프로피버스 규격을 사용한 통신모듈의 안전성 및 신뢰성 분석 = Safety and Reliability Analysis of Communication System that uses PROFIBUS protocol

국문 초록 (Abstract)

한국원자력연구소에서는 원자력 발전 설비의 국산화 및 디지털화를 위한 연구 개발이 진행 중에 있다. 이 중에서 포스콘에서 개발하는 POSAFE-Q는 원자력발전소 안전관련계통에 적용하기 위해 원전 안전등급기준에 따라 새롭게 개발하는 PLC(Programmable Logic Controller)이다. 이 기기는 원전 내부의 정보를 시스템 관리자에게 전달하는 역할을 담당하며, 프로피버스 네트워크를 사용하는 통신 모듈을 가지고 있다. POSAFE-Q의 하드웨어 및 소프트웨어의 설계 확인 및 검증(V&V), 형상관리에 따른 개발 과정과 품질보증(QA)은 10CFR50 요건을 만족해야 한다. 이 기기는 안전 등급 기준에 해당하는 요구조건을 만족하기 위하여 다양한 기능에 대한 검증이 필수적이다.
본 논문에서는 이 기기의 통신 성능에 관한 요구조건을 충족하는 지에 관한 분석을 한다. 원전 설비에 관한 통신 성능에 있어서 중요한 것은 실시간 시스템 성능을 만족하는지 여부와, 데이터 신뢰성, 예측 가능한 오류 발생 가능성 및 오류 발생으로 인한 문제가 전체 시스템에 미치는 영향을 분석하여 이를 대처하기 위한 방안 수립이 필수적이다.
따라서 본 논문에서는 POSAFE-Q에서 사용되는 통신 모듈을 이용하는 스테이션 간 통신에 있어서 통신 주기이내에 데이터 전송 가능성을 분석하고, 전송 지연 발생 요소에 따른 시스템 영향 및 데이터 전송 에러율을 분석한다. 이러한 분석 결과를 통해 통신 모듈에 있어서의 전송 간 신뢰성 및 데이터 안정성을 보장 여부를 확인한다. 그리고 SDL(Specification and Description Language) 툴의 GR를 이용하여 본 논문의 통신 시스템의 동작에 필요한 요구사항을 명세하고 각 동작 과정에 대한 명세를 한 후 동작성을 검증하고 교착상태(Dead Lock)가 없다는 것을 증명함으로써 안전성에 대한 검증을 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper analyzes the field device(POSEFE-Q) that uses profibus protocol. The POSEFE-Q is developed by KAERI(Korea Atomic Energy Research Institute) that is studying about localization and digitalization of the field device in profibus system. In this paper we analyze safety and reliability of that device’s communication modules. So we predict errors or fault processes of this system and advice about the solution.

목차 (Table of Contents)

• 1.0 서론 = 1
• 2.0 안전등급 PLC = 3
• 3.0 프로피버스 네트워크 = 6
• 3.1 공장 자동화 네트워크 = 6
• 3.2 프로피버스 = 8
• 3.3 PROFIBUS 의 매체 액세스 방식 및 전송 규격 = 12
• 3.3.1 전송 절차와 FDL 컨트롤러 = 14
• 3.3.2 토큰 절차 = 14
• 3.3.3 타이머 작동 매개변수 = 15
• 3.3.4 주기 및 시스템 반응 시간 = 21
• 3.3.5 FDL 컨트롤러의 상태 = 22
• 3.4 프레임 구조 = 27
• 3.4.1 데이터 프레임 = 27
• 3.4.2 토큰 프레임 = 29
• 4.0 프로피버스를 사용하는 통신 모듈 = 31
• 4.1 FMS 통신모듈 개요 = 31
• 4.1.1 FMS 통신모듈의 하드웨어 구성 = 32
• 4.1.2 FMS 통신모듈의 소프트웨어 구성 = 34
• 5.0 안전성 및 신뢰성 분석 = 35
• 5.1 시스템 환경 = 35
• 5.1.1 시스템 구성 = 35
• 5.1.2 통신 환경 = 36
• 5.1.3 전송 환경 = 37
• 5.1.4 가정 및 조건 = 38
• 5.2 FMS 통신 모듈의 동작 특성 분석 = 41
• 5.2.1 데이터 전송 시퀀스 = 41
• 5.2.2 FMS 통신 모듈 내부 데이터 시퀀스 = 42
• 5.2.3 스테이션 간 데이터 전송 시퀀스 = 42
• 5.2.4 주기 시간 내 토큰 전송 시퀀스 = 43
• 5.2.5 Scan Time 에 따른 주기 오차 = 44
• 5.3 데이터 전송율 분석 = 45
• 5.3.1 목표 회전 시간 = 45
• 5.3.2 전송 시간 = 45
• 5.3.3 전송 오류 = 47
• 5.3.4 토큰 패킷 오류 발생 시 회복시간 = 49
• 6.0 SDL TOOL을 이용한 정형 명세 = 51
• 6.1 SDL 의 개요 = 51
• 6.2 SDL Tool을 이용한 통신 모듈의 정형 명세 = 51
• 6.2.1 FMS 통신 모듈의 내외부간 메시지박스연계 = 51
• 6.2.2 시그널 정의 = 54
• 6.2.3 공유 메모리 = 57
• 6.2.4 통신운용 S/W의 기능 = 59
• 6.2.5 데이터 송수신 = 60
• 7.0 결론 = 66
• 8.0 참고문헌 = 67