철도는 대규모 승객 수송과 운행서비스를 제공하는 공공교통수단으로 시스템의 신뢰성과 안전성의 확보가 최우선적으로 요구된다. 철도차량의 배선은 제어신호선과 통신선으로 분류되며, 제어신호선은 차량주행 및 안전기능과 관련된 입출력 신호를, 통신은 방송 등 승객서비스에 대한 입출력신호에 사용되고 있다. 철도차량 신뢰성확보 방안 중 한 가지 방법으로 차량내 전장장치간 제어신호의 입출력인터페이스로 train line을 적용됨에 따라, 제어회로 구성을 위하여 릴레이, 컨택터 등의 전기기계식 소자가 다수 적용되어 있다. 실제로 편성 내 차량제어논리가 수 천 접점으로 구성됨에 따라 접점 불량 등 고장시 오류확인이 어렵고, 실시간 상태확인이 불가능함에 따라 정기적인 유지보수에 많은 인력과 시간이 투입되어야만 한다. 본 논문에서는 국내 철도차량내 주행 및 안전기능과 관련된 전장품의 제어기간 제어신호선 설계현황(종류, 복잡도)을 분석하고, 설계를 단순화하여 제작양산성과 유지보수 효율성을 향상시키기 위한 3가지 제어배선절감 방안을 제안하였다. 적용결과 국내 4량 1편성의 전동차에 적용시, 약 35% 이상의 배선절감 효과를 확인하였다.
철도는 대규모 승객 수송과 운행서비스를 제공하는 공공교통수단으로 시스템의 신뢰성과 안전성의 확보가 최우선적으로 요구된다. 철도차량의 배선은 제어신호선과 통신선으로 분류되며, 제어신호선은 차량주행 및 안전기능과 관련된 입출력 신호를, 통신은 방송 등 승객서비스에 대한 입출력신호에 사용되고 있다. 철도차량 신뢰성확보 방안 중 한 가지 방법으로 차량내 전장장치간 제어신호의 입출력 인터페이스로 train line을 적용됨에 따라, 제어회로 구성을 위하여 릴레이, 컨택터 등의 전기기계식 소자가 다수 적용되어 있다. 실제로 편성 내 차량제어논리가 수 천 접점으로 구성됨에 따라 접점 불량 등 고장시 오류확인이 어렵고, 실시간 상태확인이 불가능함에 따라 정기적인 유지보수에 많은 인력과 시간이 투입되어야만 한다. 본 논문에서는 국내 철도차량내 주행 및 안전기능과 관련된 전장품의 제어기간 제어신호선 설계현황(종류, 복잡도)을 분석하고, 설계를 단순화하여 제작양산성과 유지보수 효율성을 향상시키기 위한 3가지 제어배선절감 방안을 제안하였다. 적용결과 국내 4량 1편성의 전동차에 적용시, 약 35% 이상의 배선절감 효과를 확인하였다.
The railway is a public transportation system that provides large-scale passenger transportation and service, whose reliability and safety is the top priority. The wiring of railway vehicles is classified into train control lines (train lines) and communication lines. The train lines are used for in...
The railway is a public transportation system that provides large-scale passenger transportation and service, whose reliability and safety is the top priority. The wiring of railway vehicles is classified into train control lines (train lines) and communication lines. The train lines are used for input / output signals related to vehicle driving and safety functions, and the communication lines are used for the input / output signals for passenger services such as broadcasting. In order to measure the reliability of railway vehicles, a train line is applied to the input / output interface of the control signals between the electric control devices in the vehicle, and there are many electromechanical devices such as relays and contactors for the control logic. In fact, since the vehicle control circuit is composed of several thousand contacts, it is difficult to check for errors such as contact failure, and it is impossible to check the real-time status, so a lot of manpower and time is required for regular maintenance. Therefore, we analyze the current state of the train line design of the electric equipment used for driving and services in domestic railway cars and propose three wiring reduction methods to improve it. Based on the analysis of domestic electric vehicles, it was confirmed that the wiring reduction effect is 35% or more.
The railway is a public transportation system that provides large-scale passenger transportation and service, whose reliability and safety is the top priority. The wiring of railway vehicles is classified into train control lines (train lines) and communication lines. The train lines are used for input / output signals related to vehicle driving and safety functions, and the communication lines are used for the input / output signals for passenger services such as broadcasting. In order to measure the reliability of railway vehicles, a train line is applied to the input / output interface of the control signals between the electric control devices in the vehicle, and there are many electromechanical devices such as relays and contactors for the control logic. In fact, since the vehicle control circuit is composed of several thousand contacts, it is difficult to check for errors such as contact failure, and it is impossible to check the real-time status, so a lot of manpower and time is required for regular maintenance. Therefore, we analyze the current state of the train line design of the electric equipment used for driving and services in domestic railway cars and propose three wiring reduction methods to improve it. Based on the analysis of domestic electric vehicles, it was confirmed that the wiring reduction effect is 35% or more.
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문제 정의
철도차량의 배선은 차종별, 제작사별로 상이하다. 따라서 본 논문에서는 국내에서 운영 중인 도시철도 전동차의 GDB(제어배전반)를 대상으로 배선현황을 분석하고 설계보완점을 도출하고자 한다.
본 논문에서는 기존 설계 개선을 위한 엔지니어링 관점에서 기존 회로 부하와 무관한 범위에서 분석을 수행하였다. 분석대상은 도시철도 2호선 차량 GDB로, 릴레이, 컨택터, 스위치 등으로 구성되어, 운전실 제어신호가 GDB를 통하여 각 장치로 분배된다.
본 논문에서는 운행 중인 도시철도 차량을 대상으로 배선설계를 분석하여 제작양산성과 운영유지보수 향상을 위한 배선절감 설계방안을 3가지 도출하였다. 이와 같은 방법은 앞에서도 기술하였지만, 부하에 영향이 없고, 출력 신호의 용량 이내 사용 가능하며, 개발 후 별도의 검증을 수행하여야한다.
본 논문에서는 철도차량의 추진/제동 등 주행과 방송/냉난방 등의 승객서비스를 제공하기 위하여 기기 구성 및 인터페이스 시스템(배선)에 대한 분석을 수행하고, 설계 보완사항을 제안하였다. 또한, 설계보완사항을 실체 국내 운행 중인 4량 1편성 차량의 인터페이스(배선)설계에 반영하여 35%이상의 배선절감 효과를 분석하였다.
제안 방법
기존 철도차량 제어회로를 전자화 하기 위하여, 본 연구에서는 IEC61131-3기반의 PLC를 적용하였다. Fig 11와 같이 기존 차량 설계를 분석하여, 이를 LD(Ladder diagram)를 활용하였고, 이를 ST program으로 변환하여 제어기 로직을 구성하였다. 현재 배선절감을 위한 제어기를 개발 중에 있으며, 이는 대상 장비에 대한 시스템 요구사항서를 바탕으로 하드웨어 및 소프트웨어가 설계되고 검증될 계획이다.
본 논문에서는 철도차량의 추진/제동 등 주행과 방송/냉난방 등의 승객서비스를 제공하기 위하여 기기 구성 및 인터페이스 시스템(배선)에 대한 분석을 수행하고, 설계 보완사항을 제안하였다. 또한, 설계보완사항을 실체 국내 운행 중인 4량 1편성 차량의 인터페이스(배선)설계에 반영하여 35%이상의 배선절감 효과를 분석하였다. 철도차량의 로직화는 운영측면에서 제어신호의 실시간 모니터링이 가능하고, 차량의 제어시퀀스 변경시 부품이나 회로 변경없이 로직변경만으로 수정이 가능하여 운영/유지보수가 향상될수 있고, 제작특면에서 차량의 경량화, 공간축소, 제작양산성 향상되는 장점이 있다.
대상 데이터
국내 전동차 4량 1편성을 대상으로 제어선을 분석하였다. 4량 1편성의 경우, Tc CAR 2대, M CAR 2대로 구성되었다. 일반 전동차의 장치구성은 Table 3과 같이 차량 type에 따라 상이하다.
국내 전동차 4량 1편성을 대상으로 제어선을 분석하였다. 4량 1편성의 경우, Tc CAR 2대, M CAR 2대로 구성되었다.
본 논문에서는 기존 설계 개선을 위한 엔지니어링 관점에서 기존 회로 부하와 무관한 범위에서 분석을 수행하였다. 분석대상은 도시철도 2호선 차량 GDB로, 릴레이, 컨택터, 스위치 등으로 구성되어, 운전실 제어신호가 GDB를 통하여 각 장치로 분배된다.
차량은 추진/제동 등 주행과 방송/냉난방 등의 승객서비스를 제공하기 위하여 DC100V 제어신호선(Train line or Train control line), 통신선(Train communication line), 아날로그선, 전원선으로 구성되어있다.
이론/모형
기존 철도차량 제어회로를 전자화 하기 위하여, 본 연구에서는 IEC61131-3기반의 PLC를 적용하였다. Fig 11와 같이 기존 차량 설계를 분석하여, 이를 LD(Ladder diagram)를 활용하였고, 이를 ST program으로 변환하여 제어기 로직을 구성하였다.
성능/효과
(배선절감 방안3). 3장의 배선절감 방안을 도시철도 전동차 2호선의 4량 1편성 차량의 GDB에 적용할 때, 배선절감 전 470개 배선이 절감 후에는 304개로 약 35%가 절감됨을 확인하였다[3].
Train line은 주행/제동신호 입력과 주행/제동 실행을 위한 DC 100V 제어신호선으로 분석 결과는 Fig5와 같이 각 차량의 GDB(제어배전반), DESK, LTJB(저압연결)에 배선이 집중되는 것을 확인하였다. 3장에서는 제어배선이 가장 집중된 GDB를 대상으로 배선의 IN/OUT을 현황을 분석하여 현재 배전반 설계의 개선점을 도출하고, 4장에서는 도출된 배선절감 방안을 GDB에 적용 후 예상되는 배선 IN/OUT를 설계하여 그 효과를 분석하였다.
분석 결과 첫째, 입출력 배선의 중복설계이다. Fig.
분석결과 둘째, TC, M1, M2 CAR 차량의 GDB내 Ground 및 Power 배선의 별도사용이다. Fig.
3 는 차량내 제어회로의 전자화 및 통신인터페이스 기술개발을 통하여 발전하게 될 철도차량내 인터페이스이다. 즉, 차량내 운전실, 제어배전반을 전자화하고, 차량간 점퍼케이블을 무선화하며, 이 제어기간을 TCN 단일 네트워크로 연결함에 따라 차량전장시스템에 대한 실시간 모니터링이 가능하여 운영측면에서 유지보수 효율을 향상시킬 수 있으며, 신뢰성 데이터 확보를 통한 차량의 가용도를 향상시킬 수 있다.
후속연구
다만, 철도차량에서는 철도차량기술기준에 의하여, 차량내 안전관련 제어기는 IEC62278, IEC62425,IE 62279에 근거한 안전보증활등을 의무화 하고 있어 설계부터 검증에 이르는 전 수명단계에 이를 적용할 계획이다.
철도차량의 로직화는 운영측면에서 제어신호의 실시간 모니터링이 가능하고, 차량의 제어시퀀스 변경시 부품이나 회로 변경없이 로직변경만으로 수정이 가능하여 운영/유지보수가 향상될수 있고, 제작특면에서 차량의 경량화, 공간축소, 제작양산성 향상되는 장점이 있다. 본 논문의 결과를 기반으로 도시철도 차량내 제어배전반의 전자화(스마트 배전반) 개발에 대한 추가적인 연구가 수행될 예정이다.
Fig 11와 같이 기존 차량 설계를 분석하여, 이를 LD(Ladder diagram)를 활용하였고, 이를 ST program으로 변환하여 제어기 로직을 구성하였다. 현재 배선절감을 위한 제어기를 개발 중에 있으며, 이는 대상 장비에 대한 시스템 요구사항서를 바탕으로 하드웨어 및 소프트웨어가 설계되고 검증될 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도에 요구되는 사항은?
철도는 대규모 승객 수송과 운행서비스를 제공하는 공공교통수단으로 시스템의 신뢰성과 안전성의 확보가 최우선적으로 요구된다. 철도차량시스템은 25년 운행이후 정밀점검을 통하여 추가운영 여부를 판단하게 되는데 25년의 차량시스템 수명을 확보하기 위하여 신뢰성 있는 설계개발과 체계적인 유지보수가 시스템 수명을 확보하는 필수요인이라 할 수 있다[1].
차량내 배선의 설치에 많은 시간과 인력이 소요되는 이유는?
차량내 배선은 설치 및 운영/유지보수에 인력과 시간이 다수 소요된다. 실제로 도시철도 차량의 경우 편성 중 Mc car의 경우, 열차운행제어를 위한 2500~3000접점 내외로 구성된 제어신호선의 접점상태, 장치 동작상태 등 확인을 위하여 일상, 월상, 분기, 연간유지보수 수행한다.[2] 본 논문에서는 2장에서 국내 철도차량의 배선 현황(종류, 기능)을 기술하고, 3장에서 철도차량의 제어신호선에 대하여 배선현황 분석 및 배선절감 방안 도출하고 4장 결론으로 배선절감의 기대효과에 대하여 기술한다.
철도차량시스템의 필수요인은?
철도는 대규모 승객 수송과 운행서비스를 제공하는 공공교통수단으로 시스템의 신뢰성과 안전성의 확보가 최우선적으로 요구된다. 철도차량시스템은 25년 운행이후 정밀점검을 통하여 추가운영 여부를 판단하게 되는데 25년의 차량시스템 수명을 확보하기 위하여 신뢰성 있는 설계개발과 체계적인 유지보수가 시스템 수명을 확보하는 필수요인이라 할 수 있다[1]. 철도차량은 주행장치, 동력장치, 차체, 부속장치, 제동장치, 제어장치 등으로 구성되면, 각 장치는 제어신호선과 다양한 통신방식으로 인터페이스 된다.
참고문헌 (3)
I. S. Chung el, "The Study on the Demonstration Test of Quantitative Reliability Requirements for Rolling Stocks", vol. 11, no. 3, pp. 233-239, the korean society for railway, 2008.
S. J. KIM el, "Train vehicle wireless Interface & SW Logic control R&D Plan", Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2014.
K. M. LEE el, "Train vehicle wireless Interface & Wire Reduction R&D", Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2016.
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