발간 현황

헬륨을 저장탱크로 공급하기 위한 단계를 다음과 같이 구분하였다(Figs. 1-3).

Fig. 1 
Filling initial stage.

Fig. 2 
Filling ready stage.

Fig. 3 
Filling progress stage.

• - 충전 초기단계: 탱크로리로부터 헬륨이 배관에 공급되어 있지 않아 밸브 전단에 설치된 압력센서(PS1; Pressure Switch)가 OFF인 상태
• - 충전 준비단계: 탱크로리에서 헬륨이 배관에 공급되어 밸브 전단에 설치된 압력센서(PS1)가 ON인 상태
• - 충전 진행단계: 밸브가 개방되어 밸브와 헬륨 탱크 사이에 설치된 압력센서(PS2)가 ON인 상태

헬륨 충전을 위한 PLC 프로그램은 다음과 같이 메인 알고리즘과 시뮬레이션 알고리즘으로 구분되고 두 알고리즘은 동시에 운용된다.

메인 알고리즘은 Fig. 4와 같으며, 알고리즘의 주요 입력과 출력은 다음과 같다.

Fig. 4 
Main algorithm.

• - 입력: 충전시작 버튼, 압력센서 PS1, PS2, 밸브 제어명령(개방/차단)
• - 출력: 밸브 상태정보(개방/차단), 정상 충전 메시지, 비정상 충전 메시지(MSG)

메인 알고리즘은 다음과 같이 동작한다.

• - “충전시작” 버튼을 누르고 3초 후 밸브 전단 압력센서 PS1의 상태를 확인한다.
• - 만약 PS1이 OFF인 충전 초기단계이면 “충전 시작” 버튼의 대기 상태로 분기하며,
• - PS1이 ON인 충전 준비단계이면 밸브를 구동하여 헬륨이 공급되도록 한다.
• - 밸브가 열리고 5초 후 압력센서 PS2가 ON인 충전 진행단계이면 “정상 충전”이라는 메시지를 모니터 상에 출력하고, 300초 후 밸브를 닫고 종료한다.
• - 만일 PS2가 OFF로 충전 진행단계가 아니면 “비정상 충전”이라는 메시지를 출력 후 밸브를 닫고 종료한다.

시뮬레이션 알고리즘은 Fig. 5와 같고 다음과 같이 동작한다.

Fig. 5 
Simulation algorithm.

• - 메인 알고리즘 충전시작 버튼이 눌리면 시뮬레이션 알고리즘은 이를 감지하고, 먼저 PS1을 ON으로 설정한다.
• - 메인 알고리즘은 PS1이 ON인 경우이므로 Valve1을 개방한다.
• - 시뮬레이션 알고리즘은 Valve1의 개방 상태를 확인 후 PS2를 ON으로 설정한다.
• - 메인 알고리즘은 “정상 충전 “메시지 출력 후 300초 후에 밸브를 닫는다.

메인 알고리즘은 시뮬레이션 알고리즘 설정 값에 반응하여 동작하므로, 메인 알고리즘 구동 시 시뮬레이션 알고리즘의 설정 값을 변경하면 메인 알고리즘의 흐름을 유도하고 검증할 수 있다.

발사관제시스템에 구현된 PLC 프로그램들은 Fig. 6과 같이 메인 알고리즘과 시뮬레이션 알고리즘이 혼합된 형태로 구현된다. 별도의 시뮬레이션 장비 없이 운용자 콘솔에서 시뮬레이션 값 입력을 통한 알고리즘 검증은 편리성과 오류의 즉각적인 검출에 용이하나 장시간의 반복적 검증시험 과정과 작업자의 피로 누적 등으로 다양한 작업 오류가 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 스크립트 기반의 시험 절차서 작성과 스크립트 시뮬레이션 명령에 따른 예측 값을 라인 단위로 검증하는 시뮬레이션 입출력 자동화 검증 방법을 3.2절에서 제안한다.

Fig. 6 
Operation algorithm of PLC program.

Fig. 7의 알고리즘 검증은 알고리즘 흐름을 좌우하는 압력센서 PS1과 PS2의 상태 정보를 강제 ON/OFF 모사 후 알고리즘 진행 상태를 확인하는 방법이다. 주요 시험 케이스는 압력센서 PS의 판단문의 조건에 따라 4개의 경우로 구분되며, Table 1의 시험 조건과 절차로 정리된다.

Fig. 7 
Main algorithm of helium filling.

Table 1에 작성한 시험 절차는 시험 절차서 편집기를 이용해 Fig. 8과 같은 스크립트 기반의 시험절차서로 변환한다. Fig. 8은 Table 1의 시험 항목 4번을 스크립트 기반의 시험 절차서로 기술한 것이다.

Fig. 8 
Automated test sequence.

Fig. 8과 같이 작성된 스크립트 시험 절차서는 다음과 같은 명령으로 라인 단위의 명령과 검증이 자동 수행된다.

• - START/END 명령(2, 12번 라인): 시험의 시작과 종료 시간을 기록하는 명령
• - PPULSE* 명령(3번 라인): “충전시작”을 알리는 변수의 상태를 ON으로 1초 활성화 후 OFF로 변경하는 명령 * Positive Pulse
• - SLFON/SLFOFF** 명령(4, 9번 라인): 디스크릿 센서 신호를 강제 ON/OFF 상태로 만듦.** Signal Locking Force ON/OFF
• - VERIFY 명령(5, 7, 10, 11번 라인): 센서, 밸브 또는 내부 메시지(MSG) 변수의 상태 값이 ON/OFF, OPEN/CLOSE, “정상/비정상 충전” 상태인지를 검증해 주는 명령
• - TIMEDELAY 명령(6, 8번 라인): 초 단위의 대기 명령

중요한 점은 라인 단위로 명령과 검증이 수행되는 과정에 제어기에 탑재된 프로그램도 같이 동작하게 되며, VERIFY 명령이 사용된 라인에서 PASS or FAIL을 판별하게 된다. VERIFY 라인에서 FAIL이 발생하게 되면 시험 절차서는 대기 상태로 머무르게 되고, 개발자는 FAIL의 원인을 찾는 디버깅 과정을 수행해야 한다. 디버깅을 통해 프로그램 수정이 완료되면 기 작성된 시험 절차를 반복 수행한다. 검증은 이러한 과정을 반복적으로 수행하며 절차서의 마지막 라인까지 수행이 완료되면 검증이 완료된 것으로 판단한다.

한국형발사체 발사대 고압가스 공급설비는 총 16개의 자동 패널과 45개의 수동 패널로 구성되며, 저장용 가스 용기로부터 고압의 공기, 질소, 헬륨 가스를 각 시스템별 사용 압력으로 감압 후 발사대 설비와 우주발사체에 공급하는 기능을 담당한다.

한국형발사체 발사대 전자식 유공압 설비는 총 12개 자동 패널로 구성되며, 고압가스 공급설비로부터 감압된 가스를 공급받아 발사체의 밸브 구동, 배관/엔진/밸브 퍼지, 탱크 가압, 헬륨 충전 등의 용도로 사용을 위한 공급 기능을 담당한다.

Fig. 9는 초저온 헬륨(Cryogenic Helium)과 고압의 상온 헬륨(Gas Helium)을 22 MPa의 압력으로 발사체에 공급하는 고압가스 공급패널(Compressed Gases Supply Panel)과 전자식 유공압패널(Electro Pneumatic Panel)의 연계 구조와 동작 개념의 예를 보여준다.

Fig. 9 
Flow diagram of helium filling to KSLV-II.

고압가스 공급 패널은 배관과 밸브 그리고 압력센서가 좌⋅우 이중화 구조로 구성되어 있다. 패널 입구에 설치된 PS1은 고압의 압력 공급의 유무를 감지하며, 출구에 설치된 PS6, PS7은 감압된 압력의 공급 상태를 감지한다. PS2∼PS5는 감압된 압력이 예상보다 높을 때 안전밸브가 작동하여 감지되는 안전센서로 좌측(PV1, 2, 5) 또는 우측(PV3, 4, 6) 배관의 밸브를 긴급히 닫기 위한 용도로 사용된다.

고압의 상온 헬륨은 액체질소가 충전된 열교환기(Heat Exchanger)를 통해 90∼120 K의 저온 헬륨으로 전환되며, 최종적으로 DSU(Delivery Supply Unit) 패널의 밸브를 개방하여 발사체에 초저온 헬륨 탱크 충전을 수행한다.

고압가스 공급 패널로부터 헬륨 가스를 공급 받는 전자식 유공압 패널은 배관 및 밸브가 병렬식 이중화 구조로 되어 있고, 밸브의 전단과 후단의 압력을 감지하는 센서(PS)가 부착되어 있다. 패널은 가스 공급과 중지 명령에 따라 EV11∼EV14 밸브를 개⋅폐하여 고압의 헬륨가스를 공급 또는 중지하는 기능을 수행하며, 해압 명령 수신 후 EV15, EV16 밸브를 개방하여 가스헬륨 배출을 수행한다.

대부분의 고압가스 공급 패널과 전자식 유공압 패널은 Fig. 9에서 제시된 구성, 기능 그리고 동작 개념이 유사하다.

본 절에서는 고압가스 공급설비와 전자식 유공압패널설비에 대한 제어알고리즘 검증 시험결과를 제시한다.

두 설비에 대한 스크립트 시험절차서는 총 268개로 구성하고, 자동화 검증시스템을 적용하여 제어시스템에 탑재되어 있는 알고리즘 검증을 공장수락시험(FAT: Factory Acceptance Test)과 현장수락시험(SAT: Site Acceptance Test) 기간에 진행하였다. 검증시험은 각 패널별로 다음의 항목을 측정하여 결과에 대한 비교/분석을 수행하였다.

• - 전체 시험시간(TMT: Test Measurement Time)
• - 시험절차서 구동시간(RTTS: Run Time of Test Sequence)
• - 작업자 조작시간(OMT: Operator Manipulation Time)
• - 전체 시험시간(TMT) = 시험절차서 구동시간(RTTS) + 작업자 조작시간(OMT)

Table 2는 고압가스 공급 패널에 대한 시험 측정 결과이다.

고압가스 공급 패널은 제어알고리즘 검증에 패널 1개당 11∼14개의 스크립트 시험 절차서로 구성된다. 패널 전체 수량에 사용된 시험절차서는 총 182개이다.

공장수락시험(FAT)에서 측정한 고압가스 공급 패널 1개당 TMT는 평균 34분으로 측정되었다. TMT 시간은 제어알고리즘 검증의 시작 선언부터 종료 선언까지 걸린 시간을 나타낸다. 이 시간은 작업자의 시험 준비시간, 시험절차서 구동시간(RTTS), 시험 결과저장과 예측 불가한 알고리즘 디버깅 등의 시간들이 포함되어 있다.

ADR8C1, HDR65C01, NDR25C01의 TMT 시간이 다른 패널에 비해 크다. 그 이유는 알고리즘 오류에 따른 디버깅 시간이 추가되었기 때문이다.

알고리즘 오류가 없는 경우 프로그램 개발자가 시험 절차서에 따라 시뮬레이션을 설정하고, 결과 값과 예측 값을 비교 검증하는 시험절차를 수작업으로 수행하는데 패널 1개당 약 60분 정도의 RTTS 시간이 소요되며, 이는 작업자의 숙련도에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 하지만, Table 2에 제시된 RTTS는 평균 약 12분으로 스크립트 시험절차서와 자동화 검증시스템을 활용하여 패널 1개당 약 48분의 단축 효과를 보였다.

OMT는 디버깅 등을 포함한 작업자의 매뉴얼 조작이 얼마나 있었는지를 보여준다. 공장수락시험(FAT)에서 OMT 시간이 불규칙하게 나타나는 이유는 개발자의 초기 검증시험에 대한 시행착오가 반영된 것이다.

현장수락시험(SAT)에서는 FAT에서 1차 검증이 완료된 알고리즘을 재시험 하는 경우로 패널 TMT 시간이 평균 약 34분에서 20분으로 OMT가 21분에서 8분으로 감소됨을 확인하였다. TMT나 OMT의 감소 원인은 작업자의 숙련도 상승과 알고리즘 오류로 인한 디버깅 시간 등의 요인이 제외되었기 때문으로 볼 수 있다. RTTS는 FAT에서 사용된 스크립트 시험절차서를 동일하게 SAT에 적용하여 큰 차이가 없음을 확인하였다.

Table 3은 전자식 유공압 패널에 대한 시험 측정 결과이다.

전자식 유공압 패널은 제어 알고리즘 검증에 패널 1개당 6∼8개의 시험 항목과 스크립트 시험절차서로 구성되었으며, 패널 전체 수량에 사용된 시험절차서는 총 86개이다.

전자식 유공압 패널의 Type은 5가지 유형으로 Table 3과 같이 구분된다.

전자식 유공압 패널 시험 역시 TMT는 전체적으로 SAT보다 FAT에서 큰 값을 보인다. 그 이유는 1차 검증 과정인 FAT에서 알고리즘 오류와 운용 화면의 수정사항이 다수 발생하였고, 작업자의 시험 경험 부족과 초기 시험에 따른 시행착오가 역시 많이 발생했기 때문이다.

RTTS는 몇 개의 패널을 제외한 대부분의 패널이 FAT나 SAT에서 모두 유사한 측정 시간을 보이며, 1EPP3, 1EPP4, 1EPP5 등은 약간의 시간 차이를 보인다. 이는 디버깅을 위해 스크립트 시험절차서가 구동 중 일시 정지의 상태에 머물러 있었기 때문이다.

프로그램 개발자의 수작업에 의한 RTTS는 패널 1개당 약 150분이 소요된다. 본 논문에서 스크립트 시험절차서와 자동화 검증시스템을 활용한 RTTS는 평균 49(FAT)과 46(SAT) 분으로 패널 1개당 약 100분의 단축 효과를 보였다.

OMT의 경우 SAT에서 많은 시간 절약을 보인다. 그 이유는 역시 FAT를 통해 시험 준비와 방법에 대한 경험 습득과 작업자의 숙련도 그리고 알고리즘 동작에 대한 이해도가 축적되어 작업자의 매뉴얼 조작이 많이 개선되었고, 알고리즘에 오류가 많이 제거되었기 때문이다.

본 논문의 시험 결과로 스크립트 시험절차서와 자동화 검증시스템을 활용하여 작업 오류와 시험절차서 구동시간(RTTS)을 단축하였고, 결과적으로 전체 시험시간(TMT)을 효과적으로 단축함을 확인하였다. 만약, 자동화 시험절차서 대신 수작업에 기반 한 시험이 수행되었다면 작업자의 컨디션 또는 작업오류에 따라 RTTS가 매우 불규칙하게 변동되어 TMT의 지연 요인으로 작용되었을 것이다.