되고 있다. 본 연구에서는 서로 다른 주파수 대역을 가지는 HPEM 발생장치를 이용하여 분리된 독립 객체로써 전자 장치의 HPEM에 대한 취약성을 평가하였다. 전자장치가 어떠한 영향을 받는지 상황별로 나누어 비교하였고, HPEM에 노출된 피 시험 기기의 취약성을 분석하였다. 피 시험 기기는 특정 이상의 HPEM에 노출되면, 제어 장치의 전압 및 통신 파형에 왜곡된 특성을 보였으며, UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블에 연결된 장치는 유도전압에 의해 작동 불량을 나타났다. 그러나 FTP(Foiled Twisted Pair) 케이블에 연결된 장치인 경우에는 HPEM 노출로부터 효율적으로 보호되었다. 따라서 현재 전력설비 및 산업현장에서 이용되고 있는 디지털 제어시스템에 대한 HPEM 노출 취약성과 보호대책의 필요성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The risk of high power electromagnetic(HPEM) pulse exposure to the devices used in digital control system such as PLC(programmable logic controller) and communication cable is increasing. In this paper, two different frequency ranges HPEMs were exposed to those control systems to assess the each vul...

The risk of high power electromagnetic(HPEM) pulse exposure to the devices used in digital control system such as PLC(programmable logic controller) and communication cable is increasing. In this paper, two different frequency ranges HPEMs were exposed to those control systems to assess the each vulnerability. The vulnerability of the EUTs exposed from HPEM were analyzed and compared with a variation of distances and source power. As the EUTs were exposed to higher level of HPEM, the voltage and communication waveform of the control system had shown a distorted response. And the unshielded twisted pair(UTP) cable connected to the EUTs showed operation failures with induced voltage. However, the foiled twisted pair(FTP) cable shielded the connected device efficiently from the HPEM exposure. Therefore, the necessity of the protection measures against the vulnerability of HPEM exposure for the digital control system used in power facilities and industrial site were verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 디지털 제어장치에 대한 전자기 펄스 영향을 평가하기 위해 전력설비 및 산업현장에서 주로 이용되고 있는 PLC(Programmable Logic Controller)와 통신선로에 대한 전자기 펄스 노출의 취약성을 비교분석하였다. IEC 61000-4-36 국제 표준 규격을 만족시키면서 보다 효율적인 방호대책을 설계하기 위해 HPEM의 주파수 대역에 따라 나누어 객체의 취약성을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 디지털 제어장치에 대한 전자기 펄스 영향을 평가하기 위해 전력설비 및 산업현장에서 주로 이용되고 있는 PLC(Programmable Logic Controller)와 통신선로에 대한 전자기 펄스 노출의 취약성을 비교분석하였다. IEC 61000-4-36 국제 표준 규격을 만족시키면서 보다 효율적인 방호대책을 설계하기 위해 HPEM의 주파수 대역에 따라 나누어 객체의 취약성을 분석하였다. 또한, 분리된 독립 객체로써 HPEM에 대한 취약성을 분석하고, 각 객체를 연결했을 경우에 어떠한 영향을 받는지 분석하기 위해 상황별로 나누어 실험을 수행하였다.
IEC 61000-4-36 국제 표준 규격을 만족시키면서 보다 효율적인 방호대책을 설계하기 위해 HPEM의 주파수 대역에 따라 나누어 객체의 취약성을 분석하였다. 또한, 분리된 독립 객체로써 HPEM에 대한 취약성을 분석하고, 각 객체를 연결했을 경우에 어떠한 영향을 받는지 분석하기 위해 상황별로 나누어 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 디지털 제어장치에서 주로 이용되고 있는 PLC와 통신선로를 S1 또는 S2 EMP 발생기의 전자기 펄스에 노출시켜 각 장치들의 동작상태를 비교분석하였다.
발생된 에너지를 안테나와 연결시켜 임피던스 정합을 통해 고출력 전자기 펄스로 방사시킨다. 본 연구는 서로 다른 주파수 대역을 가지는 EMP 발생기를 토대로 취약성에 대한 영향을 비교하였고, 각각 S1, S2로 명명하였다.
PLC를 그림 8, 그림 9와 같이 EMP에 노출시키고, PLC 출력 채널 측 영향을 PC상 모니터링 프로그램 및 LED 점멸 여부로 확인하였다. 일반적인 PLC는 보관함 또는 케이스 내부에 설치되어 있으며, 앞면에 유리창이 설치된 경우 등 HPEM에 노출되는 가장 취약한 상태를 고려하기위해 케이스가 없는 PLC로 실험을 수행하였다. 그림 8에 표시된 V1, V2, V3, V4는 PLC에 RS 485 케이블을 통해 연결된 RX-, RX+, TX-, TX+에 대한 공통모드 전압이다.
측정용 장비인 노트북과 오실로스코프를 철판으로 이루어진 차폐박스 안에 위치시켜 외부환경에 대한 영향을 최소화시켰고, S1과 S2 EMP 발생기를 이용하여 EUT를 전자기 펄스에 노출시켰다. 실험장소는 주변에 가공전선이 없는 한국전기연구원 내부 시험장에서 이루어졌다.

대상 데이터

75 GHz이다. S1 및 S2 EMP 발생기는 국내 EMP 발생기 업체를 통해서 제공받았다^[5].
사용된 케이블은 30 m 길이의 FTP(Foiled Twisted Pair) Cat.5E와 UTP(Unshielded Twisted Pair) Cat.5E가 사용되었다. FTP 케이블의 구조는 피복한 다수의 동선들을 브레이드(braid) 구조의 철망으로 감싸며, UTP 케이블의 구조는 피복한 두 줄의 동선을 꼬아 만드는 형태로 외부에서 오는 전파간섭을 상쇄시키는 구조를 가진다.
실험에 사용된 PLC의 모델명은 PLC-CPU-CM2-BP32M이며, 전원은 100～240 VAC/24 VDC, 디지털 입력은 24 VDC, 입력/출력은 각 16채널, CPU 속도는 200 ns/Step, 그리고 RS485 Channels이 통신선으로 내장되어 있다. RS 485 통신케이블은 TWISTED OVERALL SHIELD CABLE 2P × 24 AWG, 통신속도 19.
측정용 장비인 노트북과 오실로스코프를 철판으로 이루어진 차폐박스 안에 위치시켜 외부환경에 대한 영향을 최소화시켰고, S1과 S2 EMP 발생기를 이용하여 EUT를 전자기 펄스에 노출시켰다. 실험장소는 주변에 가공전선이 없는 한국전기연구원 내부 시험장에서 이루어졌다.

데이터처리

LAN 케이블 종류는 UTP(Unshielded Twisted Pair)와 FTP(Foiled Twisted Pair) 케이블을 이용하였으며, JPerf 2.0.2 프로그램을 사용하여 네트워크 성능을 측정하였고, 그림 16, 그림 17과 같이 LAN 케이블을 EMP 발생기에 노출시켜 PC상의 모니터링 프로그램을 통해 통신성능을 측정하였다.

성능/효과

1) PLC의 경우, S2 EMP 발생기의 EMP에 노출된 경우에는 LED 점멸회로에는 영향을 받지 않았지만, 노출전계가 30 kV/m 이상인 경우, 충방전 회로가 오동작하는 것을 확인하였다. S1 EMP 발생기에 노출된 경우에는 20 kV/m 이상에서 충방전 회로가 모두 오동작됨을 알 수 있었고, 출력이 40 kV/m 이상인 경우에는 PLC LED 회로에 부동작을 일으킴을 알 수 있었다.
2) LAN 케이블을 통신선로로 이용하는 경우, FTP 케이블은 모든 상황에서 EMP에 대한 영향이 최소화 됐으며, UTP 케이블은 EMP 노출에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.
FTP, UTP 케이블을 S1 및 S2 EMP 발생기 노출 여부에 따른 동작상태를 표 5에 나타내었다. FTP 케이블은 S1 및 S2 발생기의 최대출력까지 노출해도 모두 정상적인 통신 상태를 나타냈다. 그러나 UTP 케이블은 S1 및 S2 EMP 발생기 노출에서 그림 18과 같이 통신속도 저하 및 통신이 끊기는 Fail 현상이 나타났으며, 그림 19와 같이 케이블에 유도되는 전압도 정상상태보다 크게 발생되었다.
1) PLC의 경우, S2 EMP 발생기의 EMP에 노출된 경우에는 LED 점멸회로에는 영향을 받지 않았지만, 노출전계가 30 kV/m 이상인 경우, 충방전 회로가 오동작하는 것을 확인하였다. S1 EMP 발생기에 노출된 경우에는 20 kV/m 이상에서 충방전 회로가 모두 오동작됨을 알 수 있었고, 출력이 40 kV/m 이상인 경우에는 PLC LED 회로에 부동작을 일으킴을 알 수 있었다. 이에 따라서 같은 출력에서 PLC에 대한 S1 발생기(250～500 MHz)의 EMP의 영향이 S2 발생기(500 MHz～2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자기 펄스는 어떻게 구분되는가?	이와 같이 기기의 소형화, 경량화, 다기능화를 추구하는 설비는 전자기 펄스에 매우 민감하게 되어 전자기 펄스(EMP: Electromagnetic Pulse)에 노출시 기기의 오동작 또는 소손을 초래할 수 있다. 이러한 전자기 펄스는 낙뢰(LEMP: Lightning Electromagnetic Pulse)와 같이 자연적으로 발생되는 전자기 펄스와 설비의 손상을 목적으로 인위적으로 발생시키는 전자기 펄스로 구분할 수 있다[1],[2]. 고도화된 ICT 기술 기반의 전자ㆍ 정보화 사회로 급변한 우리나라의 특성상, 핵심 국방시설 뿐만 아니라, 국가기간 시설물에 대한 고출력 전자기(HPEM: High Power Electromagnetic) 펄스 공격에 매우 취약한 실정이며, 막대한 경제적 피해 및 사회적 혼란을 초래할 가능성이 있다.
	고도화된 ICT 기술 기반의 전자ㆍ 정보화 사회로 인하여 발생하는 취약점은 무엇인가?	이러한 전자기 펄스는 낙뢰(LEMP: Lightning Electromagnetic Pulse)와 같이 자연적으로 발생되는 전자기 펄스와 설비의 손상을 목적으로 인위적으로 발생시키는 전자기 펄스로 구분할 수 있다[1],[2]. 고도화된 ICT 기술 기반의 전자ㆍ 정보화 사회로 급변한 우리나라의 특성상, 핵심 국방시설 뿐만 아니라, 국가기간 시설물에 대한 고출력 전자기(HPEM: High Power Electromagnetic) 펄스 공격에 매우 취약한 실정이며, 막대한 경제적 피해 및 사회적 혼란을 초래할 가능성이 있다. 이러한 혼란을 극복하기 위해 고출력 전자기 펄스에 대한 보호대책이 필요하지만, 국가별 전략기술로 분류되어 국가 간 기술교류 및 기술판매가 현실적으로 불가능하여 연구가 부족한 상태이다.
	최근 산업기술에서 전자기 펄스의 노출이 위험한 이유는?	최근 산업기술의 발달과 함께 에너지, 국방, 방송/통신, 교통/수송, 기상설비 등의 디지털 제어장치에서 운용되는 전기, 전자설비는 대부분 집적회로로 구성된 반도체 부품을 주로 이용하고 있다. 이와 같이 기기의 소형화, 경량화, 다기능화를 추구하는 설비는 전자기 펄스에 매우 민감하게 되어 전자기 펄스(EMP: Electromagnetic Pulse)에 노출시 기기의 오동작 또는 소손을 초래할 수 있다.

참고문헌 (6)

F. Napolitano, F. Tossani, C. A. Nucci, and F. Rachidi, "On the transmission-line approach for the evaluation of LEMP coupling to multiconductor lines", IEEE Trans. Power Del., vol. 30, no. 2, pp. 861-869, 2015.

상세보기
J.-E. Baek, Y.-M. Cho, and K.-C. Ko, "Damage modeling of a low-noise amplifier in an RF front-end induced by a high power electromagnetic pulse", IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 45, no. 5, pp. 798-804, 2017.

상세보기
A. A. Elserougi, I. Abdelsalam, A. M. Massoud, and S. Ahmed, "A full-bridge submodule-based modular unipolar/bipolar high-voltage pulse generator with sequential charging of capacitors", IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 45, no. 1, pp. 91-99, 2016.
A. A. Elserougi, M. Faiter, A. M. Massoud, and S. Ahmed, "A transformer-less bipolar.unipolar high-voltage pulse generator with low-voltage components for water treatment applications", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 53, issue 3, pp. 2307-2319, 2017.

상세보기
http://highpower.co.kr/%ea%b3%a0%ec%a0%84%ec%95%95-%eb%b0%9c%ec%83%9d-%ec%9e%a5%e c%b9%98
S. Yi, Z. Du, "The influence of microwave pulse width on the thermal burnout effect of a PIN diode limiting-amplifying system", Microelectron. Reliab., MR-12442, pp. 1-8, 2017.

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