53_고준영-Axle Counter System 국산화.hwp

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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 9 pp , ISSN / eissn Axle Counter System 국산화개발을위한현장시험결과분석 고준영 1*, 박재영 1 1 우송대학교철도전기시스템학과 A Result Analysis on Field Test for Localization Development of Axle Counter System Joon-Young Ko 1*, Jae-Young Park 1 1 Division of Railroad Electrical System Engineering, Woosong University 요약열차위치검지시스템에는일반적으로궤도회로장치가거의 100여년을안정적으로사용되어왔으나, 일반철도구간의역구내, 측선, 해안선구간및열차운행빈도가적은지선구간의건널목등에서는녹발생으로궤도회로단락불능에따라해소방안이필요하다. 국내에서는고속철도의차축온도검지시스템과통신기반열차제어시스템분기부일부에차축카운터시스템이사용되고있으나, 해외의경우많은국가에서차축카운터시스템이없는간선및지방철도를상상하는것은이제불가능하고지하철, 전차, 그리고산업철도에서상당한증가가확인되었다. 본논문에서는일반철도구간의역구내측선의본선및분기부에시험적용을위해기존설치되어있는궤도회로와병렬로설치하여로그분석을하여차축카운터시스템의동작상태를확인하였다. 그리고오봉기지역및청주역운행선상설치하여연동장치와의인터페이스시험및이를실용화하기위한시험결과를분석하고, 시스템안전측설계, 제작및시스템요구조건등을정립하였다. Abstract A track circuit has used stably more than 100 years for detecting train position, but solution of track circuit sort circuit incapacity due to a rust is necessary for side line in station yard, coast line and level crossing for conventional line in rural line. Domestically, Axle Counter System(ACS) has partially used for Hot Box System for high speed line and turnout for CBTC system. In contrast, most of countries has used ACS not only trunk line but also rural line and its application has increased for metro, electric car and industrial railway. In this paper, we has verified the operating status of ACS which installed with existing track circuit through log analsis to implement pilot application in mail track and turnout in station yard. And interface test with interlocking system has conducted at Obong shunting yard, as well as Cheongju station and has analyzed test result. Based on a test result, we made fail safe design, manufacturing skill and established system requirement specification for the smooth operation and maintenance. Keywords : Axle Counter System, Sensor, Sensor IF Box, Sensor IF module, PLC, Evaluator 1. 서론열차의안전운행을위해서는열차의정확한위치를판단하는것이제일중요하다. 열차위치검지시스템에는일반적으로궤도회로장치가거의 100여년을안정적으로 사용되어왔으나, 그동안역구내측선, 해안선구간및열차운행빈도가적은지선구간의건널목등에서는녹발생으로궤도회로단락불능에따른단락감도개선방안이필요한시점이다. 또한, 전자및통신시스템의발달로근래에는통신기 * Corresponding Author : Joon-Young Ko(Woosong University) Tel: gjy88@korail.com Received July 14, 2015 Accepted September 11, 2015 Revised (1st September 3, 2015, 2nd September 8, 2015) Published September 30,

2 Axle Counter System 국산화개발을위한현장시험결과분석 반열차제어시스템이상용화되었고기존의궤도회로를사용하지않고무선을통해열차위치를판단하고있다. 일반적으로통신기반열차제어시스템은단일선로를운행할경우위치추적이어렵지않지만분기기가있는곳이나복선이상의경우에는위치추적을명확하게구분하기가어려운점이있다. 상기문제점을해결하기위해국내외사용되는것이차축카운터시스템 (Axle Counter System) 이다. 본연구는일반철도구간의궤도단락불능해소및지선구간의운영및유지보수효율화를위한차축카운터시스템의개발및실용화를위해개발단계에서의설계및기술요구사항을검토하고현장시험및설치결과피드백을통해향후국산화및실용화시고려할사항등에대해제시하고자한다. 2. 궤도회로와차축카운터기술궤도회로의이용은오늘날여전히널리보급되어있으나, 이기술은정보의범위와 ETCS(Europe Train Control System), CBTC(Communication Based Train Control) 등최첨단열차제어시스템도입시기술적한계로인해최근철도운영기관에서궤도회로의대체기술인차축카운터기술도입을검토하고있다. 궤도회로기술의장점은시스템에리셋장치또는절차가필요하지않는점이다. 반면에궤도회로가신뢰할수있는레일단락의확인을 20% 에서최대로 60% 까지보장하지못하고, 실제로일어날수있는궤도결함의대다수가레일단락이발생하기전에이미검지되고있음으로 UIC(International Union of Railways) 에서보여준다. 또한특정한환경상태하에서불충분한자갈, 저항 ( 먼지, 습기 ) 으로레일절연을유지하기어렵고, 낮은열차주파수 (frequency) 를가진레일을달리는경차량에의한신뢰할수없는전기접촉은결함 ( 가용성, 안전 ) 의원인이될수있다. [1] 차축카운터기술은사용된바퀴센서의품질이각차축카운터의안전과신뢰성을결정한다. 아래표는최신차축카운터기술의가장중요한특성과궤도회로원리를비교하고있다. Table 1. Feature Comparison between Track Circuit and Axle Counter Characteristics Track Circuit Axle Counter Sys. Structure of rail Electrical insulated Non Block Length Under 2,000m Not restricted Recognition of rail short Countermeasure to track return current Sensitivity of external influences (Overvoltage, Track current, etc) Sensitivity of climate influences (Heat, Cold, Dust, etc) Reset Function Range Modification Possible under special condition Need to countermeasure (such as Mesh) High High (Ballast resistance, Humidity, etc.) Not necessary Detecting unoccupied track High Cost (Structure modification, rail junction) Impossible Non Possible to correction with detecting wheel Possible to correction with detecting wheel Necessary (Various transformation, availability) Detecting unoccupied track, direction information, velocity, etc Easy (Fastening Device of wheel sensor) Maintenance cost High Low Construction cost High High 3. 차축카운터시스템의개요 차축카운터시스템 ( 이하 ACS) 은전기적인신호를이용하는궤도회로장치와달리자계신호를이용하여열차의차륜을검지하는시스템으로, 자속의변화를전기적으로바꾸어레일상의차륜의수를계수한다. 동작원리는궤도의일정구간에설치되어있는차륜을검지하는휠센서를통해검지된차륜이들어오고나간수를계산하여그구간에열차의존재유무를결정하는방법이다. 초기자계을이용하는송수신장치센서를두어차륜을검지하는방법 [Fig.1] 을주로사용하였으나최근유도성작동원리 (Inductive operating principle) 를이용하는휠센서 [Fig.2] 가많이사용되고있다. 6215

3 한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 Receiving Coil(RC ) Transm itting Coil(TC) Effective Range (3) 은단일구간의궤도회로와같아구성이간단하다. Receiving Voltage W heel Mounting Plates Wheel Sensor Fig. 1. Magnetic Type Fig. 2. Inductive Sensing Type 전기적인신호장치를이용하기가어려운긴궤도구간, 궤도회로단락불능개소및통신기반열차제어시스템의분기기부분에 ACS를설치해서특정구간의열차유무검지를하는데사용되고있으며레일에설치된형태는다음과같다. 4.1 기본요구사항차륜은열차의감속및가속에따라레일과의마찰이생기게되고그에따라마모가일어나며, 또한열차의진행특성에따라좌우로생기는차축의이동범위가발생된다. ACS의국산화개발을위한설계의기본은휠센서가차륜의최대마모시에도안전하여야하고, 또한센싱하여야하는범위는크고넓게하는것이다. 차륜의표준최저치는 25mm이며차륜의최대마모한계는 13mm이지만이보다가혹한조건을감안하여여유분을설정하고휠센서가손상이되지않아야한다. 차축의최대이동범위는 Slack 30mm / R250m이며표준궤간의여유는 10mm 정도지만차륜의마모도감안하여센싱에실패하지않도록설계하였다. Fig. 3. Sensors installed on the rail 초기에는레일을두고송수신기를분리한구조였지만최근에는송수신기능이하나로합쳐진형태로사용하고있으며단선일경우열차의운행방향을검지의필요성에의해휠센서가 2개또는 3개인형태로구성되어있다. ACS는크게자속의변화를전기적으로바꾸는휠센서부분, 전기적신호를가지고차륜의수를세는카운터부분, 일정구간의차륜의입출력수를계산하여열차유무를판단하는 Evaluator 부분으로구성된다. 본연구에서는해외 ACS 제작사의사양및기술을검토하고휠센서부분을제외한장치는국산화개발을통해독자적인모델로구성하였다. Minimum 26mm from New Rail and W heel Minimum Range Maximum 32mm from worn Rail and Wheel Maximum Range Fig. 4. Friction of Wheel and Movement of Axle ACS를측선이나단선에서사용할경우에는열차의진행방향은양방향으로열차의진행방향을검지할수있도록 2개의센서를내장한더블휠센서형태로설계하였다. 4. 차축카운터시스템설계및개발 ACS의사용처를살펴보면다음과같다. (1) 전기적신호가힘든궤도회로의대용 (2) 건널목용 (3) 통신기반열차제어 (CBTC) 의보조궤도회로 (4) 전기적신호궤도회로의대용사용처 (4) 의경우는전체적인궤도회로의집합용으로사용하므로 ACS 구성이커지게되며, 사용처 (1), (2), Forward direction Reverse direction Fig. 5. Signal Analysis & Processing for wheel direction 6216

4 Axle Counter System 국산화개발을위한현장시험결과분석 센서 S1과 S2를지나는차륜의시간차에따라발생되는신호펄스도시간차가생기게된다. 차륜계수장치에서발생된펄스의시간차이를판단하여진행방향을판단하고차륜의계수를한다. 계수의방법은 S1-S2, 또는 S2-S1 모두를지나갔을때하는것으로하여야명확하다.[2] 차륜계수치의로직은일반적으로운행선에설치된휠센서에서는연속적인펄스로입력되어계수하는데문제가발생되지않지만본연구의대상인일반철도지선구간인기지나또는입환을할경우에는휠센서의위에서정지할수도있고, 어느하나에서만신호가발생할수가있다. 이러한경우는발생빈도가낮지만열차운영에있어무시할수없으며, 계수로직을수정하여처리하였다. 휠센서는열차의운행에따라마모된철분의가루가센서위에쌓이게되면자속의변화에영향을주기때문에센서의설치시어느정도경사지게설치하여야한다. 설치형태는레일에구멍을뚫어서장착하는방법과브라켓을사용하여장착하는방법이있다. 4.2 기본구성형태 ACS의기본구성은휠센서, 계수장치 (Sensor Interface Box), Evaluator( 궤도로직장치 ) 로한다. Evaluator와 SIB 는전자장치에속하므로 DC 전원을사용하며, Evaluator 에서는 AC220V 입력전원으로정류기를거쳐궤도로직부 (MPU) 와구간별점유상태및계수값을표시하기위한 SIU(Sensor Interface Unit) 에 DC 5V를공급하고, SIB에는전력선통신 (PLC) 을위한전원공급용으로 DC24V를공급하도록한다.[3] 궤도로직을담당하는 MPU에서는외부장치와인터페이스를위해통신이나계전기출력보드를통해접접방식으로처리한다. 또한 MPU와 SIU는내부통신으로 CAN 을사용하였으며전원의안정화를위해 2중형태로하였다. Fig. 7은분기에설치하는 ACS의기본구성도를보여준다. W heel sensor Fig. 7. Basic Configuration of ACS for Turnout Fig. 6. Installation Type of Wheel Sensors 그러나발생되는진동에의해느슨하게되는경우와외부충격에의해파손되는경우도센싱에영향을주게되어정확한계수가이루어지지않으므로이를감지하여시스템에표시하여야한다. ACS 구성품의기본요구사항및주요기능은해외제작사와비교검토하여국산화, 성능및유지보수향상을위한기능및요구사항을정립하고일반철도역구내및건널목에적합한 ACS를다음과같이제작하였다. - 열차의진행방향을인지 - 휠센서의고정이상과파손인지 - 구간별점유상태및계수값을표시 - 계수오류시변경및초기화가능 - 현장설치케이블을최소화 (PLC통신) - 연동장치와통신또는계전기접점으로 I/F 4.3 Fail-Safe 설계및유지보수성 (1) 아날로그신호에의한고장안전측설계다음과같이차축검지처리장치의아날로그신호에의한전류범위에따라열차점유및비점유, 차륜센서의고장상태를진단할수있도록설계하여야한다.[4,5] 1) Range 1 : 열차가없는상태 2) Range 2 : 레일로부터센서탈락상태 3) Range 3 : 열차가점유한상태 4) Range 4 : 케이블절손, 구성품결함상태 (2) 디지털신호에의한고장안전측설계다음과같이차축검지처리장치의디지털논리조건에의해고장안전측으로동작하도록설계하여야한다.[6,7] 1) 진입, 진출하는차량의차축카운터비교및정보를표시하되일치할경우에만개통표시, 불일치할경우점유및고장으로표시하여야한다. 6217

5 한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, ) 이례사항발생시반드시현장확인후시스템초기화의무 3) 연속으로최소 2 개차축검지시열차인식 (3) 유지보수성 처리장치내부에는기능상태, 고장상태, 시험을수행할수있는모니터를수용하여야한다. 5. 현장설치결과분석 차축카운터시스템의설계사양및기본기술요구사항 (SRS) 를정립하고, 일반철도구간의현장시험을국내에서입환이가장많고, 환경제약이심한경부선오봉기지역에서시행하였다. 센서 6개를이용한 2개궤도회로 (4T 및 5T) 와분기기 (36호, 65호의 35T 및 58T) 에시험설치를하였다. Fig. 9. Display and Log data of Pilot Test 위화면에서적색표시는궤도점유를나타내고수치는궤도에남아있는휠카운트를표시한다. 4T와 5T는일반궤도이며, 35T와 58T는분기기의궤도이다. 오봉역에서기본적인기능시험을완료하고연동장치와의인터페이스시험을위해청주역 53호분기기에서 ACS 추가현장설치시험을하였다. 연동장치와연계시켜동작하도록계전기구동모듈과계전기를추가로설치하여연동장치로그와비교할수있도록하였다. Fig. 8. ACS Pilot Test at O-bong station 오봉기지역에설치한궤도로직장치의 ACS 로그를분석한결과, 주행시에는휠카운터의에러가발생치않았으나센서위에열차가정지하였을경우에는차량의추가나분리시충격에의해순간적으로진행방향이왕복을하는경우가발생하는것을알수있었으며, 이에내부 SW로직을보안하여휠카운터의오류를방지하였으며, 이후정상적으로동작함을확인하였다. Fig. 10. ACS interfaced with Interlocking System at Cheong-Ju station 또한, 역무실운영자가 ACS의동작상태를볼수있도록운영실의표시제어부의화면을수정하였다. 청주역에설치한궤도로직장치의로그를분석한결과, 열차운행시진동에의해고정핀이풀리는경우가일어나휠카운터의오류가생긴경우가발생되었다. 이를보완하기위해고정핀의개선및센서의탈착및센서이상시에 Fail-safe 동작이가능하도록근접센서및 Fail-safe 회로를추가하여시험설치하였으며정상적으로동작하는것도확인하였다. 6218

6 Axle Counter System 국산화개발을위한현장시험결과분석 Table 2. Field Test Outline and Operation Status Classification Period Operation Remarks O-Bong Normal Demolition( 15.09) Cheong-Ju Normal Demolition( 15.09) 6. 결론 Fig. 11. Display Monitor of Interlocking System interconnected with ACS at Cheong-Ju station 또한, 센서의탈착및센서이상시에 Fail-safe 동작이가능하도록근접센서를추가하여설치하였으며정상적으로동작하는것도확인하였다. Fig. 12. Complimentary Circuit of Jig and Sensors for Fail-safe Operation 위그림에서적색원으로나타낸부분이센서가레일에서탈착이되었을경우 Fail-safe 동작이되도록한지그및보완회로이다. 현장설치시험의결과는아래와같으며현재까지정상동작하는것을확인하였다. 최근신호시스템은전자기술과통신기술및소자의발전속도사이클이엄청빠르게진행되고있다. 그러나철도신호시스템은안전성이가장중요하여새로운제품및국산화된제품의경우는시험실시험이끝나더라도현장시험시에는철도환경에따라요구사항의변경및보완이발생한다. 특히철도신호시스템은상호연동되어동작하고타시스템과의인터페이스시험은반드시검증되어야한다. 차축카운터시스템은일반철도구간의역구내, 측선및지선등녹발생으로인한단락불능개소및전기적신호를사용하기가어려운곳에서필수적인장치이고, 최근열차신호시스템인 ETCS, 통신기반제어시스템 (CBTC) 에서도반드시필요한장치이다. 아울러, 장기적으로는지선구간의궤도회로대용으로유지보수비및운영비의감소로 Cost-Effective 유지보수실현도가능할것으로예측된다. 본연구를통하여차축카운터시스템개발및현장설치를통해한국철도환경에적합하도록 Fail-Safe 및유지보수성향상을고려한설계로설비의신뢰성및안전성이확보되었다고판단되며국내기술을통한개발품의실용화및제작 공급및유지보수를할수있게되었다. 향후일반철도구간에서현장시험을확대하여보다신뢰성있고안전적인성능확보, 그리고다양한현장의환경조건및사용자요구사항을반영하여해외시장에서도경쟁할수있도록시스템최적화가필요할것이다. 그러나 RAMS(Reliability, Availability, Maintainability, Safety) 인증, Fail-Safe 설계확인등안전성의검증및인증에는많은비용이소요되므로이를위해서는정부와산학연상호협력을통해실용화및국산화의시기를앞당겨야하겠다. 6219

7 한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 References [1] A Study on the Solution of Track Circuit Short Circuit Incapacity [2] Acceptance of the axle counting system ACS2000, Frauscher [3] Digital Axle Counter, ALTPRO [4] Axle Counting System, TIEFENBACH [5] NS-MSDAC System Specs, Nippon Signal [6] EBI Track 2000, Axle counter system of SOL-3 type, Bombardier [7] Teaching Notes on Axle Counter & IBS Signal & Telecommunication training Centre, Byculla, Mumbai (ISO Certified) 고준영 (Joon-Young Ko) [ 정회원 ] 2010 년 2 월 : 충남대학교산업대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1988 년 2 월 ~ 2014 년 10 월 : 철도청및한국철도공사신호제어처장 2014 년 11 월 ~ 현재 : 한국철도공사행정감사처장 < 관심분야 > 신호제어, 무선통신기술, 제어계측 박재영 (Jae-Young Park) [ 정회원 ] 1996년 8월 : 고려대학교산업대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 2007년 2월 : 서울산업대학교철도전문대학원철도전기신호공학과 ( 공학박사 ) 1970년 1월 ~ 2007년 2월 : 철도청및한국철도공사오송고속철도전기사무소장 2007년 3월 ~ 현재 : 우송대학교철도전기시스템학과교수 < 관심분야 > 자동제어, 지능형시스템, 제어계측 6220