KR20160013607A - 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법 - Google Patents

에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3중화된 제어 장치의 결과 값들을 종합하여 그 데이터를 단순 비교함으로써, 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 정상 유무를 판단하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CHECKING OPERATION INTEGRITY ON TRIPLE MODULAR REDUNDANT BASED FPGA CONTROLLER}
본 발명은 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3중화된 제어 장치의 결과 값들을 종합하여 그 데이터를 단순 비교함으로써, 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 정상 유무를 판단하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법에 관한 것이다.
중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit) 기반의 제어기기가 다양한 제어 분야에 널리 사용되고 되고 있다. 중앙 처리 장치 기반의 제어기기에 탑재되는 응용 소프트웨어들은 고속으로 동작하는 중앙 처리 장치의 특성에 의해, 사용자 입장에서는 응용 소프트웨어가 내재하고 있는 각각의 기능들이 OS나 펌웨어의 도움을 받아 병렬적으로 처리되는 것처럼 여겨지나, 중앙 처리 장치 내부적으로는 한 개의 명령어를 처리하고 다른 명령어를 처리하기 때문에 순차적으로 처리가 된다. 즉, 응용 소프트웨어가 포함하고 있는 다양한 기능들 중에서 일부 기능에 존재하는 명령어가 중앙 처리 장치에서 수행되는 동안에 문제가 발생하면, 중앙 처리 장치가 오동작을 일으키게 되고 결론적으로 중앙 처리 장치에 탑재된 모든 응용 소프트웨어에 오동작 영향을 미치게 된다. 그렇기 때문에, 한 개의 명령어에 의해 중앙 처리 장치에 탑재된 모든 응용 프로그램에 영향이 가해질 수 있는 특성에 의해서, 중앙 처리 장치 기반의 제어기기는 외부에 박동 신호의 생성이 주기적으로 발생하는 지를 확인할 수 있는 감시 장치(watch-dog 타이머 등)를 설치하고, 이를 확인하여 중앙 처리 장치의 동작 건전성을 확인하였다.
처리 장치의 다양성에 대한 논의가 이루어 지면서 중앙 처리 장치가 기반이 아닌 다른 장치 기반의 제어기기에 대한 연구가 활발하게 이루어짐으로써 에프피지에이(FPGA: Field-Programmable Gate Array)기반 제어기기가 주목 받고 있다. 이렇게 개발되는 FPGA 기반 제어기기들은 동작 건전성 감시를 위해 기존 중앙 처리 장치 기반에서 주로 사용하던 박동 신호 감시를 활용하고 있다. 하지만 탑재되는 제어 기능들이 순차적으로 실행되면서 기능들 간에 영향을 미치는 중앙 처리 장치의 특성과는 다르게, FPGA는 내부에 정의되는 제어 기능들은 병렬적으로 수행되면서 기능들간에 연계가 없는 경우에 기능들 간에 영향을 미치지 않는 특성을 가진다. 서로간에 영향이 미치지 않는 FPGA 특성에 의해 박동 신호 감시 기능만으로는, 구현되는 기능들의 동작 건전성을 확인하기가 어려운 문제점이 있다.
특히 높은 신뢰도와 가용도가 요구되는 분야(원자력 발전소 등)를 위해 FPGA 기반 3중화 제어기기가 개발되고 있다. FPGA 기반 3중화 제어기기란 제어 장치로 FPGA를 사용하고, 이를 3중화하여 한 개의 FPGA 제어 장치가 고장 나더라도 다른 두 개의 FPGA 제어 장치를 통해 고장이 발생한 제어 장치를 사용자에게 알림과 동시에 제어 기능을 정상 수행 가능토록 하는 제어기기다. 이렇게 개발되는 FPGA 기반 3중화 제어기기의 제어 장치의 동작 건전성 감시를 위해 다양한 방법들이 연구되고 있다. 주로 기존 중앙 처리 장치 기반에서 사용하는 박동 신호를 통한 감시와 감시 장치를 두고 제어 기능을 모사하는 모사부를 구현하고 제어 기능과 결과를 비교하는 감시를 사용한다. 하지만 FPGA에 프로그래밍되는 제어 기능들은 서로 간에 영향을 미치지 않는 특성이 있어 박동 신호를 사용한 건전성 확인이 힘들다는 점과, 제어기능을 동일하게 모사하는 감시 장치 경우에는 제어 장치의 논리 복잡도가 올라갈수록 구현이 힘든 문제점이 있다.
한국공개특허 [10-2010-0010390]에서는 마이크로컴퓨터와 마이크로컴퓨터의 제어방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2010-0010390]
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 3중화된 제어 장치의 결과 값들을 종합하여 비교함으로써FPGA 기반 3중화 제어기기의 동작 건전성을 충분히 확인함과 동시에 감시 장치의 로직을 단순화하 시킴으로써 신뢰성 높은 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 정상 유무를 판단하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치는 3 개로 구성되며, 에프피지에이(FPGA: Field-Programmable Gate Array) 기반의 처리부(100); 3 개로 구성되며, 각각 하나의 상기 처리부(100)와 연결되어 데이터를 입력받는 감시부(200); 및 3 개로 구성되며, 상기 처리부(100)와 상기 감시부(200) 사이에 각각 구비되어, 상기 처리부(100)로부터 상기 감시부(200)로 단방향 데이터 전송만을 허용하는 신호격리기(300);를 포함하되, 각각의 상기 감시부(200)는 다른 감시부(200)들로부터 처리부(100)의 데이터를 전달받아, 각각의 처리부(100)의 데이터를 단순 비교하여 상기 처리부(100)의 동작 건전성을 감시하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법은 3개의 처리부(100), 3개의 감시부(200) 및 3개의 신호격리기(300)를 포함하며, 상기 처리부(100)는 신호취득부(110), 신호처리부(120) 및 신호송신부(130)를 포함하고, 상기 감시부(200)는 신호수신부(210), 동기화부(220), 데이터공유부(230) 및 결과비교부(240)를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치를 이용한 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법에 있어서, 상기 신호송신부(130)가 신호처리부(120)에 입력되는 입력데이터 및 상기 신호처리부(120)로부터 중간처리데이터 또는 출력데이터를 수집하는 데이터수집 단계(S10); 상기 신호송신부(130)가 수집된 데이터를 신호격리기(300)를 거쳐 단방향 통신으로 신호수신부(210)로 전송하는 데이터전송 단계(S20); 상기 동기화부(220)가 상기 신호수신부(210)로부터 입력되는 데이터의 수신상태를 근거로 각각의 감시부(200)를 동기화 시키는 동기화 단계(S30); 상기 동기화 단계(S30)로부터 동기화가 되면, 각각의 상기 데이터공유부(230)가 서로 간의 데이터를 주고 받는 데이터공유 단계(S40); 및 결과비교부(240)가 상기 데이터공유 단계(S40)로부터 공유된 각각의 데이터를 단순 비교하여 결과가 동일하지 않으면 제어장치오류신호를 발생하는 결과비교 단계(S50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법에 의하면, 3중화된 처리부들의 데이터를 단순 비교는 3중화된 감시부들을 이용하여 제어장치의 정상 유무를 판단함으로써 동작 건전성을 보다 정밀하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
또, 박동 신호 감시 방법보다 넓은 범위의 제어 장치 감시가 가능한 효과가 있고, 모사부를 가지는 감시 장치보다 간단하게 제어 장치 감시가 가능하여, 3중화에 제어 장치를 감시하기에 적합한 효과가 있다.
또한, 신호격리기를 이용한 단방향 통신을 사용함으로써 감시부의 오류에도 처리부 장치에 전기적 영향이 없으며, 처리부는 정상 동작이 가능한 효과가 있다.
또, 동기화부를 이용하여 데이터를 동기화함으로써, 비교 대상 데이터가 맞는지 확인하는 단계를 생략 할 수 있어 보다 빠른 데이터 처리가 가능한 효과가 있다.
아울러, 데이터를 비교하는 3 개의 비교부와 비교부의 결과를 비교하는 3 개의 오류알람부를 이용하여 정확하게 어떤 처리부 또는 어떤 감시부에 오류가 발생하였는지 확인이 가능하며, 오류가 발생하더라도 지속적인 감시 및 오류 장치 확인이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시장치의 블록도.
도 2 내지 도 4는 도 1의 처리부 하나의 세부 구성을 보여주는 블록도.
도 5는 도 1의 감시부 하나의 세부 구성을 보여주는 블록도.
도 6은 도 5를 3중화 시킨 구성에서 명령 및 데이터의 흐름을 보여주는 블록도.
도 7은 도 5에 외부송수신부가 추가된 구성을 보여주는 블록도.
도 8은 도 5의 결과비교부 하나의 세부 구성을 보여주는 블록도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법의 흐름도.
도 10은 도 9의 동기화 단계의 세부 구성을 보여주는 흐름도.
도 11은 준비신호를 이용해 세 개의동기화부가 동기화되는 시점을 보여주는 개념도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시장치의 블록도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 처리부 하나의 세부 구성을 보여주는 블록도이며, 도 5는 도 1의 감시부 하나의 세부 구성을 보여주는 블록도이고, 도 6은 도 5를 3중화 시킨 구성에서 명령 및 데이터의 흐름을 보여주는 블록도이며, 도 7은 도 5에 외부송수신부가 추가된 구성을 보여주는 블록도이고, 도 8은 도 5의 결과비교부 하나의 세부 구성을 보여주는 블록도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법의 흐름도이고, 도 10은 도 9의 동기화 단계의 세부 구성을 보여주는 흐름도이며, 도 11은 준비신호를 이용해 세 개의동기화부가 동기화되는 시점을 보여주는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치는 3 개의 처리부(100), 3 개의 감시부(200) 및 3 개의 신호격리기(300)를 포함하되, 각각의 상기 감시부(200)는 다른 감시부(200)들로부터 처리부(100)의 데이터를 전달받아, 각각의 처리부(100)의 데이터를 단순 비교하여 상기 처리부(100)의 동작 건전성을 감시하는 것을 특징으로 한다.
처리부(100)는 에프피지에이(FPGA: Field-Programmable Gate Array) 기반으로 구성되어 제어장치의 제어역할을 수행하며, 입력데이터를 입력 받아 정해진 신호처리를 한 후 출력데이터를 출력한다.
다시 말해, 신호 입력 장치로부터 입력데이터를 취득하고, 취득된 입력데이터를 정해진 연산로직을 통해 처리하여, 신호 출력 장치로 출력데이터를 내보내는 기능을 수행한다.
여기서, 에프피지에이는 FPGA(Field Programmable Gate Array)는 PAL(Programmable Array Logic)을 저밀도(low density) PLD(Programmable Logic Devices)로 분류함에 비하여 고밀도 PLD로 분류된다. 따라서 FPGA도 PAL과 마찬가지로 전기적인 퓨즈에 의한 사용자 프로그래밍으로 원하는 커스텀(custom) 회로를 빠른 시간에 구현할 수 있게 해준다. 그러나 PAL이 일반적으로 앤드-오아(AND-OR) 게이트로 된 구조적인 어레이를 취함에 따른 회로 구현의 효율성이 낮은 것에 비하여, FPGA는 다양한 형태의 디지털 회로를 구현할 수 있는 논리 및 연결 구조로 인하여, 고성능의 회로를 구현할 수 있게 한다.
감시부(200)는 하나의 상기 처리부(100)와 연결되어 데이터를 입력받는다.
다시 말해, 하나의 감시부(200)는 상기 감시부(200)와 직접 연결된 처리부(100)의 데이터를 입력받고, 또한, 다른 감시부(200)들로부터 다른 처리부(100)들의 데이터를 입력받은 후, 각각의 처리부(100) 데이터를 단순 비교함으로써, 박동신호를 이용하는 기술 보다 에프피지에이 기반 제어기기의 동작 건전성을 보다 정밀하게 확인할 수 있다.
즉, 하나의 감시부(300)가 세 개의 처리부(100) 데이터를 단순 비교하는 것을 하나의 세트라고 할 때, 세 개의 세트로 구성하여 상기 처리부(100)의 동작 건전성을 감시한다.
또한, 상기 감시부(200)는 다양한 장치(예: 중앙 처리 장치, FPGA, DSP 등)를 이용해 구현이 가능하다. 다시 말해, 상기 처리부(100)는 에프피지에이 기반이지만 상기 감시부(200)는 데이터들 간의 단순 비교가 가능하다면 중앙 처리 장치, FPGA, DSP 등을 이용하여 구성할 수 있다.
신호격리기(300)는 상기 처리부(100)와 상기 감시부(200) 사이에 각각 구비되어, 상기 처리부(100)로부터 상기 감시부(200)로 단방향 데이터 전송만을 허용한다.
다시 말해, 신호격리기(300)는 상기 처리부(100)와 상기 감시부(200) 사이에 구비되는 것을 하나의 세트라고 할 때, 세 개의 세트로 구성하여, 상기 처리부(100)로부터 상기 감시부(200)로 단방향 통신을 하도록 한다.
제어장치의 건전성만을 확인하는 상기 감시부(200)보다, 실제적으로 제어 처리에 사용되는 상기 처리부(100)가 중요하기 때문에, 상기 감시부(200)와 FPGA 기반의 상기 처리부(100) 사이의 통신은 상기 처리부(100)에서 상기 감시부(200)로만 데이터가 전송되도록 단방향 통신을 하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 신호 격리기를 설치함으로써 감시부(200)의 오동작이 발생하더라도 이상 신호가 제어 장치에 영향이 미치지 않도록 하였다. 이는, 신호격리기를 이용한 단방향 통신을 사용함으로써 감시부의 오류에도 신호 처리 장치에 전기적 영향이 없으며, 처리부는 정상 동작이 가능하다.
원자력 산업에는 품질등급에 따른 관리를 하게 되며, 이 중 가장 중요한 장치들에 대해서는 품질등급 Q(안전성 품목: Safety Related Items)로 설계가 되어야 하고, IEEE 603 내부에는 격리요건이 존재하고 이에 의해서 전기적으로격리가 되어야 하며, IEEE 603외에 다양한 요건들을 만족해야 한다.
이를 만족하기 위해 처리 장치와 감시 장치간에 격리기를 설치한 것이다.
원자력발전소안전성에 미치는 영향의 중요도에 따라 다음과 같이 품질등급을 구분하여 운영하고 있으며, 안전성 품목(Q, Safety Related Items)은
1. 원자로 및 원자로의 안전에 관련된 시설로서 고장 또는 결함 발생시 일반인에게 방사선 장해를 직접 또는 간접으로 미칠 가능성이 있는 품목 또는 용역.
2. 원자력발전소 정상운전 및 안전정지 시 안전성 관련기능을 수행하는 기기, 계통 및 구조물로써10CFR50APP.B에 적용을 받는 안전성 관련계통, 기기 및 구조물. 예) 원자로 격납건물, 핵연료건물,원자로 냉각재 계통, 비상노심 냉각계통, 화학 및 체적제어계통.
3. 고장 또는 결함 발생시 일반인에게 방사선 장애를 직접 또는 간접으로 미칠 가능성이 있는 원자로 및 원자로의 안전에 관련된 품목이 이에 해당된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치의 상기 처리부(100)는 신호처리부(120) 및 신호송신부(130)를 포함할 수 있다.
신호처리부(120)는 하나 또는 복수 개로 구성되며, 입력데이터를 처리해 출력데이터를 생성한다.
신호송신부(130)는 상기 신호격리기(300) 전단에 구비되어, 상기 신호처리부(120)로부터 입력데이터, 중간처리데이터 및 출력데이터 중 선택되는 적어도 어느 하나를 상기 신호격리기(300)를 통해 상기 감시부(200)에 주기적으로 전송한다.
이는, 상기 신호처리부(120)로 입력되는 입력데이터와 상기 신호처리부(120)로부터 처리된 중간처리데이터 및 상기 신호처리부(120)로부터 출력되는 출력데이터를 모두 상기 감시부(200)로 송신하여야 할 필요성이 있을 수 있기 때문이며, 상기 중간처리데이터 및 출력데이터가 어떤 입력데이터에 대한 결과인지 확인하여야 하기 때문에 상기 신호송신부(110)를 구성하여 입력데이터, 입력데이터에 맞는 중간처리데이터 및 입력데이터에 맞는 출력데이터를 원활하게 송신할 수 있다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치의 상기 처리부(100)는 신호취득부(110), 신호처리부(120) 및 신호송신부(130)를 포함할 수 있다.
신호취득부(110)는 입력데이터를 입력 받아 내부의 데이터 저장소에 저장한다.
신호처리부(120)는 하나(도 2 내지 도 3 참조) 또는 복수(도 4 참조) 개로 구성되며, 입력데이터를 처리해 출력데이터를 생성한다.
신호송신부(130)는 상기 신호격리기(300) 전단에 구비되어, 상기 신호취득부(110)로부터 입력데이터, 상기 신호처리부(120)로부터 중간처리데이터 또는 출력데이터를 상기 신호격리기(300)를 통해 상기 감시부(200)에 주기적으로 전송한다.
이는, 상기 신호처리부(120)로 입력되는 입력데이터를 별도로 관리(저장 등)하기 위함이다.
도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치의 상기 감시부(200)는 신호수신부(210), 동기화부(220), 데이터공유부(230) 및 결과비교부(240)를 포함할 수 있다.
신호수신부(210)는 상기 신호격리기(300)를 통해 데이터를 수신받는다.
동기화부(220)는 상기 신호수신부(210)로부터 입력되는 데이터의 수신상태를 근거로 각각의 감시부(200)를 동기화 시킨다.
상기 결과비교부(240)는 각각의 처리부(100)로부터 획득한 데이터를 단순 비교하는데 있어서, 각각의 데이터가 단순 비교를 하기 위한 데이터가 맞는지 확인할 필요성이 있다.
이를 위해, 모든 데이터에 식별정보를 부가하고 각각의 처리부(100)와의 연관성을 확인할 수 있으나, 각각의 식별정보를 부가하여 각각의 데이터를 찾아 이들을 비교하는 과정은 많은 처리과정을 수반하게 된다. 다른 방법으로는 이러한 과정들을 생략하기 위해 각각의 데이터를 동기화 시킬 수 있다.
데이터공유부(230)는 상기 동기화부(220)를 통해 동기화가 되면, 서로 간의 데이터를 주고 받는다.
결과비교부(240)는 상기 데이터공유부(230)로부터 감시가 요구되는 각각의 데이터를 단순 비교하여 결과가 동일하지 않으면 제어장치오류신호를 발생한다.
즉, 3 개의 상기 동기화부(220)들 간에 동기화를 시키고, 동기화가 완료되면 데이터공유부(230)를 이용하여 데이터(입력데이터, 중간처리데이터 및 출력데이터)를 공유한(주고받은) 후, 데이터공유부(230)에 저장된 동기화된 데이터들 간에 단순한 비교만으로 3중화 제어기기의 신뢰성 여부를 확인할 수 있다.
결과비교부(240)는 각각의 데이터들의 단순비교 결과가 다를 경우, 제어장치 오류신호를 발생할 수 있다.
만약, 주기적으로 통신 데이터가 처리부(100)로부터 오지 않거나, 통신 데이터가 유실되거나, 또는 처리부(100)로부터 획득한 데이터(입력데이터, 중간처리데이터 및 출력데이터)의 단순 비교 결과가 일치하지 않는다면, 제어 이상 알람 기능을 통해서 제어 장치의 건전성에 문제가 발생하였음을 알릴 수 있다.
여기서 단순 비교라고 하는 것은 동일 시간대에 발생된 입력데이터는 각각의 처리부(100)로부터 획득한 입력데이터들 간의 비교를 하여 동일한지 동일하지 않은지를 비교하는 것이고, 동일 시간대에 발생된 중간처리데이터는 각각의 처리부(100)로부터 획득한 중간처리데이터들 간의 비교를 하여 동일한지 동일하지 않은지를 비교하는 것이며, 동일 시간대에 발생된 출력데이터는 각각의 처리부(100)로부터 획득한 출력데이터들 간의 비교를 하여 동일한지 동일하지 않은지를 비교하는 것을 말한다. 다시 말해, 동일해야 하는 데이터들 간의 단순비교를 통해 동일하지 않다는 결과가 나온다면 데이터 신뢰성에 문제가 발생했음을 확인할 수 있다.
이는, 박동 신호 감시 방법보다 좀더 넓은 범위의 처리부(100)에 대한 동작 건전성 감시가 가능하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치의 상기 감시부(200)는 상기 신호수신부(210)로부터 데이터를 받아 외부기기에 전송하는 외부송수신부(250)를 더 포함할 수 있다.
외부송수신부(250)는 제어장치의 상태정보를 요청하는 다른 전자 시스템에 전송하는 기능을 수행한다. 이렇게 외부송수신부(250) 전송된 데이터는 다른 시스템의 입력데이터로 입력되어 모니터에 전시되어 사용자에게 시각적 정보제공을 할 뿐만 아니라 데이터베이스에 저장되어 필요 시에 정보를 확인 가능하도록 정보 이력 관리가 된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치의 상기 결과비교부(240)는 제1비교부(241), 제2비교부(242), 제3비교부(243), 제1오류알람부(244), 제2오류알람부(245) 및 제3오류알람부(246)를 포함할 수 있다.
제1비교부(241)는 첫 번째 처리부(100)의 데이터와 두 번째 처리부(100)의 데이터를 비교한다.
제2비교부(242)는 두 번째 처리부(100)의 데이터와 세 번째 처리부(100)의 데이터를 비교한다.
제3비교부(243)는 첫 번째 처리부(100)의 데이터와 세 번째 처리부(100)의 데이터를 비교한다.
제1오류알람부(244)는 제1비교부(241)의 결과와 제3 비교부(243)의 결과를 비교하여 첫 번째 처리부의 오류신호를 생성한다.
제2오류알람부(245)는 제1비교부(241)의 결과와 제2비교부(242)의 결과를 비교하여 두 번째 처리부의 오류신호를 생성한다.
제3오류알람부(246)는 제2비교부(242)의 결과와 제3비교부(243)의 결과를 비교하여 세 번째 처리부의 오류신호를 생성한다.
예를 들어 설명하면,
제1비교부(241)는 첫 번째 처리부(100)의 데이터와 두 번째 처리부(100)의 데이터를 비교하여 같지 않으면 '1' 신호를 생성하고, 같으면 '0' 신호를 생성할 수 있다.
제2비교부(242)는 두 번째 처리부(100)의 데이터와 세 번째 처리부(100)의 데이터를 비교하여 같지 않으면 '1' 신호를 생성하고, 같으면 '0' 신호를 생성할 수 있다.
제3비교부(243)는 첫 번째 처리부(100)의 데이터와 세 번째 처리부(100)의 데이터를 비교하여 같지 않으면 '1' 신호를 생성하고, 같으면 '0' 신호를 생성할 수 있다.
제1오류알람부(244)는 제1비교부(241)의 결과와 제3 비교부(243)의 결과가 모두 '1' 이면 제어장치오류신호를 생성할 수 있다.
제2오류알람부(245)는 제1비교부(241)의 결과와 제2비교부(242)의 결과가 모두 '1' 이면 제어장치오류신호를 생성할 수 있다.
제3오류알람부(246)는 제2비교부(242)의 결과와 제3비교부(243)의 결과가 모두 '1' 이면 제어장치오류신호를 생성할 수 있다.
이러한 절차는 제어 장치 및 신호 장치의 오류를 포함한다.
예를 들어, 두 번째 처리부(100)가 오류가 발생하면, 제2오류알람부(245)로부터 제어장치오류신호가 발생되며, 이를 통해 두 번째 처리부(100)에 오류가 발생하였음을 확인 할 수 있다.
다른 예로, 두 번째 처리부(100)가 오류가 발생하였고, 두 번째 감시부(200)의 오류가 발생해서 모든 오류 신호가 뒤바뀌더라도 다른 감시부(첫 번째 감시부 및 세 번째 감시부)에 의해 생성되는 제어장치오류신호에 의해 3세트 중에서 2세트가 동일한 오류 신호를 보여주어 제어장치의 오류 신호를 식별할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치는 FPGA 기반의 3중화 제어 장치의 동작 건전성을 3중화된 감시 장치를 사용하여 간단한 비교 로직만으로 확인할 뿐만 아니라, 제어 장치와 감시 장치간에 신호 격리기를 통해 단 방향으로 데이터를 전송해 감시 장치의 고장이 제어 장치에 영향을 주지 않도록 하였다. 이렇게 Watchdog Timer의 박동신호를 이용한 감시나 제어기능을 모사하는 모사부를 이용한 감시가 아닌 간단한 동기화된 3중화의 감시 장치 기반의 비교 로직을 통해 감시함으로써, 감시 범위를 넓히면서도 복잡한 제어 기능들을 가지는 FPGA 기반 3중화 제어기기의 동작 건전성 유무를 간단하게 확인할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법은 3개의 처리부(100), 3개의 감시부(200) 및 3개의 신호격리기(300)를 포함하며, 상기 처리부(100)는 신호취득부(110), 신호처리부(120) 및 신호송신부(130)를 포함하고, 상기 감시부(200)는 신호수신부(210), 동기화부(220), 데이터공유부(230) 및 결과비교부(240)를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치를 이용한 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법에 있어서, 데이터수집 단계(S10), 데이터전송 단계(S20), 동기화 단계(S30), 데이터공유 단계(S40) 및 결과비교 단계(S50)를 포함한다.
데이터수집 단계(S10)는 상기 신호송신부(130)가 신호처리부(120)에 입력되는 입력데이터 및 상기 신호처리부(120)로부터 중간처리데이터 또는 출력데이터를 수집한다.
이때, 상기 신호송신부(130)는 데이터를 기억할 수 있는 저장수단을 포함하며, 입력데이터, 중간처리데이터 및 출력데이터를 하나의 패킷으로 묶어 매 주기마다 데이터를 전송한다. 이는 하나의 패킷을 기준으로 다른 신호송신부(130)에서 입력받은 데이터와 결과비교부(230)에서 비트별로 단순 비교로 오류를 찾아 입력데이터와 출력데이터를 구분하기 위한 별도의 식별정보를 통한 연산이 불필요함으로써 연산과정을 간략화할 수 있다.
이는, 입력데이터를 근거로 생성된 중간처리데이터 및 출력데이터를 구분하기 위한 별도의 부가 정보를 이용하지 않고도 기본 정보를 효과적으로 수집하기 위함이다.
데이터전송 단계(S20)는 상기 신호송신부(130)가 수집된 데이터를 신호격리기(300)를 거쳐 단방향 통신으로 신호수신부(210)로 전송한다.
다시 말해, 신호격리기(300)에 의한 단방향 통신은 감시부(200)의 오동작에 의해 신호처리부(120)가 영향을 받지 않도록 할 수 있다.
동기화 단계(S30)는 상기 동기화부(220)가 상기 신호수신부(210)로부터 입력되는 데이터의 수신상태를 근거로 각각의 감시부(200)를 동기화 시킨다.
데이터공유 단계(S40)는 상기 동기화 단계(S30)로부터 동기화가 되면, 각각의 상기 데이터공유부(230)가 서로 간의 데이터를 주고 받는다.
결과비교 단계(S50)는 결과비교부(240)가 상기 데이터공유 단계(S40)로부터 공유된 각각의 데이터를 단순 비교하여 결과가 동일하지 않으면 제어장치오류신호를 발생한다.
서로 간에 연계가 없는 병렬처리가 가능한 에프피지에이 기반 제어기기의 경우, 한 블록(연산로직)의 오동작이 다른 블록에 영향을 미치지 않게 된다. 즉, 박동 신호 생성 기능을 담당하는 블록은 다른 블록과 연계가 없기 때문에, 다른 블록들의 오동작으로 제어 장치에 문제가 발생하더라도 정상적인 박동 신호를 생성할 수 있다. 그렇기 때문에 박동 신호 생성 기능만으로는 에프피지에이 기반 제어기기의 동작 건전성을 확인하기 어렵다. 이는, 에프피지에이 기반 제어기기에서는 중앙 처리 장치 기반의 제어기기에서 제어 장치의 건전성을 확인하기 위해 사용하는 박동 신호를 활용한 감시 장치를 동일하게 적용하여, 에프피지에이 내부에 탑재되는 모든 기능들의 건전성을 확인하기에는 불충분함을 의미한다.
이처럼 에프피지에이를 제어 장치로 사용할 경우, 에프피지에이 내부에 들어가는 기능들은 중앙 처리 장치와는 다르게 상호 기능 간에 영향 없이 독립적으로 수행되는 특성을 가질 수 있기 때문에, 박동 신호를 감시하는 방법을 사용해서는 FPGA 기반 제어기기의 동작 건전성 충분히 확인했다고 판단하기는 어렵다.
그렇기 때문에, 에프피지에이 기반 제어기기에 들어가는 신호처리부(120)의 동작 건전성을 감시하기 위해, 제어 장치에 연결되는 감시 장치가 박동 신호가 아닌 제어 장치의 다양한 신호들(입력데이터, 중간처리데이터 및 출력데이터 등)을 취득하고 분석하여, 에프피지에이 기반 제어기기에 내장되는 신호처리부(120)의 동작 건전성을 정확하게 확인하기 위해 각각의 병렬 처리에 대한 검증이 필요하며, 이를 위해 각각의 입력데이터, 중간처리데이터 및 출력데이터를 단순 비교함으로써 에프피지에이 기반 제어기기의 동작 건전성을 확인할 수 있다.
여기서 단순 비교라고 하는 것은 동일 시간대에 발생된 입력데이터는 각각의 처리부(100)로부터 획득한 입력데이터들 간의 비교를 하여 동일한지 동일하지 않은지를 비교하는 것이고, 동일 시간대에 발생된 중간처리데이터는 각각의 처리부(100)로부터 획득한 중간처리데이터들 간의 비교를 하여 동일한지 동일하지 않은지를 비교하는 것이며, 동일 시간대에 발생된 출력데이터는 각각의 처리부(100)로부터 획득한 출력데이터들 간의 비교를 하여 동일한지 동일하지 않은지를 비교하는 것을 말한다. 다시 말해, 동일해야 하는 데이터들 간의 단순비교를 통해 동일하지 않다는 결과가 나온다면 데이터 신뢰성에 문제가 발생했음을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법의 상기 동기화 단계(S30)는 준비신호해지 단계(S31), 리셋신호설정 단계(S32), 수신상태확인 단계(S33), 준비신호설정 단계(S34), 준비신호송수신 단계(S35), 준비신호수신확인 단계(S36) 및 리셋신호해지 단계(S37);를 포함할 수 있다.
준비신호해지 단계(S31)는 상기 동기화부(220)가 준비신호를 해지한다.
준비신호는 동기화 시킬 준비가 되었음을 확인할 수 있는 신호를 말한다.
리셋신호설정 단계(S32)는 상기 동기화부(220)가 상기 데이터공유부(230)의 리셋신호를 설정한다.
리셋신호는 데이터공유부(230)의 데이터 공유를 명령하는 신호를 말한다. 리셋신호가 해지되어야 데이터공유부(230)는 신호수신부(210)와 다른 감시부(200)의 데이터공유부(230)에서 오는 데이터를 저장한다.
즉, 준비신호를 해지하고, 리셋신호를 설정하는 것은 동기화부(220)가 아직 준비신호에 의해 동기화가 이루어지지 않았기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치는 최초 전원이 공급되면 준비신호를 해지하고, 리셋신호를 설성하는 것을 초기값으로 하는 것이 바람직하다.
수신상태확인 단계(S33)는 상기 동기화부(220)가 상기 신호수신부(210)의 데이터 수신상태를 확인한다.
도 11은 준비신호를 이용해 세 개의동기화부(220)가 동기화되는 시점을 보여준다. 동기화가 가능한 상태를 알리는 준비신호는 신호송신부(130)로부터 데이터를 수신 받는 구간에서는 해지되고, 데이터를 수신 받지 않은 즉, 수신 대기 구간에서 설정된다. 세 개의 동기화부(220)가 모두준비신호를 설정하는 구간 즉, 첫 번째 신호수신부, 두 번째 신호수신부, 그리고 세 번째 신호수신부가 전부 수신 대기 구간에서 동기화가 이루어 진다.
즉, 상기 수신상태확인 단계(S33)에서 상기 신호수신부(210)가 데이터를 입력 받는 경우, 상기 준비신호해지 단계(S31)로 가는 것이 바람직하다.
준비신호설정 단계(S34)는 상기 수신상태확인 단계(S33)에서 상기 신호수신부(210)가 데이터를 입력 받지 않는 대기 상태일 경우, 상기 동기화부(220)가 준비신호를 설정한다.
준비신호를 설정하는 것은 현재 신호수신부(210)에 입력되는 데이터가 종료된 시점에서 다음 데이터가 입력되기 전에 동기화를 시켜 다음부터 들어오는 데이터들을 동기화 시킬 필요성이 있기 때문이다.
준비신호송수신 단계(S35)는 상기 동기화부(220)가 상기 준비신호설정 단계(S34)에서 설정된 준비신호를 다른 동기화부(220)들로 송신하고, 다른 동기화부(220)들로부터 준비신호를 수신받는다.
준비신호를 송수신하는 것은 현재 3중화된 감시부(200) 모두 신호수신부(210)에 입력되는 데이터가 있는지 확인하기 위함이다.
준비신호수신확인 단계(S36)는 상기 동기화부(220)가 다른 동기화부(220)들로부터 받은 준비신호가 모두 설정상태임을 확인한다.
3중화된 감시부(200) 모두 동기화부(220)가 준비신호 설정 상태가 아닐 경우, 상기 리셋신호설정 단계(S32)로 되돌아가는 것이 바람직하다.
리셋신호해지 단계(S37)는 상기 준비신호수신확인 단계(S36)에서 상기 동기화부(220)가 다른 동기화부(220)들로부터 수신받은 준비신호가 모두 설정상태일 경우, 상기 동기화부(220)가 리셋신호를 해지한다.
3중화된 감시부(200) 모두 신호수신부(210)에 입력되는 데이터가 있음을 확인하였으면, 리셋신호를 해지하여 데이터공유부(230)의 데이터공유가 진행되도록 한다.
상기 데이터공유 단계(S40)에서 데이터공유부(230)는 리셋 신호가 해지된 시점을 기준으로 신호수신부(210)를 통해서 들어오는 감시가 요구되는 데이터(입력데이터, 중간처리 데이터 및 출력데이터)를 저장하며 동시에 다른 데이터공유부(230)와 데이터를 공유할 수 있다.
각각의 처리부(100)의 감시가 요구되는 데이터가 준비되면, 이후, 상기 결과비교 단계(S50)에서 결과비교부(240)에 비교를 위한 데이터를 전송하고, 결과 비교부(240)는 단순 비교를 통해 제어장치오류신호를 생성할 수 있다.
동기화 작업의 클럭 속도는 처리부(100)가 감시부(200)에 데이터를 전송하는 주기보다 빠르게 동기화 작업을 수행하는 것이 바람직하다.
결론적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치 및 방법은 3중화된 처리부(100)(제어장치)의 데이터들을 종합하여 그 데이터를 단순 비교하는 감시부(200)를 3중화 시킴으로써, 정확하게 어떤 처리부 또는 어떤 감시부에 오류가 발생하였는지 확인이 가능하며, 오류가 발생하더라도 지속적인 감시 및 오류 장치 확인이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 처리부
110: 신호취득부 120: 신호처리부
130: 신호송신부
200: 감시부
210: 신호수신부 220: 동기화부
230: 데이터공유부 240: 결과비교부
241: 제1비교부 242: 제2비교부
243: 제3비교부 244: 제1오류알람부
245: 제2오류알람부 246: 제3오류알람부
250: 외부송수신부
300: 신호격리기
S10: 데이터수집 단계
S20: 데이터전송단계
S30: 동기화 단계
S31: 준비신호해지 단계 S32: 리셋신호설정 단계
S33: 수신상태확인 단계 S34: 준비신호설정 단계
S35: 준비신호송수신 단계 S36: 준비신호수신확인 단계
S37: 리셋신호해지 단계
S40: 데이터공유 단계
S50: 결과비교 단계

Claims (8)

  1. 3 개로 구성되며, 에프피지에이(FPGA: Field-Programmable Gate Array) 기반의 처리부(100);
    3 개로 구성되며, 각각 하나의 상기 처리부(100)와 연결되어 데이터를 입력받는 감시부(200); 및
    3 개로 구성되며, 상기 처리부(100)와 상기 감시부(200) 사이에 각각 구비되어, 상기 처리부(100)로부터 상기 감시부(200)로 단방향 데이터 전송만을 허용하는 신호격리기(300);
    를 포함하되,
    각각의 상기 감시부(200)는 다른 감시부(200)들로부터 처리부(100)의 데이터를 전달받아, 각각의 처리부(100)의 데이터를 단순 비교하여 상기 처리부(100)의 동작 건전성을 감시하는 것을 특징으로 하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리부(100)는
    하나 또는 복수 개로 구성되며, 입력데이터를 처리해 출력데이터를 생성하는 신호처리부(120) 및
    상기 신호격리기(300) 전단에 구비되어, 상기 신호처리부(120)로부터 입력데이터, 중간처리데이터 및 출력데이터 중 선택되는 적어도 어느 하나를 상기 신호격리기(300)를 통해 상기 감시부(200)에 주기적으로전송하는 신호송신부(130)
    를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리부(100)는
    입력데이터를 입력 받아 내부의 데이터 저장소에 저장하는 신호취득부(110)
    하나 또는 복수 개로 구성되며, 입력데이터를 처리해 출력데이터를 생성하는 신호처리부(120) 및
    상기 신호격리기(300) 전단에 구비되어, 상기 신호취득부(110)로부터 입력데이터, 상기 신호처리부(120)로부터 중간처리데이터 또는 출력데이터를 상기 신호격리기(300)를 통해 상기 감시부(200)에 주기적으로 전송하는 신호송신부(130)
    를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감시부(200)는
    상기 신호격리기(300)를 통해 데이터를 수신받는 신호수신부(210)
    상기 신호수신부(210)로부터 입력되는 데이터의 수신상태를 근거로 각각의 감시부(200)를 동기화 시키는 동기화부(220)
    상기 동기화부(220)를 통해 동기화가 되면, 서로 간의 데이터를 주고 받는 데이터공유부(230) 및
    상기 데이터공유부(230)로부터 감시가 요구되는 각각의 데이터를 단순 비교하여 결과가 동일하지 않으면 제어장치오류신호를 발생하는 결과비교부(240)
    를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 감시부(200)는
    상기 신호수신부(210)로부터 데이터를 받아, 제어장치의 상태정보를 요청하는 다른 전자 시스템에 전송하는 외부송수신부(250)
    를 더 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 결과비교부(240)는
    첫 번째 처리부(100)의 데이터와 두 번째 처리부(100)의 데이터를 비교하는 제1비교부(241)
    두 번째 처리부(100)의 데이터와 세 번째 처리부(100)의 데이터를 비교하는 제2비교부(242)
    첫 번째 처리부(100)의 데이터와 세 번째 처리부(100)의 데이터를 비교하는 제3비교부(243)
    제1비교부(241)의 결과와 제3 비교부(243)의 결과를 비교하여 첫 번째 처리부의 오류신호를 생성하는 제1오류알람부(244)
    제1비교부(241)의 결과와 제2비교부(242)의 결과를 비교하여 두 번째 처리부의 오류신호를 생성하는 제2오류알람부(245) 및
    제2비교부(242)의 결과와 제3비교부(243)의 결과를 비교하여 세 번째 처리부의 오류신호를 생성하는 제3오류알람부(246)
    를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치.
  7. 3개의 처리부(100), 3개의 감시부(200) 및 3개의 신호격리기(300)를 포함하며, 상기 처리부(100)는 신호취득부(110), 신호처리부(120) 및 신호송신부(130)를 포함하고, 상기 감시부(200)는 신호수신부(210), 동기화부(220), 데이터공유부(230) 및 결과비교부(240)를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 장치를 이용한 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법에 있어서,
    상기 신호송신부(130)가 신호처리부(120)에 입력되는 입력데이터 및 상기 신호처리부(120)로부터 중간처리데이터 또는 출력데이터를 수집하는 데이터수집 단계(S10)
    상기 신호송신부(130)가 수집된 데이터를 신호격리기(300)를 거쳐 단방향 통신으로 신호수신부(210)로 전송하는 데이터전송 단계(S20)
    상기 동기화부(220)가 상기 신호수신부(210)로부터 입력되는 데이터의 수신상태를 근거로 각각의 감시부(200)를 동기화 시키는 동기화 단계(S30)
    상기 동기화 단계(S30)로부터 동기화가 되면, 각각의 상기 데이터공유부(230)가 서로 간의 데이터를 주고 받는 데이터공유 단계(S40); 및
    결과비교부(240)가 상기 데이터공유 단계(S40)로부터 공유된 각각의 데이터를 단순 비교하여 결과가 동일하지 않으면 제어장치오류신호를 발생하는 결과비교 단계(S50)
    를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동기화 단계(S30)는
    상기 동기화부(220)가 준비신호를 해지 하는 준비신호해지 단계(S31)
    상기 동기화부(220)가 상기 데이터공유부(230)의 리셋신호를 설정하는 리셋신호설정 단계(S32)
    상기 동기화부(220)가 상기 신호수신부(210)의 데이터 수신상태를 확인하는 수신상태확인 단계(S33)
    상기 수신상태확인 단계(S33)에서 상기 신호수신부(210)에 입력되는 데이터가 없을 경우, 상기 동기화부(220)가 준비신호를 설정하는 준비신호설정 단계(S34)
    상기 동기화부(220)가 상기 준비신호설정 단계(S34)에서 설정된 준비신호를 다른 동기화부(220)들로 송신하고, 다른 동기화부(220)들로부터 준비신호를 수신받는 준비신호송수신 단계(S35)
    상기 동기화부(220)가 다른 동기화부(220)들로부터 받은 준비신호가 모두 설정상태임을 확인하는 준비신호수신확인 단계(S36) 및
    상기 준비신호수신확인 단계(S36)에서 상기 동기화부(220)가 다른 동기화부(220)들로부터 수신받은 준비신호가 모두 설정상태일 경우, 상기 동기화부(220)가 리셋신호를 해지하는 리셋신호해지 단계(S37)
    를 포함하는 에프피지에이 기반 3중화 제어 장치의 동작 건전성 감시 방법.
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KR20050083824A (ko) * 2002-12-26 2005-08-26 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 데이터 전송 장치, 데이터 전송 시스템, 및 그 방법
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