KR101332226B1 - 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제어봉 제어회로의 전체 루프(loop) 기능시험을 수행함에 있어서 자동적으로 입력신호를 생성하고 출력신호를 측정하여 비교 파형과의 자동 분석이 가능하여 제어회로의 루프 이상 유무를 즉시 확인 가능하고 조치할 수 있는 기능시험 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 기능시험 장치는, 하나 이상의 전자카드에 의해 구동이 이루어지는 구동 기구부를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통의 기능시험 장치에 있어서, 전자카드를 포함한 제어계통과 전기적 연결을 위한 인터페이스(110)와; 상기 인터페이스와 연결되어 상기 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성을 참조하여 입력신호를 합성하여 인가하며, 모사출력을 상기 전자카드 출력에 인가하게 되는 진단모듈(120)과; 전자회로를 분석하기 위한 회로분석부(131), 유한요소해석을 위한 유한요소해석부(132), 이공학 분석을 위한 이공학분석부(133) 및 상기 진단모듈(120)을 구동하기 위한 진단모듈구동부(134)를 포함하여 상기 진단모듈(120)과 연결되는 메인컴퓨터(130)를 포함하여, 원자로를 직접 구동하지 않으면서도 단위 전자카드, 전자카드의 조합과 계통전체에 대한 기능점검이 신속하면서도 안전하게 이루어질 수 있으므로, 원자력 발전소의 안정적 운영에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Description

원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치 및 그 방법{Function test apparatus and method for control system of nuclear power plant}
본 발명은 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치에 관한 것으로, 특히 제어봉 제어회로의 전체 루프(loop) 기능시험을 수행함에 있어서 자동적으로 입력신호를 생성하고 출력신호를 측정하여 비교 파형과의 자동 분석이 가능하여 제어회로의 루프 이상 유무를 즉시 확인 가능하고 조치할 수 있는 기능시험 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
원자력 발전은 기본적으로 원자로 내에서 핵분열 반응을 일으켜 이때 발생되는 열에너지를 이용하여 증기를 생성시키고 이 증기로 터빈을 구동하여 전기를 공급하는 것이다.
이러한 원자로 내에는 핵분열 반응을 제어하기 위하여 복수 개의 제어봉이 설치된다. 상기 제어봉은 핵분열 반응을 중개하는 열중성자를 흡수하기 쉬운 붕소·카드뮴·하프늄 등을 스테인리스강 또는 알루미늄으로 피복하여 제작된다.
이러한 제어봉을 노심에 넣으면 열중성자가 흡수되어 노의 반응온도가 낮아지고, 반대로 상기 제어봉을 빼면 노의 반응도가 높아진다.
제어봉을 구동하는 제어 계통에는 여러 가지의 기구물과 코일, 코어 등이 결합되어 제어봉을 삽입시키거나 인출시키는데 이런 기구물을 제어하는 것들은 전자회로로 구성되어 있다[참고문헌: 등록특허 제10-1111262호(등록일자: 2012.01.25)].
도 1은 일반적인 제어봉 구동시스템의 구성도이며, 도 1을 참조하여 일반적인 제어봉 제어계통에 대하여 살펴보도록 한다.
제어봉(10)의 주위에는 복수의 제어봉코일(20)이 설치되며, 이 제어봉코일(20)에 전류를 흘려주어 제어봉(10)을 상하 방향으로 이동시킨다.
제어봉코일(20)은 올림코일(21), 이동코일(22) 및 정지코일(23)을 포함하며, 올림코일(21)과 이동코일(22)은 제어봉(10)을 상하 이동시키는 기능을 하며, 정지코일(23)은 제어봉(10)을 일정 위치에 정지시키는 기능을 한다.
이러한 제어봉코일(20)은 전력함(30)과 연결되며, 전력함(30)은 제어봉코일(20)에 필요한 구동전류를 공급하는 역할을 한다.
전력함(30)은 논리함(40)을 통해 주제어부(50)에 의해 제어가 이루어지며, 구체적으로는 논리함(40)은 주제어부(50)로부터 제어신호를 받아서 명령을 해석하여 전력함(30)에 필요한 신호를 발생시키는 역할을 한다.
또한, 전력함(30)과 논리함(40)에는 적당한 시기에 구동신호를 주도록 하는 복수의 전자카드(61)(62)가 연결된다.
전자카드(61)(62)는 전력함(30) 및 논리함(40)과 각종 신호를 주고받으며 적절한 시기에 적당한 전류가 제어봉코일(20)에 공급이 이루어질 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
이와 같은 제어봉 구동시스템에는 약 90장의 전자카드가 사용되고 있으며, 단 하나의 전자카드 고장이 발생하더라도 계통 전체가 작동하지 않으며, 특히 제어봉을 떨어뜨리거나 제어가 불가능한 상태가 발생할 수 있다.
이러한 위험은 원자로 제어계통 전체의 문제로서, 사소한 부품의 고장이 원자로 전체의 이상 작동이나 발전 정지를 초래할 가능성이 있다. 따라서 원자로의 모든 개별 부품, 부품들의 조합, 단위 전자카드, 전자카드들의 조합과 제어계통 전체에 대하여 사전 점검을 통해 세밀하게 그 기능에 대한 점검이 이루어져야 하며, 또한 이상 작동 시에는 신속하고 안전하게 고장 요인을 제거할 수 있어야 한다.
한편 원자로의 기능 점검에 있어서 원자로가 가동 중에는 그 기능을 점검하기가 매우 어려우며, 이는 기능 점검 중에 원자로의 제어계통이 직접 원자로를 가동하는 경우가 발생할 수가 있기 때문이다.
반면에 원자로 발전 정지 중에 기능 점검이 이루어지는 경우에는 원자로가 작동하지 않으므로 그 기능을 확인할 방법이 없는 경우가 대부분이며, 따라서 정확한 기능 점검에 많은 어려움이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래기술로써, 등록특허 제10-0914437호(등록일자: 2009.08.21)는 제어봉 제어계통 모의시험장치를 제안하고 있으나, 제어계통에 대한 제한적인 검사만이 가능하다.
또한 종래의 시험방법은 전자카드의 개별적인 건전성 시험(ICT, ROMP)만이 가능하고 제어회로의 루프(loop) 전체적인 기능시험은 수행이 불가능하며, 일부 루프 기능시험에서는 수동 계측장비를 이용하여 부분적으로만 기능검사가 이루어지고 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제어봉 제어회로의 전체 루프(loop) 기능시험을 수행함에 있어서 자동적으로 입력신호를 생성하고 출력신호를 측정하여 비교 파형과의 자동 분석이 가능하여 제어회로의 루프 이상 유무를 검사할 수 있는 기능시험 장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치는, 하나 이상의 전자카드에 의해 구동이 이루어지는 구동 기구부를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통의 기능시험 장치에 있어서, 전자카드를 포함한 제어계통과 전기적 연결을 위한 인터페이스와; 상기 인터페이스와 연결되어 상기 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성을 참조하여 입력신호를 합성하여 인가하며, 모사출력을 상기 전자카드 출력에 인가하게 되는 진단모듈과; 전자회로를 분석하기 위한 회로분석부, 유한요소해석을 위한 유한요소해석부, 이공학 분석을 위한 이공학분석부 및 상기 진단모듈을 구동하기 위한 진단모듈구동부를 포함하여 상기 진단모듈과 연결되는 메인컴퓨터에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 메인컴퓨터는, 전자회로의 분석, 제어봉 기동 기구부의 해석, 제어루프 해석계통의 분석이 이루어지는 계통분석 모드와; 계통분석 모드에서 마련된 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성을 참조하여 전자카드에 입력을 합성하여 인가하고 모사출력을 전자카드 출력에 인가하여 전자카드의 기능을 점검하게 되는 진단 모드를 포함할 수 있다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 메인컴퓨터는, 계통분석 모드와 진단 모드에서 처리된 데이터를 저장하여 관리하기 위한 데이터베이스 모드를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 진단모듈은, 프로그램 가능한 출력부와, 고속의 계측 신호처리를 위한 DAQ 시스템과, 임의 파형을 발생시키고 신호의 증폭 처리를 위한 파형발생부와, 다양한 부하에 대한 동작을 실행할 수 있도록 마련되는 프로그램 가능한 로드부와, 상기 인터페이스로 출력되는 신호를 처리하는 스위치 매트릭스를 포함할 수 있다.
본 발명의 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 방법은, 하나 이상의 전자카드에 의해 구동이 이루어지는 구동 기구부를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통의 기능시험 방법에 있어서, 전자카드 회로를 분석하여 그 입출력 특성을 제1표준데이터로 저장하며, 구동 기구부의 기계적 특성을 유한요소해석으로 분석하여 그 동특성을 추출하여 제2표준데이터로 저장하는 제1단계와; 제1표준데이터와 제2표준데이터를 제어회로의 해석을 통해 입출력과 제어루프의 특성을 분석하여 응답특성과 제어특성을 분석하여 제3표준데이터로 저장하는 제2단계와; 상기 제1표준데이터를 참조하여 전자카드에 입력신호를 합성하여 인가하고 전자카드 또는 구동 기구부로부터 출력된 데이터를 상기 제1표준데이터, 제2표준데이터 또는 제3표준데이터와 비교하여 기능검사를 수행하는 제3단계에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치 및 그 방법은, 원자로 운영에 필수적인 제어봉 제어계통의 최소제어 단위인 전자카드의 기능을 점검할 수 있으며, 또한 전자카드의 조합에 의한 기능블록의 작동을 점검할 수 있으며, 전자적, 수학적으로 분석된 데이터베이스에 의해 점검을 수행하고 최종적으로 계통 전체의 작동을 원자로를 직접 구동하지 않고 점검이 가능하므로, 제어계통 고장의 진단, 사전점검에 있어서 안전하고 신속한 문제 해결수단을 제공하여 원자력 발전소의 안정적 운영에 기여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 제어봉 구동시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치에 있어서, 계통분석 모드에서의 바람직한 실시예를 보여주는 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치에 있어서, 진단모드에서의 바람직한 실시예를 보여주는 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치를 통해 실시 가능한 기능시험 항목을 예시한 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치는, 전자카드를 포함한 제어계통과 전기적 연결을 위한 인터페이스(110)와; 이 인터페이스(110)와 연결되어 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성을 참조하여 입력신호를 합성하여 인가하며, 모사출력을 상기 전자카드 출력에 인가하게 되는 진단모듈(120)과; 전자회로를 분석하기 위한 회로분석부(131), 유한요소해석을 위한 유한요소해석부(132), 이공학 분석을 위한 이공학분석부(133) 및 진단모듈(120)을 구동하기 위한 진단구동부(134)를 가지며, 진단모듈(120)과 연결되는 메인컴퓨터(130)를 포함한다.
도면부호 101은 전자카드, 또는 전자카드들의 조합, 또는 이를 포함하는 제어계통을 나타내며, 도면부호 102는 전자카드에 의해 구동이 이루어지는 구동 기구부를 나타낸다.
인터페이스(110)는 진단모듈(120)과 현장에서의 설비를 전기적으로 연결하기 위한 것으로, 예를 들어 진단모듈(120)과 단일 전자카드 또는 전자카드 조합, 또는 전자카드를 포함한 제어계통을 연결시키게 되며, 케이블 또는 범용 테스트 지그(jig)가 사용될 수 있다.
진단모듈(120)은 인터페이스와 연결되어 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성을 참조하여 입력신호를 합성하여 인가하며, 모사출력을 전자카드 출력에 인가하는 기능을 수행한다.
바람직하게는, 진단모듈(120)은 프로그램 가능한 출력부(121)와, 고속의 계측 신호처리를 위한 DAQ 시스템(122)과, 임의 파형을 발생시키고 신호의 증폭 처리를 위한 파형발생부(123)와, 다양한 부하에 대한 동작을 실행할 수 있도록 마련되는 프로그램 가능한 로드부(124)와, 인터페이스(110)로 출력되는 신호를 처리하는 스위치 매트릭스(125)를 포함한다. 또한, 진단모듈(120)은 컴퓨터를 사용하여 RS-232 또는 GPIB통신으로 원격 제어가 가능하도록 통신부(126)를 포함할 수 있다.
메인컴퓨터(130)는 전자회로를 분석하기 위한 회로분석부(131), 유한요소해석을 위한 유한요소해석부(132), 이공학 분석을 위한 이공학분석부(133) 및 진단모듈(120)을 구동하기 위한 진단모듈구동부(134)를 포함한다.
회로분석부(131), 유한요소해석부(132), 이공학분석부(133)는 각각 주지의 전용 소프트웨어에 의해 제공될 수 있으며, 예를 들어 전자회로를 분석하기 위하여 PSpice 시뮬레이션 프로그램이 이용될 수 있다.
구체적으로 메인컴퓨터(130)는 계통분석 모드(135), 진단 모드(136), 데이터베이스 모드(137)를 포함할 수 있다.
계통분석 모드(135)는 전자회로의 분석, 제어봉 구동 기구부 해석과 제어루프해석이 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치에 있어서, 계통분석 모드에서의 바람직한 실시예를 보여주는 순서도이다.
도 3을 참고하면, 전자카드의 전자회로가 회로분석부에 입력되며, 회로분석부에서는 전자카드 회로의 노드 전압/전류 분석, 과도특성 분석, 온도변화특성, 소 신호 특성 분석을 포함하여 전자카드의 입출력 전압/전류와, 파형 데이터를 분석하며, 그 특성을 진단모드에서 사용할 제1표준데이터(Dt1)로 저장(S11)한다.
한편, 계통분석 모드에서는 단위 전자카드 별로 필요한 모든 회로에 대해 분석이 이루어지며, 전자카드의 조합은 그 조합에 다른 입출력이 규정되고 분석된다. 또한 전자카드가 계통을 형성하였을 경우에도 그 입출력이 규정되고 분석이 이루어진다.
다른 한편으로 계통분석 모드에서는 출력 측에 연결되는 구동 기구부의 기계적 특성을 유한요소해석으로 분석하여 그 동특성의 특징을 추출하고 역시 제2표준데이터(Dt2)로 저장한다(S12).
이공학분석부는 제어회로의 해석을 통해 입출력과 제어루프의 특성을 분석하여 그 응답특성과 제어특성을 분석하고 제3표준데이터(Dt3)로 저장한다(S20).
도 4는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치에 있어서, 진단모드에서의 바람직한 실시예를 보여주는 순서도이다.
도 4를 참고하면, 진단모드는 계통분석모드로부터 얻은 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성 등의 제1표준데이터(Dt1)를 참조하여 전자카드에 입력신호를 합성하여 인가하고 모사출력을 전자카드 출력에 인가하여 전자카드의 기능을 점검한다.
구체적으로 전자카드에 입력되는 신호는 사인파, 구형파, 삼각파, 로그함수 파형, 임의 잡음 파형, 디지털 제어 파형 등을 합성하여 전자카드에 인가하게 되며, 이때 인가되는 파형은 상기에 열거한 것에 제한되지 않는다. 전자카드의 출력은 분석된 출력모사 회로, 모사 기구물에 접속되어 실제 회로와 같은 환경의 부하가 인가된다.
이와 같이 입력되어 전자카드 또는 구동 기구부로부터 출력된 데이터는 제1,2,3표준데이터(Dt1)(Dt2)(Dt3)와 비교 판정하여 기능검사가 이루어진다.
한편, 데이터베이스 모드(137)는 계통분석 모드와 진단 모드에서 처리된 데이터를 저장하여 관리하기 위한 것으로, 이미 분석되어 저장된 표준 출력 데이터와 검출된 출력 데이터를 비교하여 전자카드의 기능 점검이 이루어질 수 있다. 또한, 데이터베이스 모드(137)는 취득된 데이터를 저장하여 관리가 이루어지며, 또한 실시된 기능시험에 대한 전체 이력조회가 가능하여 기능시험에 대한 체계적인 관리가 가능하다.
이와 같이 구성된 본 발명의 기능시험 장치를 이용한 기능시험 방법은 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 제1단계(S10)는 메인컴퓨터(110)의 계통분석 모드(135)를 통해 이루어지게 되며, 회로분석부(131)에서 전자카드의 전자회로에 대한 분석과, 유한요소해석부(132)에서 유한요소해석에 의해 구동 기구부의 기계적 특성에 대한 분석이 이루어지는 과정이다.
회로분석부(131)에서는 전자카드 회로의 노드 전압/전류 분석, 과도특성 분석, 온도변화특성 분석, 소신호 특성 분석 등의 전자카드에 대한 입출력 전압/전류와, 파형 데이터에 대한 분석이 이루어진다. 이와 같이 분석되어 얻어진 데이터는 제1표준데이터(Dt1)로서 데이터베이스에 저장된다.
한편, 유한요소해석부(132)는 구동 기구부에 대한 기계적 특성을 유한요소해석으로 분석하여 그 동특성을 추출하게 되며, 추출된 속도, 변위, 에너지 등의 데이터를 제2표준데이터(Dt2)로 데이터베이스에 저장한다.
제2단계(S20)는 제1표준데이터(Dt1)와 제2표준데이터(Dt2)를 제어회로의 해석을 통해 입출력과 제어루프의 특성을 분석하여 응답특성과 제어특성을 분석하여 제3표준데이터(Dt3)로 저장하는 과정으로, 이공학분석부(133)가 이용될 수 있다.
도 2 및 도 4를 참고하면, 제3단계(S30)는 메인컴퓨터(110)의 진단모드(136)를 통해 이루어질 수가 있으며, 제1표준데이터(Dt1)를 참조하여 전자카드에 입력신호를 합성하여 인가하고 전자카드 또는 구동 기구부로부터 출력된 데이터를 상기 제1표준데이터(Dt1), 제2표준데이터(Dt2) 또는 제3표준데이터(Dt3)와 비교하여 기능검사를 수행한다.
메인컴퓨터(130)의 데이터베이스 모드(137)에서는 실시된 기능시험에 대한 전체 이력조회가 가능하여 체계적인 관리가 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치를 통해 실시 가능한 기능시험 항목을 예시하고 있으며, 이러한 기능시험 항목들은 자동으로 수행이 이루어지며, 데이터베이스화하여 이력관리가 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 인터페이스 120 : 진단모듈
121 : 프로그램 가능한 출력부
122 : DAQ 시스템 123 : 파형발생부
124 : 프로그램 가능한 로드부
125 : 스위치 매트릭스 126 : 통신부
130 :메인컴퓨터 131 : 회로분석부
132 : 유한요소해석부 133 : 이공학분석부
134 : 진단모듈구동부 135 : 계통분석 모드
136 : 진단 모드 137 : 데이터베이스 모드

Claims (5)

  1. 하나 이상의 전자카드에 의해 구동이 이루어지는 구동 기구부를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통의 기능시험 장치에 있어서,
    전자카드를 포함한 제어계통과 전기적 연결을 위한 인터페이스와;
    상기 인터페이스와 연결되어 상기 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성을 참조하여 입력신호를 합성하여 인가하며, 모사출력을 상기 전자카드 출력에 인가하게 되는 진단모듈과;
    전자회로를 분석하기 위한 회로분석부, 유한요소해석을 위한 유한요소해석부, 이공학 분석을 위한 이공학분석부 및 상기 진단모듈을 구동하기 위한 진단모듈구동부를 포함하여 상기 진단모듈과 연결되는 메인컴퓨터를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메인컴퓨터는,
    전자회로의 분석, 제어봉 기동 기구부의 해석, 제어루프 해석계통의 분석이 이루어지는 계통분석 모드와;
    계통분석 모드에서 마련된 전자카드의 입출력 데이터와 부하특성, 제어특성을 참조하여 전자카드에 입력을 합성하여 인가하고 모사출력을 전자카드 출력에 인가하여 전자카드의 기능을 점검하게 되는 진단 모드를 더 포함하는 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 메인컴퓨터는, 계통분석 모드와 진단 모드에서 처리된 데이터를 저장하여 관리하기 위한 데이터베이스 모드를 더 포함하는 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 진단모듈은,
    프로그램 가능한 출력부와, 고속의 계측 신호처리를 위한 DAQ 시스템과, 임의 파형을 발생시키고 신호의 증폭 처리를 위한 파형발생부와, 다양한 부하에 대한 동작을 실행할 수 있도록 마련되는 프로그램 가능한 로드부와, 상기 인터페이스로 출력되는 신호를 처리하는 스위치 매트릭스를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 장치.
  5. 하나 이상의 전자카드에 의해 구동이 이루어지는 구동 기구부를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통의 기능시험 방법에 있어서,
    전자카드 회로를 분석하여 그 입출력 특성을 제1표준데이터로 저장하며, 구동 기구부의 기계적 특성을 유한요소해석으로 분석하여 그 동특성을 추출하여 제2표준데이터로 저장하는 제1단계와;
    제1표준데이터와 제2표준데이터를 제어회로의 해석을 통해 입출력과 제어루프의 특성을 분석하여 응답특성과 제어특성을 분석하여 제3표준데이터로 저장하는 제2단계와;
    상기 제1표준데이터를 참조하여 전자카드에 입력신호를 합성하여 인가하고 전자카드 또는 구동 기구부로부터 출력된 데이터를 상기 제1표준데이터, 제2표준데이터 또는 제3표준데이터와 비교하여 기능검사를 수행하는 제3단계를 포함하는 원자로 제어봉 제어계통 기능시험 방법.
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