KR101179782B1

KR101179782B1 - 원자력 발전소 안전계통의 안전등급 통신 스위치

Info

Publication number: KR101179782B1
Application number: KR1020100033126A
Authority: KR
Inventors: 정광일; 김관웅; 금종룡; 이준구; 서용석
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2012-09-04
Also published as: KR20110113829A

Abstract

본 발명은 원전통신망에서 사용되는 안전등급 통신 스위치에 관한 것으로, 통신 고장 및 오동작이 다른 모듈에 영향을 미치지 않도록 하면서, 진단 및 감시 기능을 수행하는 별도의 DSP를 포함하여 동작 및 데이터의 건전성을 보장할 수 있고, 하드웨어 기반으로 패킷을 처리하는 FPGA 기술을 이용함으로써, 고속 패킷을 처리하면서 신뢰성을 확보할 수 있도록 하기 위한 것이다.

Description

원자력 발전소 안전계통의 안전등급 통신 스위치{SAFETY-GRADE COMMUNICATION SWITCH FOR NUCLEAR POWER PLANT SAFETY SYSTEM}

본 발명의 일실시예는 통신 고장이나 오동작 시, 다른 모듈에 영향을 미치지 않으면서 정상동작이나 데이터의 건정성을 보장하고, 패킷을 고속 처리하며 신뢰성을 확보할 수 있는 원자력 발전소 안전계통의 안전등급 통신 스위치에 관한 것이다.

원자력 발전소는 보통 100개 이상의 개별적인 기능을 가진 계통(system)으로 구성된다. 이들 계통은 크게, 원자로를 중심으로 한 핵 증기 공급계통(NSSS: Nuclear Steam Supply System), 증기를 발전기로 전달하는 2차 순환냉각계통, 상기 2차 순환냉각계통으로부터 증기를 공급 받아 발전기를 돌리는 터빈 발전기 계통, 및 기타 부수설비로 구분된다.

원자력 발전소의 운전을 수행하면서 각 계통의 건전성을 감시하기 위해서는, 여러 종류의 센서를 원자로 계통에 설치하고, 상기 센서로부터 입력되는 신호를 감시하여 원자력 발전소의 상태를 파악해야 한다. 이때, 원자력 발전소 운전 중 원자로의 안전에 영향을 미치는 계통의 이상이나 핵증기 공급계통내의 냉각 기능의 이상이 발생하는 경우, 이러한 이상 상태를 감지하여 제어봉 낙하에 의한 원자로 정지기능을 개시하고, 공학적 안전설비작동계통을 구동하여 원자로를 냉각시켜야 한다.

최근, 원자력발전소의 계측제어 시스템은 디지털 및 통신기술 발달에 따라 계통기기들이 디지털화되고 기기간의 정보교환 또한 고속 디지털 통신망을 통해 이루어지고 있다. 원자력발전소는 고도의 신뢰성과 안전성을 요구하기 때문에 원전통신망 기술도 고가용성 및 고신뢰도를 제공해야 한다.

본 발명의 일실시예는 통신 고장 및 오작동이 다른 모듈에 영향을 미치지 않도록 하면서, 진단 및 감시 기능을 수행하는 별도의 DSP를 포함함으로써, 동작 및 데이터의 건전성을 보장할 수 있도록 하는 안전등급 통신 스위치를 제공한다.

본 발명의 일실시예는 하드웨어 기반으로 패킷을 처리하는 FPGA 기술을 이용함으로써, 고속 패킷을 처리하면서 신뢰성을 확보할 수 있는 안전등급 통신 스위치를 제공한다.

본 발명의 일실시예는 광케이블을 전송매체로 사용함으로써, 전기적 격리 특성이 우수하고, 전자파 장애를 줄일 수 있는 안전등급 통신 스위치를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 안전등급 통신 스위치는, 스위치 진단 또는 감시를 위해 프레임을 생성하고, 상기 프레임을 전달할 목적지 주소를 결정하는 DSP(Digital Signal Processor) 모듈; 및 상기 프레임을 해석하거나, 또는 스위치의 수신 포트를 통해 수신된 프레임을 해석하여, 상기 목적지 주소에 해당하는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 링크 모듈로 상기 프레임을 전달하는 FPGA 스위칭 모듈을 포함한다. 상기 프레임을 전달받은 상기 FPGA 링크 모듈은, 상기 프레임에 대한 에러를 검출할 수 있다.

또한, 상기 DSP 모듈은 메인 보드에 포함되며, 상기 FPGA 링크 모듈에 연결된 각 포트의 루프백 진단 명령을 상기 FPGA 링크 모듈로 전송하고, 상기 루프백 진단을 수행한 상기 FPGA 링크 모듈로부터 수신되는 진단정보에 기초하여 상기 FPGA 링크 모듈의 하드웨어 건전성을 진단한다. 상기 DSP모듈은 FPGA 스위칭 모듈에서 수집한 트래픽 감시 및 링크 연결상태 등과 같은 정보를 취득하여 진단 및 감시 프레임을 생성하여 지정된 포트를 통해 외부 경보 및 지시 장치에 전송한다.

또한, 상기 안전등급 통신 스위치는 전면부 패널의 LED를 통해 상기 DSP 모듈이 감시한 통신상태 및 보드상태를 표시하는 패널 보드, 및 상기 메인 보드에 연결되며, 백플레인 버스를 통해 각 서브 보드를 연결하는 백플레인 보드를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 FPGA 링크 모듈은 서브 보드에 포함되고, 각 서브 보드는 복수의 FPGA 링크 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 안전등급 통신 스위치는 상기 FPGA 링크 모듈과 광 송신기 및 광 수신기를 연결하는 10/100 트랜시버를 포함하는 통신 인터페이스를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 10/100 트랜시버는 병렬 데이터의 직렬화, 또는 직렬 데이터의 병렬화하거나, 4B/5B 코딩 또는 디코딩하고, NRZ(Non-return-to-zero)-I를 포함하는 물리계층을 코딩한다.

이때, 상기 광 송신기 및 상기 광 수신기는 각각 물리계층 트랜시버로부터 수신한 전기신호를 광신호로 변환하고, 광케이블로부터 수신한 광신호를 전기신호로 변환하여 상기 물리계층 트랜시버로 전송한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 통신 고장 및 오작동이 다른 모듈에 영향을 미치지 않도록 하면서, 진단 및 감시 기능을 수행하는 별도의 DSP를 포함함으로써, 동작 및 데이터의 건전성을 보장할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 하드웨어 기반으로 패킷을 처리하는 FPGA 기술을 이용함으로써, 패킷을 고속으로 처리하면서 신뢰성을 확보할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 광케이블을 전송매체로 사용함으로써, 전기적 격리 특성이 우수하고, 전자파 장애를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소 계측제어계통의 안전등급 통신 스위치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 안전등급 통신 스위치의 내부 보드 연결을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 안전등급 통신 스위치의 후면부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 안전등급 통신 스위치의 전면부를 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소 계측제어계통의 안전등급 통신 스위치의 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 안전등급 통신 스위치(100)는 DSP 모듈(110), FPGA 스위칭 모듈(120), FPGA 링크 모듈(130-1~130-32), 10/100 트랜시버(140-1~140-32), 광 송신기(150-1~150-32), 광 수신기(160-1~160-32), 및 통신 인터페이스(170-1~170-32)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 안전등급 통신 스위치(100)는 FPGA 스위칭 모듈(120) 및 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)을 하드웨어 기반으로 패킷을 처리하는 'FPGA(Field Programmable Gate Array)' 기술을 적용하여 구현함으로써, 패킷을 고속으로 처리하면서 신뢰성을 확보할 수 있다.

DSP 모듈(Digital Signal Processor, 110)은 프레임을 생성하여, FPGA 스위칭 모듈(120)로 전달한다. DSP 모듈(110)은 FPGA 스위칭 모듈(120)과 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)을 진단하기 위해 상기 프레임을 생성할 수 있다. DSP 모듈(110)은 상기 프레임을 생성할 때, 상기 프레임을 전달할 목적지 주소를 결정할 수 있다. 상기 목적지 주소는 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)에 대한 것으로, 복수개의 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32) 중 어느 하나의 FPGA 링크 모듈로 전송할 것인지에 대한 것이다.

따라서, FPGA 스위칭 모듈(120)은 상기 전달된 프레임을 해석하여, 상기 프레임의 목적지 주소에 해당하는 FPGA 링크 모듈(130-1 내지 130-32 중 어느 하나)로 상기 프레임을 전달한다. 여기서, FPGA 스위칭 모듈(120)은 스위치를 제어하여, 상기 프레임을 전달할 FPGA 링크 모듈(130-1)을 선택할 수 있다.

또한, FPGA 스위칭 모듈(120)은 각각의 FPGA 링크 모듈(130-1) 내지 FPGA 링크 모듈(130-32)과 송신버스 또는 수신버스로 연결되어 있다. 상기 송신버스 또는 수신버스로는 '백플레인 버스(Backplane Bus)'가 이용될 수 있다.

FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)은 FPGA 스위칭 모듈(120)로부터 전달된 상기 프레임의 에러를 검출한다. 예컨대, FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)은 CRC(Cyclic Redundancy Check) 32 검사 기능을 이용하여 상기 프레임의 에러를 검출할 수 있다.

또한, FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)은 1개의 포트의 MII(Media Independent Interface) 입출력을 담당하고, 송신 또는 수신을 위해 물리적으로 분리된 32 Kbyte FIFO를 사용한다.

이러한, FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)은 서브 보드에 포함될 수 있으며, 32 포트의 안전등급 통신스위치를 구성하기 위하여 각 서브 보드에는 8개의 FPGA 링크 모듈로 구성되어, 총 4개의 서브 보드가 존재한다. 또한 FPGA 링크모듈의 트랜시버(140-1~140-32)는 루프백 기능이 있으며, 루프백 기능은 FPGA 링크모듈과 FPGA 스위칭모듈의 하드웨어 건전성을 진단하는데 목적이 있다. DSP 모듈은 각 FPGA 링크모듈의 루프백을 활성화 하고 진단 프레임을 해당 FPGA 링크모듈로 송수신을 수행하여 해당 FPGA모듈과 FPGA 스위칭 모듈이 정상적으로 동작하는지 진단할 수 있다.

실시예로, DSP 모듈(110)은 RS 232 인터페이스를 통하여 PC와 연결되어, PC를 통해 FPGA 스위칭 모듈(120)과 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)을 진단 또는 감시할 수 있다. 또한, DSP 모듈(110)은 연결된 SRAM 또는 NOR-Flash와 같은 메모리의 건전성을 감시할 수 있다.

또한, DSP 모듈(110)은 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)을 통해 교환되는 데이터 트래픽을 감시할 수 있다. FPGA 스위칭 모듈은 패킷 스위칭을 수행하면서, 포트별 처리되는 프레임의 수, 오류 프레임 수 등과 같은 트래픽 정보를 수집하며, 수집된 정보는 DSP모듈로 전송된다. 따라서 DSP 모듈은 수신되는 진단정보에 기초하여 주기적으로 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)의 상태를 감시할 수 있다.

통신 인터페이스(170-1~170-32)는 각 포트(Port)마다 FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)을 포함하고, FPGA 링크 모듈(130-1~130-32)과 광 송신기(150-1~150-32) 및 광 수신기(160-1~160-32)를 연결하는 10/100 트랜시버(140-1~140-32)를 포함한다.

10/100 트랜시버(140-1~140-32)는 병렬 데이터의 직렬화, 또는 직렬 데이터의 병렬화하거나, 4B/5B 코딩 또는 디코딩하고, NRZ(Non-return-to-zero)-I를 포함하는 물리계층을 코딩할 수 있다. 또한, 10/100 트랜시버(140-1~140-32)는 포트의 상태를 점검하기 위해, 루프백(Loopback) 회로로 구성될 수 있다.

광 송신기(150-1~150-32) 및 광 수신기(160-1~160-32)는 각각 물리계층 트랜시버로부터 수신한 전기신호를 광신호로 변환하고, 광케이블로부터 수신한 광신호를 전기신호로 변환하여 상기 물리계층 트랜시버로 전송한다. 즉, 안전등급 통신 스위치(100)는 상기 광케이블을 전송매체로 사용함으로써, 전기적 격리 특성이 우수하고, 전자파 장애를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 안전등급 통신 스위치의 내부 보드 연결을 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 안전등급 통신 스위치(100)는 하나의 19인치 표준 서브랙 크기로 구성되며, 서브랙 내에 메인 보드(210), 패널 보드(220), 백플레인 보드(230), 및 서브 보드(240~240-n)로 총 4개의 보드로 모듈화하여 구성할 수 있다.

메인 보드(210)는 하부에 위치하며, 백플레인 보드(230)와 패널 보드(220)와 직접적으로 연결된다. 이러한, 메인 보드(210)에는 DSP 모듈(110)과 FPGA 스위칭 모듈(120)이 포함될 수 있다.

서브 보드(240~240-n)는 8개의 FPGA 링크 모듈(130-1~130-8)로 구성되며, 총 4개의 서브 보드(n은 4)가 존재한다. 만약, 한 개의 FPGA 링크 모듈이 고장나면, 고장난 FPGA 링크 모듈이 포함된 서브 보드만 교체하면 된다. 즉, 제1 서브 보드(240-1)에 포함된 FPGA 링크 모듈(130-1~130-8) 중 어느 하나가 오작동하면, 다른 서브 보드(240-2~240-4)는 그대로 두고, 제1 서브 보드(240-1)만을 교체할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 안전등급 통신 스위치의 후면부를 도시한 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 안전등급 통신 스위치(100)의 후면부는 광케이블을 연결하기 위한 커넥터(Ch#1 ~ Ch#32)를 포함한다. 상기 광 케이블은 서브 보드(240~240-n)를 통하여 각 포트 당 송신 및 수신을 담당한다.

백플레인 보드(230)는 메인 보드(210)에 연결되며, 백플레인 버스를 통하여 4개의 서브 보드(240~240-n)를 연결한다.

패널 보드(220)는 LED를 통하여 통신상태(링크상태/송신상태/수신상태)를 표시하거나, 각 보드의 상태를 표시한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 안전등급 통신 스위치의 전면부를 도시한 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 패널 보드(220)는 개발 인터페이스(JTAG)와 PC와의 인터페이스(RS 232)를 포함하며, 안전등급 통신 스위치(100)의 전면부에 위치한다. 이러한, 패널 보드(220)는 링크 상태 LED(410)를 통해 통신상태(링크상태/송신상태/수신상태)를 표시하고, 보드 상태 LED(420)를 통해 각 보드의 상태를 표시할 수 있다.

이러한, 안전등급 통신 스위치(100)는 모든 발열 소자를 고려하여 방열 설계하고, 이에 따라 열을 배출하기 위한 방열팬을 사용하지 않는다.

본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

스위치 진단 또는 감시를 위해 프레임을 생성하고, 상기 프레임을 전달할 목적지 주소를 결정하는 DSP(Digital Signal Processor) 모듈; 및
상기 프레임을 해석하거나, 또는 스위치의 수신 포트를 통해 수신된 프레임을 해석하여, 목적지 주소에 해당하는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 링크 모듈로 상기 프레임을 전달하는 FPGA 스위칭 모듈
을 포함하고,
상기 프레임을 전달받은 상기 FPGA 링크 모듈은,
상기 프레임에 대한 에러를 검출하는, 원자력발전소 안전계통에서 사용하는 안전등급 통신 스위치.
제1항에 있어서,
상기 DSP 모듈은,
상기 FPGA 스위칭 모듈과 상기 FPGA 링크 모듈을 진단 및 제어하는, 원자력발전소 안전계통에서 사용하는 안전등급 통신 스위치.
제1항에 있어서,
상기 DSP 모듈은,
상기 FPGA 링크 모듈에 연결된 각 포트의 루프백 진단 신호를 상기 FPGA 링크 모듈로 전송하고, 상기 루프백 진단 신호에 응답한 상기 FPGA 링크 모듈로부터 수신되는 진단정보에 기초하여 상기 FPGA 링크 모듈의 하드웨어 건전성을 진단하며, FPGA 스위칭 모듈에서 처리되는 데이터 트래픽을 감시하는, 원자력발전소 안전계통에서 사용하는 안전등급 통신 스위치.
제1항에 있어서,
상기 DSP 모듈이 감시한 통신상태, 및 상기 DSP 모듈을 포함하는 메인 보드의 보드상태를, LED를 통해 표시하는 패널 보드; 및
상기 메인 보드에 연결되며, 백플레인 버스를 통해 각 서브 보드를 연결하는 백플레인 보드
를 더 포함하는, 원자력발전소 안전계통에서 사용하는 안전등급 통신 스위치.
제1항에 있어서,
각 포트마다 FPGA 링크 모듈을 포함하고, 상기 FPGA 링크 모듈과 광 송신기 및 광 수신기를 연결하는 10/100 트랜시버를 포함하는 통신 인터페이스
를 더 포함하는, 원자력발전소 안전계통에서 사용하는 안전등급 통신 스위치.
제5항에 있어서,
상기 10/100 트랜시버는,
병렬 데이터의 직렬화, 직렬 데이터의 병렬화, 4B/5B 코딩, 4B/5B 디코딩, 또는 물리계층의 코딩 중 적어도 하나를 수행하는, 원자력발전소 안전계통에서 사용하는 안전등급 통신 스위치.
제5항에 있어서,
상기 광 송신기 및 상기 광 수신기는,
물리계층 트랜시버로부터 수신한 전기신호를 광신호로 변환하고, 광케이블로부터 수신한 광신호를 전기신호로 변환하여 상기 물리계층 트랜시버로 전송하는, 원자력발전소 안전계통에서 사용하는 안전등급 통신 스위치.