KR101556699B1

KR101556699B1 - 시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용한 운전원 훈련 스티뮬레이션 장치

Info

Publication number: KR101556699B1
Application number: KR1020140148916A
Authority: KR
Inventors: 홍진혁; 이명수; 조형민; 김문수; 문인선; 김경민
Original assignee: 한국수력원자력(주)
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2015-10-01

Abstract

본 발명은 실제 발전소에 적용되는 제어 및 운전화면을 위한 시스템을 운전원 훈련용 시뮬레이터에 적용하는 스티뮬레이션(Stimulation) 장치에 관한 것으로, 시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용하여 발전소에 적용된 제어 및 운전화면을 최소한의 변경만으로 시뮬레이터와 연계할 수 있게 제작된 시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용한 운전원 훈련용 시뮬레이터 스티뮬레이션 장치에 관한 것이다.

Description

시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용한 운전원 훈련 스티뮬레이션 장치{Stimulation System using the time-synchronization and shared memory for the Full-Scope Operator Training Simulator}

본 발명은 실제 발전소에 적용되는 제어 및 운전화면을 위한 시스템을 운전원 훈련용 시뮬레이터에 적용하는 스티뮬레이션(Stimulation) 장치에 관한 것으로, 시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용하여 발전소에 적용된 제어 및 운전화면을 최소한의 변경만으로 시뮬레이터와 연계할 수 있게 제작된 시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용한 운전원 훈련 스티뮬레이션 장치에 관한 것이다.

종래에 원자력발전소 제어 및 운전화면을 모의하기 위한 방법으로는 제어 및 운전화면을 해당 시스템의 설계도면이나 운전화면 정보를 바탕으로 그대로 모의하는 에뮬리에션(Emulation) 방식과, 발전소에서 적용한 시스템을 변경없이 그대로 사용하고, 연계 부분만을 구현하여 모의하는 스티뮬레이션(Stimulation) 방식을 사용해왔다.

에뮬레이션 방식은 발전소에서 적용한 원본 프로그램 소스없이도 구현이 가능하다는 장점이 있으나, 해당 제어로직 블록 기능(Block Function)을 개발자 임의의 판단에 의해 개발되어 발전소의 제어거동과 완벽히 일치하지 못한다는 문제점이 있고, 스티뮬레이션 방식은 발전소의 제어거동 혹은 운전원 화면과 완벽히 일치한다는 장점이 있으나, 운전원 훈련 목적에 맞는 시뮬레이터 특성 (현재 상태 저장, 복원, 재생 등)을 구현하지 못한다는 치명적인 단점이 존재한다.

최근에는 에뮬레이션의 장점과 스티뮬레이션의 장점을 병합한 가상 스티뮬레이션(Virtual Stimulation) 방식으로 개발하는 추세이고, 이 방식이 발전소에서 적용된 원본 프로그램 소스를 그대로 사용하면서도 시뮬레이터 특성(현재상태 저장 등)이 구현되는 장점이 있지만, 사용된 시뮬레이션 구축 환경 프로그램에서 콘트롤러(Controller) 프로그램 혹은 HMI (Human-Machine Interface) 프로그램이 구동되기 위해서는 시뮬레이터 환경 프로그램이 요구하는 구조방식으로 모든 소스 프로그램을 전체적으로 바꿔야 하는 대규모 작업이 요구되어 개발기간이 장기간 요구되는 문제점이 존재한다.

본 발명과 관련된 기술로 대한민국 공개특허공보 KR특2003-0079018호(인용발명1)는 지유아이와 데이터베이스를 이용한 전력계통 모의고장 발생시스템 및 이의 운용방법에 관한 것이고, 공개특허공보 KR10-2007-0106232호(인용발명2)는 발전소 시뮬레이션 시스템 및 그 구동 방법으로, 본 발명의 기술적 구성의 특징인 서버에 탑재된 프로그램의 전역변수 혹은 연계변수 들에 대한 정보를 저장하고 있는 데이터베이스부와, 데이터베이스의 저장정보를 이용하여 공유메모리를 생성하는 데이터베이스 로더와, 시뮬레이터 서버의 현재 값 저장/복원 신호와 동일하게 공유메모리 저장 값을 저장 복원해주는 시뮬레이터 기능부에 대하여 구체적으로 개시되어 있지 아니하여 기술적 구성 및 작용효과에서 차이가 현저하다.

본 발명이 해결하려는 과제는 상기와 같은 문제점을 감안하여, 발전소에 적용된 원본 프로그램을 전역 및 연계변수 부분 및 시간동기화 부분에 대한 최소한의 변경만으로 발전소 거동과 동일한 제어응답 반응 혹은 운전 화면을 구현할 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있으므로, 개발기간을 대폭적으로 단축함과 동시에, 발전소에서 적용되는 동일한 알고리즘을 그대로 사용함으로, 실제 발전소의 거동과 동일한 제어 동작을 운전원 훈련용 시뮬레이터에서 모의할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 과제 해결 수단은 시뮬레이션 대상 발전소 시뮬레이터에 장착된 시뮬레이터 서버와, 콘트롤러(Controller)에 탑재된 프로그램의 전역변수 또는 연계변수들에 대한 정보를 저장하고 있는 전역변수 또는 연계변수용 데이터베이스와, 데이터베이스의 저장정보를 이용하여 공유메모리를 생성하는 데이터베이스 로더와, 서버와의 연계 변수의 실시간 값을 송수신하는 통신부와, 시뮬레이터 서버에서 기동하는 프로그램의 시간과 시각 동기화를 수행하며 등록함수를 스케쥴링 해주는 시간동기화 스케쥴러와, 시뮬레이터 서버의 현재 값 저장과 복원 신호와 동일하게 공유메모리 저장 값들을 저장과 복원해주는 수단을 구비한 시뮬레이터와, 전역 및 연계변수와의 연계부분을 제외하고는 기존 발전소에서 실행되는 동일한 알고리즘 혹은 프로그램으로 구동되는 콘트롤러로 구성된 운전원 훈련 스티뮬레이션 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 시간동기화 스케쥴러는 시뮬레이터 서버에 탑재된 프로그램에서 구동되는 발전소 모의용 프로세스 모델 프로그램들이 시간적으로 동기화하는 시점과 동일한 시점에 동기화 신호를 생성하여, 스케쥴러에 등록된 제어 알고리즘 함수 혹은 HMI 갱신 프로그램을 시뮬레이터 서버에 탑재된 프로그램과 동기화되어 실행되도록 구성된 운전원 훈련 스티뮬레이션 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 시간동기화 및 공유메모리 기법을 적용하여, 발전소에서 사용되는 제어 알고리즘 혹은 화면 프로그램을 전역과 연계변수만을 추출하여 데이터베이스화하여 공유메모리를 구성하고, 시뮬레이터 서버에 탑재된 프로그램과의 시간동기화 신호와 일치되게 스케쥴링을 하는 방식으로, 발전소 적용 제어 알고리즘 및 운전원 화면 프로그램이 적용된 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 발전소에서 적용되는 콘트롤러(Controller) 프로그램 혹은 HMI 프로그램을 대규모의 변경없이, 전역변수 및 연계변수만을 추출하여 시뮬레이터 동작을 할 수 있게 함으로써, 개발기간이 짧고 개발 비용을 크게 절감할 수 있으며, 발전소에서 적용되는 동일한 알고리즘을 그대로 사용함으로써, 실제 발전소의 거동과 동일한 제어 동작을 운전원 훈련용 시뮬레이터에서 모의할 수 있는 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 발전소에서 사용되는 운전원 감시 및 유지보수용 디스플레이 화면을 그대로 사용함으로, 발전소와 모의 장치간의 이질감이 전혀없게 함으로써, 최적화된 운전훈련 설비를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 발전소 콘트롤러(Controller) 프로그램 동작원리를 도시한 것이다.
도 2는 발전소 HMI 프로그램 동작원리를 도시한 것이다.
도 3은 발명의 시뮬레이터 연계용 Controller/HMI 프로그램 변경 전략을 도시한 것이다.
도 4는 발명의 시뮬레이터용 Controller 프로그램 전체 동작구조도이다.
도 5는 발명의 시뮬레이터용 HMI 프로그램 전체 동작구조도이다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모의대상 발전소 시뮬레이터가 장착된 서버(4-1,5-1)와, 콘트롤러(Controller) 혹은 HMI(Human-Machine Interface) 프로그램의 전역변수 혹은 연계변수(I/O Interface Variables)들에 대한 정보를 저장하고 있는 전역/연계변수용 데이터베이스(3-11,4-11,5-11)와, 데이터베이스의 저장정보를 이용하여 공유메모리를 생성하는 데이터베이스 로더(Sim-DB-Loader)(4-10,5-10)와, 서버와의 연계변수의 실시간 값을 통신하는 통신부(Sim-Communicator)(4-7,5-7)와, 시뮬레이터 서버에서 기동하는 모델 프로그램의 시간과 시각 동기화를 수행하며, 등록함수를 스케쥴링(Scheduling) 해주는 시간동기화 스케쥴러 (Sim-Sync-Scheduler)(4-8,5-8)와, 시뮬레이터 서버의 현재 값 저장/복원 신호와 동일하게 공유메모리(3-12,4-12,5-12) 저장 값들을 저장/복원해주는 시뮬레이터 기능부(Sim-Functor)(4-6,5-6)와, 전역(3-3) 및 연계변수(3-4)와의 연계부분만을 제외하고는 기존 발전소에서 실행되는 동일한 알고리즘 혹은 프로그램으로 구동되는 변형된 콘트롤러(Modified Controller)(4-13) 혹은 변형된 HMI(Modified HMI) 프로그램(5-13) 등으로 구성되어 있다.

발전소 시뮬레이터가 장착된 서버(4-1,5-1)를 이용할 경우에 실행되는 동일한 알고리즘 혹은 프로그램으로 구동되는 변형된 콘트롤러(Modified Controller)(4-13) 혹은 변형된 HMI(Modified HMI) 프로그램(5-13)을 그대로 이용할 수 있으므로 개발기간이 짧고 개발 비용을 크게 절감할 수 있는 유리한 효과가 있다.

상기 시뮬레이터 서버(4-1,5-1)는 참조 원자력발전소의 모든 계통을 모의하는 동적모델 및 논리모델들이 실시간/초실시간으로 구동되어 대상 원전의 반응과 유사한 반응을 모의해주는 장치로, Sim-Functor(4-6,5-6), Sim-Communicator(4-7,5-7) 및 Sim-Sync-Scheduler(4-8,5-8)에 각각 시뮬레이터 서버 상태정보(4-2,5-2), 연계 프로세스 변수에 대한 현재 값 및 시뮬레이터 서버 프로그램의 시간 동기화 신호(4-3,5-3) 등을 포함하는 신호 및 정보를 송수신하는 장치이다.

상기 전역/연계변수용 데이터베이스(3-11,4-11,5-11)는 발전소에서 기동되는 콘트롤러(Controller) 프로그램(도 1) 혹은 HMI 프로그램(도 2)의 전역변수(3-4) 및 연계변수(3-5)에 대한 (변수명, 변수 형태, 변수 값 저장 공간 Offset 번지 등) 정보를 저장하고 있는 데이터베이스이다.

발전소에서 적용되는 콘트롤러(Controller)에 탑재된 프로그램(도 1) 혹은 HMI 프로그램(도 2)은 도 3과 데이터 영역(3-3) 및 코드 영역(3-8)으로 구성되어 있다.

데이터 영역(3-3)은 전역 변수(Global Variables) 영역(3-4), I/O 변수 (I/O Variables) 영역(3-5) 및 지역변수(Local Variables) 영역(3-6)으로 구성되어 있다.

본 발명을 위하여, 원래의 콘트롤러(Controller) 프로그램(도 1) 혹은 HMI 프로그램(도 2) 내부에 정의된 전역변수(3-4) 및 I/O 연계변수 영역(3-5)을 외부에서 접근 가능한 형태의 데이터베이스(3-11,4-11,5-11)로 구축하고, 원본 콘트롤러(Controller) 프로그램(도 1) 혹은 HMI 프로그램(도 2)은 변수정의 부분(3-3)을 변경(3-14)하여, 이 Database(3-11,4-11,5-11)에서 변수정보를 바탕으로 생성되는 공유메모리(3-11,4-11,5-11)에서 변수 공간을 할당받는 구조(3-13,3-14,3-15)로 변경함으로, 원본 콘트롤러(Controller) 프로그램(도 1) 혹은 HMI 프로그램(도 2)의 소스(3-2)를 최소한의 변경(3-15)하고도, 시뮬레이터 서버(4-1,5-1)와 연계 및 (Reset, Snap 등) 시뮬레이터 특성이 동작되고, 발전소에 탑재된 동일한 제어 및 감시 기능을 수행할 수 있는 형태로 구성된다.

상기 데이터베이스 로더(Sim-DB-Loader)(4-10,5-10)는 전역/연계변수용 데이터베이스(3-11,4-11,5-11)에서 저장하고 있는 각 변수들에 대한 정보를 이용하여, 공유메모리(3-12,4-12,5-12)를 생성하고 메모리를 로딩(Loading)해주는 기능을 담당하며, 콘트롤러(Controller)(도 1) 혹은 HMI 프로그램(도 2)이 여기에서 생성된 공유메모리(3-12,4-12,5-12)를 경유하여 입출력(연계)변수(3-5) 및 전역변수(3-4)들의 값을 전달받거나 설정(4-22,5-27)하도록 구성되어 있다.

상기 통신부(Sim-Communicator)(4-7,5-7)는 시뮬레이터 서버 프로그램(4-1,5-1)과의 연계변수의 현재 값을 실시간으로 송수신(4-21,5-26)해주는 역할을 하도록 구성되어 있다.

상기 시간동기화 스케쥴러(Sim-Sync-Scheduler)(4-8,5-8)는 시뮬레이터 서버 프로그램(4-1,5-1)에서 구동되는 발전소 모의용 프로세스 모델 프로그램들이 시간적으로 동기화하는 시점과 완벽하게 동일한 동기화 신호(4-3,5-3)를 생성하여, 시간동기화 스케쥴러(Sim-Sync-Scheduler)(4-8,5-8)에 등록된 제어 알고리즘 함수 혹은 HMI 갱신 프로그램(4-16,5-17)을 시뮬레이터 서버와 동기화도어 실행하는 역할을 수행한다.

상기 시뮬레이터 기능부(Sim-Functor)(4-6,5-6)는 시뮬레이터 서버 프로그램(4-1,5-1)의 현재 값 저장(Snap) 혹은 복원(Reset) 등 운전원 모의훈련에 필요한 고유 시뮬레이터 기능을, 콘트롤러(Contorller) 프로그램(도 1) 혹은 HMI 프로그램(도 2)에서도 동일하게 시뮬레이터 기능을 수행케하는 역할을 한다.

현재 값 저장 신호(4-2,5-2) 실행 시 공유메모리(3-12,4-12,5-12)에 저장되어있는 전역(3-4) 및 연계변수(3-5) 현재 값을 물리적 파일(Physical File)(4-9,5-9) 형태로 저장하며, 현재 값 복원 신호 실행 시 저장된 물리적 파일로부터 저장시점의 값을 복원하게 해주는 기능을 담당한다.

상기 변형된 콘트롤러(Modified Controller)(4-13)에 탑재된 프로그램 혹은 변형된(Modified) HMI 프로그램(5-13) 수행부는 발전소에서 동일한 기능을 수행하는 프로그램들의 주요한 알고리즘을 동일하게 유지하면서도, 시뮬레이터 서버와의 스케쥴링, 시뮬레이터 동적특성(저장/복원 등)을 그대로 수행하는 역할이 추가되어, 발전소에서 나타내는 동일한 거동을 수행하면서도 운전원 훈련용에 맞도록 반복학습을 할 수 있도록 하는 기능을 부가한 시뮬레이터용 프로그램이다.

도 1은 발전소에서 적용되는 콘트롤러(Controller) 프로그램의 동작원리를 설명하고 있다. 먼저 콘트롤러(Controller) 프로그램이 기동(1-1)하게 되고, 각종 변수 혹은 제어 도면을 위한 메모리 공간이 설정되고 초기화(1-2)된다.

또한, 콘트롤러(Controller) 동작을 위한 알고리즘이 반복적으로 구동되기 위해 제어 알고리즘 함수(1-4)를 스케쥴러에 등록(1-3)한다. 제어 알고리즘(1-7)은 제어에 필요한 입력변수들의 값을 하드웨어 혹은 다른 콘트롤러(Controller) 결과 값으로부터 취득(1-6)하여, 알고리즘 실행(1-7)후, 제어신호 결과치(Output)를 필요에 따라 콘트롤러(Controller) 혹은 운전원 화면으로 전송(1-8)하는 방식으로 구동된다.

도 2는 발전소에서 적용되는 HMI 프로그램의 동작원리를 설명하고 있다. 먼저, HMI 프로그램이 기동하게 되고, 운전원 화면에서 필요한 감시 및 제어용 변수를 위한 메모리 공간이 설정되고 초기화된다.

또한, HMI 화면에서 운전원 제어신호를 콘트롤러에 보내기 위해, 제어용 신호 전송을 위한 이벤트 핸들러(Event Handler)를 등록하여 제어신호 조작시 해당 콘트롤러로 전송되도록 한다.

또한 HMI 디스플레이 화면개정이 주기적으로 이루어질 수 있도록, 화면개정 함수를 스케쥴링 함수에 등록한다. 반복적으로 호출되는 화면개정 함수(2-5)에서는 감시에 필요한 입력변수들의 값을 하드웨어 혹은 다른 콘트롤러 결과 값으로부터 취득(2-7)하여, 화면이 개정(2-8)되도록 구성되어 있다.

본 발명은 실제 발전소에 적용되는 제어 및 운전화면을 위한 시스템을 운전원 훈련용 시뮬레이터에 적용하는 스티뮬레이션(Stimulation) 장치에 관한 것으로, 시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용하여 발전소에 적용된 제어 및 운전화면을 최소한의 변경만으로 시뮬레이터와 연계할 수 있게 제작된 시간동기화 및 공유메모리 기법을 이용한 운전원 훈련용 시뮬레이터 스티뮬레이션 장치를 제공하여 개발기간을 단축하고 최적화된 운전훈련 설비를 제공할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims

발전소 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치에 있어서,
시뮬레이션 대상 발전소 시뮬레이터에 장착된 시뮬레이터 서버(4-1,5-1);
콘트롤러(Controller)에 탑재된 프로그램의 전역변수 또는 연계변수들에 대한 정보를 저장하고 있는 전역변수 또는 연계변수용 데이터베이스(3-11,4-11,5-11);
데이터베이스의 저장정보를 이용하여 공유메모리를 생성하는 데이터베이스 로더(4-10,5-10);
서버와의 연계 변수의 실시간 값을 통신하는 통신부(4-7,5-7);
시뮬레이터 서버에서 기동하는 프로그램의 시간과 시각 동기화를 수행하며 등록함수를 스케쥴링 해주는 시간동기화 스케쥴러(4-8,5-8);
시뮬레이터 서버의 현재 값 저장과 복원 신호와 동일하게 공유메모리(3-12,4-12,5-12) 저장 값들을 저장과 복원해주는 수단을 구비한 시뮬레이터; 및
데이터 영역(3-3) 및 연계변수(3-4)와의 연계부분만을 제외하고 발전소에서 실행되는 동일한 알고리즘 혹은 프로그램으로 구동되는 콘트롤러(4-13)로 구성된 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
시간동기화 스케쥴러는 시뮬레이터 서버에 탑재된 프로그램(4-1,5-1)에서 구동되는 발전소 모의용 프로세스 모델 프로그램들이 시간적으로 동기화하는 시점과 동일한 시점에 동기화 신호를 생성하여, 스케쥴러(4-8,5-8)에 등록된 제어 알고리즘 함수 혹은 HMI 갱신 프로그램을 시뮬레이터 서버에 탑재된 프로그램과 동기화되어 실행되도록 구성된 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치는 시간동기화 및 공유메모리 기법을 적용하여, 발전소에서 사용되는 제어 알고리즘 혹은 화면 프로그램을 전역 변수(3-4)와 연계변수(3-5)만을 추출하여 데이터베이스화(3-11)하여 공유메모리를 구성하고, 시뮬레이터 서버에 탑재된 프로그램과의 시간동기화 신호와 일치되게 스케쥴링하여 발전소 적용 제어 알고리즘 및 운전원 화면 프로그램이 적용된 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시뮬레이터 서버는 원자력발전소의 모든 계통을 모의하는 동적모델 및 논리모델들이 실시간으로 구동되어 대상 원전의 반응과 유사한 반응을 모의하며, Sim-Functor(4-6,5-6), Sim-Communicator(4-7,5-7) 및 Sim-Sync-Scheduler(4-8,5-8)에 각각 시뮬레이터 서버 상태정보(4-2,5-2), 연계 프로세스 변수에 대한 현재 값 및 시뮬레이터 서버 프로그램의 시간 동기화 신호를 포함하는 정보를 송수신함을 특징으로 하는 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
데이터 영역(3-3)은 전역 변수 영역(3-4), I/O 변수 영역(3-5) 및 지역변수 영역(3-6)으로 구성됨을 특징으로 하는 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 데이터베이스 로더는 전역 변수 및 연계변수용 데이터베이스에서 저장하고 있는 각 변수들에 대한 정보를 이용하여, 공유메모리를 생성하고, 메모리를 로딩해주며, 콘트롤러 혹은 HMI 프로그램이 생성된 공유메모리를 경유하여 입출력 연계변수 및 전역 변수들의 값을 전달받거나 설정하도록 구성됨을 특징으로 하는 운전원 훈련 시뮬레이터용 스티뮬레이션 장치.