Design engineering process for field programmable gate array (FPGA)-based reactor trip functions are developed in this work. The process discussed in this work is based on the systems engineering approach. The overall design process is effectively implemented by combining with design and implementation processes. It transforms its overall development process from traditional V-model to Y-model. This approach gives the benefit of concurrent engineering of design work with software implementation. As a result, it reduces development time and effort. The design engineering process consisted of five activities, which are performed and discussed: needs/systems analysis; requirement analysis; functional analysis; design synthesis; and design verification and validation. Those activities are used to develop FPGA-based reactor bistable trip functions that trigger reactor trip when the process input value exceeds the setpoint. To implement design synthesis effectively, a model-based design technique is implied. The finite-state machine with data path structural modeling technique together with very high speed integrated circuit hardware description language and the Aldec Active-HDL tool are used to design, model, and verify the reactor bistable trip functions for nuclear power plants.
Advanced reactors, such as Small Modular Reactors or existing Nuclear Power Plants, often use Field Programmable Gate Array (FPGA) based controllers in new Instrumentation and Control (I&C) system architectures or as an alternative to existing analog-based I&C systems. Compared to CPU-based Programmable Logic Controllers (PLCs), FPGAs offer better overall performance. However, programming functions on FPGAs can be challenging due to the requirement for a hardware description language that does not explicitly support the operation of real numbers. This study aims to implement the Reactor Trip (RT) functions of the existing analog-based Reactor Protection System (RPS) using FPGAs. The RT equations for Overtemperature delta Temperature and Overpower delta Temperature involve dynamic compensators expressed with the Laplace transform variable, 's', which is not directly supported by FPGAs. To address this issue, the trip equations with the Laplace variable in the continuous-time domain are transformed to the discrete-time domain using the Z-transform. Additionally, a new operation based on a relative value for the equation range is introduced for the handling of real numbers in the RT functions. The proposed approach can be utilized for upgrading the existing analog-based RPS as well as digitalizing control systems in advanced reactor systems.
In this paper, the contribution of task types and error types involved in the human-related unplanned reactor trip events that have occurred between 1986 and 2006 in Korean nuclear power plants are analysed in order to establish a strategy for reducing the human-related unplanned reactor trips. Classification systems for the task types, error modes, and cognitive functions are developed or adopted from the currently available taxonomies, and the relevant information is extracted from the event reports or judged on the basis of an event description. According to the analyses from this study, the contributions of the task types are as follows: corrective maintenance (25.7%), planned maintenance (22.8%), planned operation (19.8%), periodic preventive maintenance (14.9%), response to a transient (9.9%), and design/manufacturing/installation (6.9%). According to the analysis of the error modes, error modes such as control failure (22.2%), wrong object (18.5%), omission (14.8%), wrong action (11.1 %), and inadequate (8.3%) take up about 75% of the total unplanned trip events. The analysis of the cognitive functions involved in the events indicated that the planning function had the highest contribution (46.7%) to the human actions leading to unplanned reactor trips. This analysis concludes that in order to significantly reduce human-induced or human-related unplanned reactor trips, an aide system (in support of maintenance personnel) for evaluating possible (negative) impacts of planned actions or erroneous actions as well as an appropriate human error prediction technique, should be developed.
The Emergency Core Cooling System in current nuclear power plants typically has a considerable number of complex functions and largely cumbersome operator interfaces. Functions for initiation, switch-over between various phases of operation, interlocks, monitoring, and alarming are usually performed by relays and analog comparator logic which are difficult to maintain and test. To improve problems of an analog based ECC (Emergency Core Cooling) System, the trip computer for ECCS based on Dynamic Safety System (DSS) is implemented. The DSS is a computer based reactor protection system that has fail-safe nature and performs a dynamic self-testing. The most important feature of the DSS is the introduction of test signal that send the system into a tripped state. The test signals are interleaved with the plant signals to produce an output which switches between a tripped and health state. The dynamic operation is a key feature of the failsafe design of the system. In this work, a possible implementation of the DSS using PLC is presented for a CANDU Reactor. ECC System of the CANDU Reactor is selected as the reference system.
The majority of instrumentation and control (I&C) systems in today's nuclear power plants (NPPs) are based on analog technology. Thus, most existing I&C systems now face obsolescence problems. Existing NPPs have difficulty in repairing and replacing devices and boards during maintenance because manufacturers no longer produce the analog devices and boards used in the implemented I&C systems. Therefore, existing NPPs are replacing the obsolete analog I&C systems with advanced digital systems. New NPPs are also adopting digital I&C systems because the economic efficiencies and usability of the systems are higher than the analog I&C systems. Digital I&C systems are based on two technologies: a microprocessor based system in which software programs manage the required functions and a programmable logic device (PLD) based system in which programmable logic devices, such as field programmable gate arrays, manage the required functions. PLD based systems provide higher levels of performance compared with microprocessor based systems because PLD systems can process the data in parallel while microprocessor based systems process the data sequentially. In this research, a bistable trip logic in a reactor protection system (RPS) was developed using very high speed integrated circuits hardware description language (VHDL), which is a hardware description language used in electronic design to describe the behavior of the digital system. Functional verifications were also performed in order to verify that the bistable trip logic was designed correctly and satisfied the required specifications. For the functional verification, a random testing technique was adopted to generate test inputs for the bistable trip logic.
Park, Joo-Hyun;Lee, Dong-Young;Lee, Seong-Jin;Song, Deok-Yong
Proceedings of the KIEE Conference
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2005.05a
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pp.84-86
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2005
The digital systems such as PLC or DCS have been applied to non-safety systems of nuclear power plants because of many difficulties in using analog systems. Nowadays, digital systems have been applied to safety systems of the plants such as reactor protection system. One of the main advantages of digital systems is applicability of automatic testing methods to the systems. The protection system requires high-reliability and high-availability because it shall minimize the propagation of abnormal or accident conditions of nuclear power plants. The calculation of reliability and availability of systems depends on the maintenance period of the system. In general, the maintenance period of the protection system is one-month in case of the manual test. However, the cycle of test can be shortened in several hours by using automatic periodic testing. The reliability and availability of the system is better when test period is shortened because the reliability and availability is inverse proportion to the test period. In this research, we developed the automatic periodic testing method for KNICS Reactor Protection System, which can test the system automatically without an operator or a tester. The automatic testing contained all functions of reaction protection systems from analog-to-digital conversion function of the bistable Processor to the coincident trip function of the coincident processor. By applying the automatic periodic testing to reaction system, the maintenance cost can be cut down and the reliability can be increased.
A method for estimating software reliability for nuclear safety software is proposed in this paper. This method is based on the software reliability growth model (SRGM), where the behavior of software failure is assumed to follow a non-homogeneous Poisson process. Two types of modeling schemes based on a particular underlying method are proposed in order to more precisely estimate and predict the number of software defects based on very rare software failure data. The Bayesian statistical inference is employed to estimate the model parameters by incorporating software test cases as a covariate into the model. It was identified that these models are capable of reasonably estimating the remaining number of software defects which directly affects the reactor trip functions. The software reliability might be estimated from these modeling equations, and one approach of obtaining software reliability value is proposed in this paper.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.49
no.9
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pp.279-286
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2012
Recently, design of Universal Soft Controller(USC) has been applied to the advanced control room for nuclear power plant. USC is software-based manual control means to control safety components as well as non-safety components in the highly-integrated control room. Therefore, design feature of USC is essential for the implementation of a single workstation in the advanced control room. The traditional control room is replaced by computer-driven consolidated operator interfaces. Considering our design has further reduced the probability of USC spurious signals by requiring two distinct operator control actions to generate any control signal. The reality of USC does not increase the probability of reactor trip because the probability of spurious USC signal is negligible. Universal Soft Control represents a significant evolution in nuclear I&C/HSI System. USC integrates the indicators and controls from multiple divisions into a single integrated visual display unit(VDU) based HSI(Human System Interface). In order to prevent adverse influence on safety function performance from USC failure, ESFAS signals are applied to safety components or functions. In addition, safety manual switches have priority over USC's signals. Therefore, spurious USC signals can be momentarily blocked by selecting a soft control command from the safety VDU.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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