전자부품으로 구성된 제어기의 선뢰성에 대한 연구는 미국방부를 중심으로 1960년대부터 연구되었으며, 철도분야에서는 유럽을 중심으로 1990년대부터 연구되었다. 특히 한국에서는 2000년대 이후부터 신호설비 신뢰성에 대한 연구가 시작되어 과거 신뢰성정보가 없는 노후신호설비를 대상으로 하는 효율적인 유지보수를 위한 신뢰도 평가가 요구되고 있다. 본 논문에서는 부품단위 고장률 또는 운영시 발생된 고장정보와 같이 신호장치의 신뢰성이 지속적으로 감시 및 분석되지 않고 25년 이상 사용된, 노후신호장치를 대상으로 부품단위 신뢰도를 평가하고, 잔존수명함수를 사용하여 현재시점에서의 신뢰도변화를 예측하였으며, 연장사용이 요구되는 기간에 대한 가속스트레스시험을 통해 연장사용의 가능성을 평가하는 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 노후신호설비를 운영하는 철도운영기관이 미래의 유지보수정책을 수립하기 위해 활용될 것이다.
전자부품으로 구성된 제어기의 선뢰성에 대한 연구는 미국방부를 중심으로 1960년대부터 연구되었으며, 철도분야에서는 유럽을 중심으로 1990년대부터 연구되었다. 특히 한국에서는 2000년대 이후부터 신호설비 신뢰성에 대한 연구가 시작되어 과거 신뢰성정보가 없는 노후신호설비를 대상으로 하는 효율적인 유지보수를 위한 신뢰도 평가가 요구되고 있다. 본 논문에서는 부품단위 고장률 또는 운영시 발생된 고장정보와 같이 신호장치의 신뢰성이 지속적으로 감시 및 분석되지 않고 25년 이상 사용된, 노후신호장치를 대상으로 부품단위 신뢰도를 평가하고, 잔존수명함수를 사용하여 현재시점에서의 신뢰도변화를 예측하였으며, 연장사용이 요구되는 기간에 대한 가속스트레스시험을 통해 연장사용의 가능성을 평가하는 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 노후신호설비를 운영하는 철도운영기관이 미래의 유지보수정책을 수립하기 위해 활용될 것이다.
The reliability of control system composed of electronic parts has been studied by DoD since 1960, and has been undertaken mainly by Europe for railways. Especially in Korea, a study on reliability of signalling equipment has been taken since 2000, requiring reliability test for effective maintenanc...
The reliability of control system composed of electronic parts has been studied by DoD since 1960, and has been undertaken mainly by Europe for railways. Especially in Korea, a study on reliability of signalling equipment has been taken since 2000, requiring reliability test for effective maintenance of old type signalling equipment which no longer has information on its past reliability. This study evaluates the reliability test in units of parts for old type signalling equipment; for instance, failure rate in units of parts, or failure data during operation; which was utilized without its consistent reliability monitoring and analysis data for over 20 years. Also, reliability change at this point in time has been estimated by using residual life span function, and a model which can evaluate the possibility of extended operation through stress acceleration test has been developed. This model will be utilized to establish future maintenance policy for train operating company's operation on old type signalling equipment.
The reliability of control system composed of electronic parts has been studied by DoD since 1960, and has been undertaken mainly by Europe for railways. Especially in Korea, a study on reliability of signalling equipment has been taken since 2000, requiring reliability test for effective maintenance of old type signalling equipment which no longer has information on its past reliability. This study evaluates the reliability test in units of parts for old type signalling equipment; for instance, failure rate in units of parts, or failure data during operation; which was utilized without its consistent reliability monitoring and analysis data for over 20 years. Also, reliability change at this point in time has been estimated by using residual life span function, and a model which can evaluate the possibility of extended operation through stress acceleration test has been developed. This model will be utilized to establish future maintenance policy for train operating company's operation on old type signalling equipment.
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문제 정의
본 논문에서는 부품단위 고장률 또는 운영시 발생된 고장정보와 같이 신호장치의 신뢰성이 지속적으로 모니터링 및 분석되지 않고 25년 이상 사용된, 노후신호장치를 대상으로 잔존수명을 평가하기 위한 모델을 개발하였으며, 개발된 모델을 서울메트로 2호선 ATS장치에 적용하여 25년 이상 사용된 현재의 잔존수명을 평가하고, 개량을 위해 요구되는 연장사용기간인 향후 3년간의 무고장 여부를 가속 수명시험을 통해 입증하였다.
본 논문은 노후된 ATS차상장치(서울메트로 2호선)의 잔존수명을 평가하고, 연장사용기간 동안의 무고장 입증을 위한 절차개발에 관한 연구이다. 전자부품으로 구성된 신호 설비의 고장률은 운영환경 및 조건에 따라 변경되므로 초기 설치시에 평가된 고장률의 변화 추이는 지속적인 모니터 링을 통해 예방유지보수 및 교체주기가 주기 적으로 재조정되어야 한다.
본 논문은 노후신호장치에 대한 잔존수명을 평가하고, 평가결과를 바탕으로 무고장 연장사용의 가능여부에 대한 평가모델을 개발하였다. 또한 개발된 모델을 약 25년 동안 운영된 서울메트로 2호선 구형ATS차상장치에 적용하였다.
본 논문의 분석대상인 서울매트로 2호선 구형 ATS 차상 장치의 경우 잔존수명을 평가를 위한 운영기관의 폐기기준이 정의되지 않았으므로, 현재 상태에서 구형 ATS차상장치의 3년 연장사용의 가능여부를 확인하도록 모델을 설계하였다.
6과 같이 대형온도챔버 및 정상동작상태 조성과 감시를 수행하는 시험 지그를 사용하여 실시하였다. 신뢰성시험의 목적은 65℃ 환경에서 1, 715시간 동안 피시험체가 정상동작을 유지하는 것에 대한 확인으로써, 시험수행을 통해 연장사용기간 3년 동안 고장발생 없는 운영을 70% 범위 내에서 입증하였다.
가설 설정
전자부품의 고장률변화에서 유아기와 노화기를 제외한 안정기에서는 고장률을 일정한 상수형태로 가정하여 시스템 MTBF를 계산한다. 따라서 안정기의 시스템을 사용하기 위해 시운전 및 Bum-In 시험 등을 통해 유아기 고장률을 제거하고, 누적고장정보를 관리하여 노화기 이전에 장치를 교체하는 것이 신뢰성기반 유지보수의 기본 개념이다[5].
제안 방법
Fig. 1의 1단계에서 구성된 절차에 따라 구형 ATS 차상 장치의 잔존수명평가는 부품단위 고장률을 MILHDBK-217FN2 을 기준으로 예츼3]하고, 예측된 MIBF를 바탕으로 잔존수명을 계산하여 현재상태의 수명을 추정한 후 연장사용시간 3년에 대한 무고장시험을 실시하여 그 사용가능성을 확인하였다. 구형ATS차상장치 운영 및 고장정보는 Table 1과 같다.
구형ATS차상장치의 신뢰성시험(가속스트레스시험)은 2 대의 피시험체(약25년간 운영된 장치)를 Fig. 6과 같이 대형온도챔버 및 정상동작상태 조성과 감시를 수행하는 시험 지그를 사용하여 실시하였다. 신뢰성시험의 목적은 65℃ 환경에서 1, 715시간 동안 피시험체가 정상동작을 유지하는 것에 대한 확인으로써, 시험수행을 통해 연장사용기간 3년 동안 고장발생 없는 운영을 70% 범위 내에서 입증하였다.
따라서 구형ATS차상장치의 구성요소 중 Power Stress Factor가 고려되어야 하는 구성요소인 HSG, RCVR_OSC, RCVR_SA25, RCVR_SA45, RCVR_SA-F, RCVR_SA-M, RCVR_SA-O, SC_AMP-4M에 대해서는 PCB의 회로도를 작성하고 부하시뮬레이션을 수행하여 Power Stress Factor를 위한 예측과정의 건전성을 확보하였다.
누적고장정보는 실제 운영되는 구형ATS차상장치의 고장발생 현황을 분석하여 현재 및 미래에 대한 고장발생 유형을 고장확률밀도함수(PDF)와 잔존수명함수로 평가하기 위해 반드시 필요한 정보이다. 따라서 본 논문에서는 미국 신뢰성센터(RAC)가 발행한 217 Plus를 기준으로 전자제어기의 일반적 고장패턴으로 반영하여 구형 ATS 차상 장치의 고장발생유형을 정의하였다.
2호선에서는 구형ATS차상장치의 누적고장정보를 관리하고 있지 않으며, 잔존수명 평가에 기준이 되는 장치폐기에 대한 신뢰성기준도 정량적으로 제시하고 있지 않다. 따라서 구형ATS차상장치의 잔존수명은 구형ATS차상장치와 동일한 응용분야 장치들의 고장정보를 RAC에서 발행한 217plus의 일반적 고장정보를 기준으로 해석하여 향후 고장률 변화를 추정하였다.
본 논문에서 제시하는 잔존수명평가 모델은 운영 기간 동안 발생된 고장정보를 포함하는 신뢰성정보가 존재하지 않는 상태에서 노후신호장치를 부품수준으로 분석하여 장치의 고장률 및 MTBF(Mean Time Between Failure)를 예측하고, 운영환경에서 발생되는 전자장비의 고장패턴을 적용하여 잔존수명을 계산한 후, 향후 3년간 무고장으로 시스템을 연장 사용하는 것에 대한 확인을 신뢰성시험 수행을 통해 입증하는 Fig. 1과 같은 모델이다.
미국국방부의 MIL-HDBK-217FN2에서는 전자부품 종류에 따라 Table 3과 갗이 각각의 고장률예측을 위한 방정식을 제시하고 있다. 본 논문에서는 MIL-HDBK-217FN2 등을 근거로 전자부품의 고장률을 예측하는 상용소프트웨어인 Relek7.7 프로그램을 사용하여 고장률을 예측하고 Fig. 2와 같이 신뢰성블럭다이어그램을 통해 전체장치의 신뢰도를 예측하었다.
상온과 비교하여 피시험체가 가속스트레스시험 동안 노출되는 온도가 높을수록 가속계수가 커지지만 사용된 부품의 허용온도를 초과하게 되면 정상동작을 보증하는 범위를 벗어나므로 구형 ATS 차상장치의 신뢰성 시험에서는 65℃ 의 시험환경을 선택하였다(일반적인 전자부품의 허용 온도는 70℃ 이다).
시험시간 13, 140시간은 운영조건이 1일 12시간을 기준으로 하지만, 운영조건이 지속적으로 증가추세에 있고, 향후 3년 동안의 운영조건 변화를 예측하기 어려우므로, 신뢰성시험은 최대가혹조건(Duration 1)을 반영하여 3년에 해당하는 26,280시간을 기준으로 실시하였다.
신뢰성정보가 존재하지 않는 구형ATS차상장치의 신뢰도를 MIL-HDBK-217FN2를 기준으로 1일 12시간 사용(Duration 0.5), 25℃, GB환경 조건에서 예측하였으며, 잔존수명을 계산하기 위해 필요한 장치의 누적정보는 RAC의 217 Plus의 유사장치 고장패턴을 적용하여 신뢰도 Zero까지의 남은 시간을 추정하여, 현시점에서 신뢰도 Zero까지의 고장밀도함수를 근거로 3년간의 무고장 연장사용이 가능한 것으로 평가하였다. 이러한 결론을 검증하기 위해 가속 스트레스에 의한 신뢰성 시험을 실시하였다.
5), 25℃, GB환경 조건에서 예측하였으며, 잔존수명을 계산하기 위해 필요한 장치의 누적정보는 RAC의 217 Plus의 유사장치 고장패턴을 적용하여 신뢰도 Zero까지의 남은 시간을 추정하여, 현시점에서 신뢰도 Zero까지의 고장밀도함수를 근거로 3년간의 무고장 연장사용이 가능한 것으로 평가하였다. 이러한 결론을 검증하기 위해 가속 스트레스에 의한 신뢰성 시험을 실시하였다. 217 Plus의 고장패턴을 적용한 이유는 운영기간동안 발생된 고장정보의 체계적 관리가 이루어지지 않았기 때문이며 유사 고장패턴 적용으로 인한 결과의 오차를 감소시키기 위해서는 하부구성요소단위 장치 고장정보의 수집 및 분석활동이 지속적으로 수행되어야 한다.
이러한 추정을 검증하기 위해서 신뢰성시험을 통해 연장사용기간(3년)의 무고장 시험[기을 실시하였다.
이러한 부품고장별 영향분석을 위해 MTBF와 MTBSF 관련 고장률을 분류하는 작업이 FMEA이다. 하지만 구형 ATS차상장치의 경우 부품단위 FMeA의 실시가 불가능(부품 고장에 대한 FMEA보고서가 없고, 생산시기가 오래되어 설계에 참여한 인력의 인터뷰를 진행할 수 없음)하므로 구형 ATS 차상 장치의 신뢰성은 보수적 데이터분석을 위해 MTBF를 수명평가의 기준으로 사용하였다.
대상 데이터
구형 ATS 차상 장치는 Table 2와 같이 총 11장의 PCB 및 하부장치로 구성되어 있으며, 하드웨어 여분이 없는 단일구조로 구성되어 있다. Table 2와 같이 구성된 구형 ATS 차상 장치의 MTBF를 예측하기 위해서는 구성요소단위 고장률을 예측하여 전체시스템의 고장률 및 MTBF를 예측해야 한다.
개발하였다. 또한 개발된 모델을 약 25년 동안 운영된 서울메트로 2호선 구형ATS차상장치에 적용하였다.
성능/효과
구형AST차상장치를 구성하는 11개 하부구성요소의 부품 915개에 대한 고장률은 전자부품 신뢰도예측을 위한 미국방 지침인 MIL-HDBK-217FN2를 기준으로 1일 사용시간 평균을 12시간(1일 운행시간 10~12시간, 최대 15시간, 서울메트로 재공)으로 정의하는 경우, 25℃, GB(Ground Benign)환경에서 223,593시간, 약 25.5년으로 예측되었다.
구형ATS차상장치는'MTBF예측치를 기준으로 이미 교체할 시기에 도달했으나, 유사시스템의 고장유형을 기준으로 잔존수명을 계산한 결과는 연장사용시간인 3년간은 고장이 급격하게 발생하지 않을 것이라는 결론에 도달했다. 따라서 향후 구형 ATS차상장치를 3년간 연장하여 사용하는 동안 무고장으로 장치가 동작할 지의 여부를 신뢰성시험을 통해 확인해야 한다.
따라서 현재까지 구형ATS차상장치의 고장이 거의 발생하지 않았으며, Fig. 4와 Fig. 5의 추이분석을 통해, 향후 3 년간 급격한 고장률 변화가 예상되지 않으므로 연장사용기간인 3년간은 무고장으로 운영이 가능하다고 추정된다.
잔존수명평가의 결과를 정리하면 예측MTBF(피시험체의 약 63%가 고장 나는 시간)가 223, 593시간(약 25.5년)인구형 ATS차상장치는 예측신뢰도를 기준으로 현재 약 25년이 사용된 상태로 이미 교체시기에 도달하였으며, RAC의 217 Plus에서 제공하는 유사시스템의 고장유형을 기준으로 평가했을 때, 현재 시점에서 신뢰도가 Zero(주어진 시간에 기능을 정확히 수행할 확률이 0)가 될 때까지의 평균잔여시간은 154, 895시간(약 17.6년)으로 평가된다.
후속연구
따라서 향후 구형 ATS차상장치를 3년간 연장하여 사용하는 동안 무고장으로 장치가 동작할 지의 여부를 신뢰성시험을 통해 확인해야 한다. 전자부품 고장률에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 동작온도이다.
이익을 기대할 수 있다. 하지만 이러한 잔존수명평가에 의한 비용절감을 기대하기 위해서는 본 논문에서 강조한 바와 같이 운영되고 있는 장치의 신뢰도에 대한 지속적인 정보수집과 분석의 필요성이 인식되고 준비되어야 할 것이다.
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