KR102085617B1 - 원자력발전소 계측 제어 시스템 - Google Patents

원자력발전소 계측 제어 시스템 Download PDF

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강성곤
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Abstract

본 발명은 원자력발전소 계측 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 비안전기기를 제어하는 DCS와, 안전기기를 제어하는 PLC와, 안전기기 및 비안전기기를 통합된 운전 화면으로 감시 및 제어하고 감시정보 및 제어정보를 수집하는 IPS와, PLC에 연결되어 안전설비를 제어하고 제어정보를 수집하는 운전화면 ESCM을 포함하되, 안전계통 신호를 채널별로 통합하고, 상기 IPS에 고장이 발생한 경우, ESCM으로부터 수집한 DCS 및 PLC의 감시정보를 IPS로 전송하는 QIAS-N모듈; 및 DCS 및 PLC로부터 인가받은 감시정보에 부합하도록 비안전설비를 제어하는 DIAS모듈을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 안전계통 신호를 채널별로 통합하고 IPS의 고장 시 DCS 및 PLC의 정보를 전달하는 QIAS-N, 및 DCS 및 PLC의 정보를 제공받아 비안전 설비를 직접 제어하는 DIAS를 구성함으로써, 감시 및 제어를 수행하는 원전의 I&C 구조를 단순화하면서 DCS 및 PLC의 고장 시 원전의 안전 운전이 가능하다.

Description

원자력발전소 계측 제어 시스템{INSTRUMENTATION CONTROL SYSTEM OF NUCLEAR POWER PLANT}
본 발명은 원자력발전소 계측 제어 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 원자력발전소의 감시 및 제어를 수행하는 I&C(Instrumentation & Control) 구조를 단순화하면서 DCS(Distributed Control System) 및 PLC(Programmable Logic Controller)의 고장 시에도 원전의 안전 운전을 수행하는 기술에 관한 것이다.
원자력발전소의 감시 및 제어 계통은 신호의 단절을 고려하여 다양한 경로를 구성하고 있다. 특히, 안전계통과 비안전계통의 구분되어 비안전 계통이 고장나도 안전계통으로 운전할 수 있지만, 최근에는 안전계통 고장을 고려한 다양성 계통까지 요구된다.
근래에 디지털 I&C의 기술이 발전하면서 최근 건설된 원자력발전소에서 안전 및 비안전계통 전체에 공통원인고장에 취약한 디지털 I&C가 적용되면서 규제지침에 따라 공통원인 고장을 고려한 설계를 하도록 요구하게 되었다.
이러한 공통원인 고장에 대비하기 위해 주제어실에서는 안전제어반에 DIS(Diverse Indication System)와 다양성 수동 작동 스위치(DAS: Diverse Actuation Switch)를 추가하여 규제지침에 대응하고 있다.
그러나, 모든 사고에 대한 대처 수단을 제시하도록 설계됨에 따라 I&C 구조가 매우 복잡하고, 복잡한 설계로 인해 안전성 분석이 어려워 인허가 및 건설이 지연되고 있는 실정이다.
현재에는 다양성 계통 구조가 점진적으로 도입되어 다양한 DIS, DMA 및 다양성보호계통(DPS: Divers Protection System)가 운영되고 있으나, 체계적 관점에서 디지털 계통이 설계되지 않아 신뢰성이 결여되고, 이를 보충하기 위한 Analog 제어기를 추가로 구성하므로 주제어실이 방대해지는 문제점이 있다.
또한, 원자력발전소 마다 안전 비안전 다양성에 대해 통일된 I&C 설계의 부재와 비 표준화된 I&C 구조로 인해 유지 보수 및 교육이 어려운 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1608646호
본 발명의 목적은, 첫째 비안전기기를 제어하는 DCS 혹은 안전기기를 제어하는 PLC가 고장시 선택된 안전기기 및 비안전 기기를 직접 제어하는 다양성 DIAS(Diversity Indicator Actuator System)를 구성하고, 둘째 주요 안전 및 비안전기기의 상태를 보여주는 지시 및 경보계통(QIAS: Qualified Indication Actuator System)-N를 제공하여, 감시 및 제어를 수행하는 원전의 I&C 구조를 단순화하면서 DCS 및 PLC의 고장 시 원전의 안전 운전을 제공하는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템은, 비안전기기를 제어하는 DCS와, 안전기기를 제어하는 PLC와, 안전기기 및 비안전기기를 통합된 운전 화면으로 감시 및 제어하고 감시정보 및 제어정보를 수집하는 IPS와, PLC에 연결되어 안전설비를 제어하고 제어정보를 수집하는 운전화면 ESCM을 포함하되, 안전계통 신호를 채널별로 통합하여 IPS에 제공하면서, 동시에 IPS를 경유하여 DCS 정보를 받는 QIAS-N모듈, 만일 DCS 혹은 PLC가 고장시 선택된 안전기기/비안전기기를 제어하는 DIAS모듈을 포함한다.
바람직하게는, QIAS-N모듈은 다수의 안전계통 신호들을 각 채널별로 취합하여 단일화하는 채널관리부; 및 IPS의 감시정보 및 제어정보 수집에 문제가 발생한 경우, ESCM으로부터 DCS 및 PLC에 대한 감시정보를 수신하여 IPS로 인가하는 감시제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
DIAS모듈은, DCS 및 PLC로부터 인가받은 계측정보를 채널별로 분류하는 계통분류부; 및 비안전설비와 접속되어 계측정보와 부합하도록 비안전설비의 구동을 제어하는 계통제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
사고 상황시 안전계통에 대한 주요변수를 기 설정된 절차에 부합하도록 지시하고 경보를 발생하는 QIAS-P모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 안전계통 신호를 채널별로 통합하고 IPS의 고장 시 DCS 및 PLC의 정보를 전달하는 QIAS-N, 및 DCS 및 PLC의 정보를 제공받아 비안전 설비를 직접 제어하는 DIAS를 구성함으로써, 감시 및 제어를 수행하는 원전의 I&C 구조를 단순화하면서 DCS 및 PLC의 고장 시 원전의 안전 운전이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 규제요건을 만족시키면서도 원자력발전소마다 상이한 I&C 구조를 단순화하고 통일되게 구성함으로써, 원자력발전소의 안전성 평가와 유지 보수 및 교육을 용이하게 하는 효과가 있다.
정리하면, 본 발명에 따르면, 첫째 비안전기기를 제어하는 DCS 혹은 안전기기를 제어하는 PLC가 고장시 선택된 안전기기 및 비안전 기기를 직접 제어하는 다양성 DIAS(Diversity Indicator Actuator System)를 구성하고, 둘째 주요 안전 및 비안전기기의 상태를 보여주는 지시 및 경보계통(QIAS: Qualified Indication Actuator System)-N를 제공하여, 감시 및 제어를 수행하는 원전의 I&C 구조를 단순화하면서 DCS 및 PLC의 고장 시 원전의 안전 운전을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실싱예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템의 QIAS-N모듈을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템의 DIAS모듈을 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템의 QIAS-P모듈을 도시한 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 방법을 도시한 순서도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 방법의 제S100단계의 세부과정을 도시한 순서도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템(S)은, 비안전설비를 제어하는 DCS(1)와, 안전설비를 제어하는 PLC(2)와, PLC(2)에 연결되어 안전설비 및 비안전설비를 통합된 운전 화면으로 감시 및 제어하고 감시정보 및 제어정보를 수집하는 IPS(3)와, PLC(2)와 별도로 안전설비를 제어하고 제어정보를 수집하는 운전화면 ESCM(Engineered Soft Control Module)(4)을 포함하여 구성된다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템(S)은, 전술한 DCS(1), PLC(2), IPS(3) 및 ESCM(4)의 구성 이외에 QIAS-N모듈(100) 및 DIAS모듈(200)을 더 포함하여 구성된다.
구체적으로, QIAS-N모듈(100)은 안전계통 신호를 채널별로 통합하고, IPS(3)에 고장이 발생한 경우, ESCM(4)으로부터 수집한 DCS(1) 및 PLC(2)의 감시정보를 IPS(3)로 전송하고, DIAS모듈(200)은 DCS(1) 및 PLC(2)로부터 인가받은 감시정보에 부합하도록 비안전설비를 제어하도록 구성된다.
도 2를 참조하면, QIAS-N모듈(100)은 다수의 안전계통 신호들을 각 채널별로 취합하여 단일화하는 채널관리부(102)와, 접속된 IPS(3)의 감시정보 및 제어정보 수집에 문제가 발생 즉, 고장이 발생한 경우, ESCM(4)으로부터 DCS(1) 및 PLC(2)에 대한 감시정보를 수신하여 IPS(3)로 인가하는 감시제어부(104)를 포함하여 구성된다.
QIAS-N모듈(100)의 제어에 따라 IPS(3)가 SCM(Soft Control Module)을 통해 비안전기기로 제어신호를 전송하고, IPS(3)가 ESCM(4)을 통해 디스플레이된 안전기기로 제어신호를 전송하도록 구성된다.
QIAS-N모듈(100)은 내부에 구비된 소프트웨어 모듈인 QSCM(Qualified SCM)에 의해 비안전 등급이지만 다양성 계통이므로 안전기기와 비안전기기를 모두 제어할 수 있으나, 제어대상이 한정되어 있다.
QIAS-N모듈(100)은 4개의 안전채널에서 오는 정보를 취합하여 IPS(3)로 전송하는 기능, DCS(1)에서 오는 비안전기기 정보를 IPS(3)를 통해 수신하는 기능, DIAS모듈(200)에서 오는 정보를 취합하는 기능을 수행하며, IPS(3)와 유사한 통합 감시화면 체계를 구성하고 있으나, IPS(3)보다는 한정된 정보를 취급한다.
이하, [표 1]을 참조하여, 정상, DCS(1) 고장시, PLC(2) 고장시, DCS(1) 및 PLC(2) 모두 고장시 비안전기기와 안전기기에 대한 제어 절차를 살피면 아래와 같다.
제어방법 비안전 기기 안전기기
정상시 IPS -> SCM->DCS IPS->ESCM->PLC
DCS 고장 QIAS-N->QSCM->DIAS
(한정된 기기)
QIAS-N->QESCM->PLC
PLC 고장 IPS -> SCM->DCS QIAS-N->QSCM->DIAS
(한정된 기기)
DCS/PLC 모두 고장 QIAS-N->QSCM->DIAS
(한정된 기기)
QIAS-N->QSCM->DIAS
(한정된 기기)
상기 [표 1]에 도시된 IPS->SCM->DCS의 의미는 IPS(3) 화면에서 기기를 선택하여, SCM 화면에 선택된 기기가 나타나고, 제어신호는 DCS(1)가 처리한다는 의미이며, DCS(1)는 최종적으로 비안전기기에 제어신호를 전송하게 된다.
도 3을 참조하면, DIAS모듈(200)은 DCS(1) 및 PLC(2)로부터 인가받은 계측정보를 채널별로 분류하는 계통분류부(202)와, 비안전설비와 접속되어 계측정보와 부합하도록 비안전설비의 구동을 제어하는 계통제어부(204)를 포함하여 구성된다.
이때, DIAS모듈(200)은 종래에 3개로 구분된 DIS(Diverse Indication System), DMA(Diverse Manual Actuation) 및 DPS(Diverse Protection System)을 통합하여 구성되어 일관되고 통합된 운전화면으로 비안전기기 및 안전기기에 대한 모니터링이 가능하다.
DIAS모듈(200)은 다양성 계통으로 DCS(1)나 PLC(2)에 고장이 발생한 경우에만 작용하므로 안전기기 및 비안전기기를 포함한 전체 기기를 제어하지 않으며, 중요한 대상 기기로 기 설정된 안전기기 및 비안전기기 만을 제어하도록 구성된다.
DIAS모듈(200)은 DCS(1) 또는 PLC(2)와 다르게 제어하려는 기기의 끝단에 신호를 가하기 때문에 제어 경로의 고장에 상관없이 신뢰성 있는 제어명령을 내릴 수가 있다. 따라서, 감시 및 제어를 수행하는 원전의 I&C 구조를 단순화하면서 DCS(1) 및 PLC(2)의 고장 시 원전의 안전 운전이 가능하다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESCM(4)은 안전기기를 제어하는 운전화면으로 이해함이 바람직하며, QESCM(Qualified Engineered Soft Control Module)도 동일하게 안전기기를 제어하는 운전화면이다.
이때, ESCM(4) 또는 QESCM의 화면에서 개시된 신호는 PLC(2)에서 처리되며, ESCM(4)은 채널구별 없이 모든 안전기기를 제어할 수 있고, QESCM은 채널 구별이 있어 같은 채널에 있는 안전기기만를 제어하도록 구성된다.
또한, ESCM(4)은 QIAS-N모듈(100)과 동일한 Node 구조를 가지고 있지만, 제어목적으로 사용되기 때문에 QIAS-N모듈(100)과 같은 정보통합기능은 없다. 또한 ESCM(4)에서 QIAS-N모듈(100)으로 정보를 줄 필요도 없다.
그리고, PPS(Plant Protection System)는 발전소를 자동으로 정지시키는 기능을 수행하며 운전원의 개입은 거의 없다. 다만, PPS가 고장날 경우를 대비하여 수동으로 발전소를 정지시킬 수 있는 PPS 스위치를 포함하여 구성된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템(S)은, 비안전기기는 IPS(3)에서 직접 제어하고, 안전기기는 종래와 같이 PLC(2)에서만 제어하는 것이 아니라 ESCM(4)을 통해 제어하도록 구성됨에 따라 비안전기기 및 안전기기 간의 제어를 구분하여 관리할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템(S)은, 도 4에 도시된 바와 같이 원자로 수위 감시하되, 사고 상황시 안전계통 주요변수를 기 설정된 절차에 부합하도록 지시하고 경보를 발생하는 주요지시 및 감시계통(QIAS-P: Qualified Indication Alarm System - Post Accident Monitoring Instrumentation)모듈(300)을 포함하여 구성된다.
이때, QIAS-P모듈(300)은 사후 감시계통으로의 규제요건을 만족하는 기능을 수행하며, 감시 및 제어에서 QIAS-N모듈(100) 및 DIAS모듈(200)와 작동 원칙이 동일하도록 설계된다.
정리하면 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 시스템(S)은 DIAS모듈(200)을 통해 제어신호가 기기에 직접 작용하도록 신호 경로를 단순화하고, 감시 및 제어를 위한 작동 원칙이 동일하도록 설계함에 따라, 감시 및 제어를 수행하는 원전의 I&C 구조를 단순화하면서 DCS 및 PLC의 고장 시 원전의 안전 운전이 가능하다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 방법에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, QIAS-N모듈(100)이 각 채널별 안전계통 신호를 모니터링 한다(S100).
이어서, QIAS-N모듈(100)이 접속된 IPS(3)에 고장이 발생했는지 여부를 감지한다(S200). 이때, 고장 발생 여부에 대한 감지는 IPS(3)와의 접속이 끊긴 것으로 이해할 수 있다.
제S200단계의 판단결과, IPS(3)에 고장이 발생한 경우, QIAS-N모듈(100)이 ESCM(4)으로부터 수집한 DCS(1) 및 PLC(2)의 감시정보를 IPS(3)로 전송한다(S300).
그리고, DIAS모듈(200)이 QIAS-N모듈(100) 또는 DCS(1) 및 PLC(2)로부터 인가받은 감시정보에 부합하도록 비안전설비를 제어한다(S400).
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 계측 제어 방법의 제S100단계의 세부과정에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, QIAS-N모듈(100)의 채널관리부(102)가 다수의 안전계통 신호들을 수집한다(S102).
그리고, QIAS-N모듈(100)의 채널관리부(102)가 수집한 안전계통 신호들을 채널별로 분류한다(S104).
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
S: 원자력발전소 계측 제어 시스템
1: DCS
2: PLC
3: IPS
4: ESCM
100: QIAS-N모듈
102: 채널관리부
104: 감시제어부
200: DIAS모듈
202: 계통분류부
204: 계통제어부
300: QIAS-P모듈

Claims (4)

  1. 비안전기기를 제어하는 DCS와, 안전기기를 제어하는 PLC와, 안전기기 및 비안전기기를 통합된 운전 화면으로 감시 및 제어하고 감시정보 및 제어정보를 수집하는 IPS와, 상기 PLC에 연결되어 안전설비를 제어하고 제어정보를 수집하는 운전화면인 ESCM을 포함하되,
    안전계통 신호를 채널별로 통합하고, 상기 IPS에 고장이 발생한 경우, 상기 ESCM으로부터 수집한 상기 DCS 및 PLC의 감시정보를 상기 IPS로 전송하는 QIAS-N모듈; 및
    상기 DCS 및 PLC로부터 인가받은 감시정보에 부합하도록 비안전설비를 제어하는 DIAS모듈을 포함하되,
    상기 DIAS모듈은,
    상기 DCS 및 PLC로부터 인가받은 계측정보를 채널별로 분류하는 계통분류부; 및 비안전설비와 접속되어 계측정보와 부합하도록 비안전설비의 구동을 제어하는 계통제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계측 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 QIAS-N모듈은,
    다수의 안전계통 신호들을 각 채널별로 취합하여 단일화하는 채널관리부; 및
    상기 IPS의 감시정보 및 제어정보 수집에 문제가 발생한 경우, 상기 ESCM으로부터 상기 DCS 및 PLC에 대한 감시정보를 수신하여 상기 IPS로 인가하는 감시제어부를
    포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계측 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    사고 상황시 상기 안전계통에 대한 주요변수를 기 설정된 절차에 부합하도록 지시하고 경보를 발생하는 QIAS-P모듈을
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계측 제어 시스템.
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