2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A290 제어장치 PCB의고장원인분석을통한사전예방조치에관한연구 A Study on the Cause of the Failure Analysis Precautionary Measures through the Control Device PCB 백선문 *, 이원영 *, 김길동 ** Sun Mun Back, * Won Young Lee *, Gil Don Kim * * Abstract Railway car control device at the heart of the art technology is a device which plays an important role in the safety. Analyzing the data fields of 20 years were selected for the failure probability of the inverter control device of high PCB of the control device. As a result of an analysis of the cause of failure is possible PCB lifetime prediction of the part and is out exactly to the point where the function is lowered. This study aims to present a reference to the maintenance of the control system of trusted. Keywords : Reliability, Maintenance, Control Device. Lifetime, Reference 초록첨단기술의핵심을이루는철도차량제어장치는안전에중요한역할을하는장치이다. 20 년간의필드데이터를분석하여제어장치중고장발생확률이높은인버터제어장치인 PCB 를선정하였다. PCB 의고장원인을분석하면부품의수명예측이가능하며, 기능이저하되는시점까지정확하게나오게된다. 본연구는신뢰할수있는제어장치의유지보수에기준을제시하는것을목표로하였다. 주요어 : 신뢰성, 유지보수, 제어장치, 수명, 기준 1. 서론 철도차량유지보수의목표는고객의안전성을최우선으로하고최적의유지보수를통하여차량의안전및가용성을향상시키는데있다. 이에차량의안전에절대적으로중요한제어장치에대한체계적인시리얼관리부족으로부품의특성에따른수명주기예측및신뢰성기반의고장분석이이루어지지않아유지보수에어려운부분이있었다. 제어장치중고장발생빈도가높은인버터제어장치를선정한것은위험도기반진단과신뢰도중심의정비관리를위한것으로기준정보의체계적인관리를어떻게해야하는지고찰하였다. 또한고장분석을통해개별부품들의특성변화를정기적으로검사하면서사용기간의경과에따른부품들의변화를지속적으로기록분석해보았다. 그결과로정해진기준에도달시교환하는유지보수효율적인개선방안을제시하였다. 교신저자 : 서울과학기술대학교, 교수 (wonylee@seoultech.ac.kr) * 정회원, 서울과학기술대학교, 철도안전학과 ** 정회원, 한국철도기술연구원, 단장
2. 본론 2.1 LCUM(Local Control Unit Motor) 인버터제어장치의기능 LCUM(DTCC 911A) 컴퓨터에의해제어되는 MIM(VVVF 인버터 ) 은역행시전차선전압 DC1500V 를 3 상교류로변환시켜견인전동기 (3 상교류유도전동기 ) 에공급하고, 제동시에는견인전동기에서발전되는 3 상교류를직류로정류하여전원측 ( 전차선 ) 으로회생시킨다. Fig 1 은제어장치 LCUM 의외부감시기능으로견인전동기토오크제어, DC Link 전압감시, 견인전동기과전류감시 ( 입력신호인 U, V, W 상 ) 를하며내부기능으로는 +24VDC 전원감시로입력전압이 15.6V 이하로떨어질때동작중지된다. PCB 내중요부품으로는제어컴퓨터보드에는 2 개의마이크로프로세서 (MC68302, MC68332) 가 1 개의신호프로세서 (DSP56001) 을조정한다. 제어프로세스 MC68332 는인버터및속도측정보드를제어한다. 신호프로세서 (DSP56001) 는 6 개의아날로그입력 ( 가선전압, 가선전류, DC 링크전압, 3 상전류 ) 및인버터제어를위한신호프로세스를제어한다. 펄스프로세서 (HD63140) 는펄스측정또는발생을위한 16 개의일반디지털입 / 출력포트, 10 채널다중송신기능을갖는 10 bit ADC 1K BYTE 내부 RWM 및감시타이머를포함한다. 아날로그입력은 12 개가있다. 그중 5 개는온도센서입력이고 7 개는가선전압및전류센서입력이다. LCUM PCB LCUM PCB 부품배치도 Fig.1 Lcum photos and layout components 2.2 제어장치 LCUM의고장수선분석 2.2.1 제어장치 LCUM의고장수선분석현황 Table 1은 LCUM 시리얼번호를기준으로고장수선이력이기록된 17년간의 (1999 ~ 2015) 자료를분석하였다. 고장발생빈도에서알수있듯이통신 / 제어불능이총 861건대비 719건으로 84% 의고장률과입력신호인 ( 상고장, 전압센서, 가선과전류, 과전류, 전류센서 ) 고장은 142건으로 16% 의분포를이루고있다. 원인소멸고장은총 572건으로실제고장대비 66% 의발생을나타내었다. 총 861건고장발생중 LCUM에서최초고장이발생한건수는 308건이며 553건은중복고장으로제어장치신뢰성이부족하다는것을알수있다.
Table 1 Inverter control PCB LCUM failure analysis repair status (1999 ~ 2015) 계부품불량구분 861 DC/DC컨버터부품 원인소멸 (572) 통신고장 589 118 97 374 제어불능 130 16 7 107 상고장 (phase) 34 2 10 22 전압센서 10 2 2 6 가선과전류 24 4 6 14 과전류 28 3 0 25 전류센서 46 7 15 24 2.2.2 제어장치 LCUM 의고장수선분석제어장치 LCUM 은고장발생시수리가능한장치로서수명이다해서폐기하기전까지는사용가능한 PCB 이며부품이고장시에는재사용이불가능한것으로구분하였다. PCB 의신뢰성을분석하기위해모수분포분석으로초기고장 (DFR), 우발고장 (CFR), 마모고장 (IFR) 의형상모수 (Shape Parameter) 에따라세가지고장률을모두표현할수있는와이블 (Weibull) 분포로평균수명 (MKBF) 을산출하였다. Table 2 에서제어장치 LCUM 의전체고장 861 건의수리하면서계산한평균고장간격 (MKBF) 이 527,156 km이다. 308 건은중복고장을제외한최초의고장으로평균고장간격 (MTTF) 이 848,469 km로계산되었다. Fig 2 은총 861 건 LCUM 의중복고장분석으로 DFR 의초기고장유형을나타냈고총 309 건고장은 IFR 의마모고장유형을나타냈다. 이렇게동일 PCB 에서다른결과를보여주는것은중복고장 553 건에대한초기고장시점검결과가점검양호, 원인소멸로정확한대처를못했다는결론을얻게되었다. Table 2 Parameter distribution analysis result of Inverter control PCB 부품 상관계수 형상모수 척도모수 평균고장 백분위수 B10 PCB 0.987 0.777 455,554 527,156 25,204 861 PCB 0.978 2.576 955.508 848,469 398,969 308 고장건수
LCUM 전체고장분포 (MKBF) LCUM 최초고장분포 (MTTF) Fig.2 Parameter distribution overview of inverter control PCB 2.2.3 제어장치 LCUM의부품수명예측고장분석을통해개별부품들의특성변화를정기적으로검사하면서사용기간의경과에따른부품들의변화를지속적으로기록분석한수명예측결과를 Table 3에정리하였다. Table 3 Parameter distribution analysis result of Inverter control PCB Electronic part 부품상관형상척도평균백분위수 고장 계수 모수 모수 고장 B10 건수 DC/DC 0.987 2.45 1,188,646 1,054,121 473,847 157 컨버터 다이오드 0.987 15.47 1,572,378 1,519,865 1,359,581 19 (LL4148) OP-AMP 0.935 17.42 1,525,113 1,479,298 1,340,269 13 2.3 제어장치 LCUM의주요부품의유지보수의개선점제시제어장치 LCUM의유지보수기준값과부품특성에따른성능에대한신뢰성있는유지보수를위해서필요한프로그램인 DCU-Term으로과학적인점검방법을제시하고자한다. DCU-Term 은감시명령어와아날로그, 논리적신호의상태를점검하는소프트웨어프로그램이다. 제어장치 LCUM의시리얼번호측정값이운행거리와시간에대해부품들의성능이저하되는시점에측정값이기준값과다른경우에는성능저하로예방차원에서교환하는정비가필요하다. Fig.3은제어장치LCUM의중요한기능을하는 DC/DC컨버터, OP-AMP에대한불량과
원인소멸고장의점검한수치의사례를보여준예이며, Table 4는부품별사전예방의점검방법을보여준것이다. DCU-Term 프로그램 부품점검사례 Fig.3 Part inspection case with DCU-Term program 부품 DC/DC 컨버터 Table 4 LCUM parts precautionary Summary 점검방법 (DCU-Term) 하드웨어소프트웨어 CPY15VOK, 5V, ±15V출력저항확인 CY15VNEG TPISSUM 참조 TPISSUM은 ±15V입력의전류치확인으로성능저하확인 캐패시터 (100nF) 5V, ±15V 출력저항확인원인소멸고장이많음 OP-AMP 신호출력값확인 TPOFF_IU, IV,IW, TPUD, TPIL OP-AMP 출력확인으로성능저하확인 다이오드 (LL4148) 전압확인 ( 순방향, 역방향 ) TPOFF_IU, IV,IW, TPUD, TPIL 다이오드부품의성능저하확인 3. 결론유지보수에대한제어장치의기준은부품의수명예측과성능이저하되는시점의예방점검이다. 부품특성에대한수명예측은동일부품이라도동작하는기능에따라수명이다르며성능이저하되는시점도다르다. 부품의수명예측은제어장치의안전한유지와물품관리를할수있다. 부품의조합으로이루어진제어장치의신뢰성을향상하기위해서는장치의고유번호관리로정기적인점검시주요신호들의측정값으로성능상태를알수있는기준
값을제시하였고고장에대한전문적인수선과수선이력자료관리로초기, 우발, 마모고장등원인에대한대처가가능하게했다. 본논문에서분석한제어장치LCUM의효율적인유지보수는전문적인소프트웨어프로그램을활용하여고장에대한정확한조치와부품의성능이저하되는시점에적절한예방조치를통한고장감소를위한것이다. 참고문헌 [1] 김충수, (2015), 도시철도차량유지보수효율화방안고찰, 석사학위논문, 한양대학교 [2] 문효선,(2013), 도시철도신호장치의신뢰도분석및 RCM 적용에관한연구, 석사학위논문, 서울과학기술대학교 [3] 노범택,(2015), 승객서비스장치의신뢰성향상방안연구, 석사학위논문, 한국교통대학교교통대학원 [4] 신건영,(2011), 계전기및접촉기의전동차운행특성에따른수명분석과신뢰도예측, 석사학위논문, 서울과학기술대학교 [5] 최승보,(2014), 철도차량전기식출입문시스템의신뢰도분석, 석사학위논문, 서울과학기술대학교 [6] 홍혁기,(2014), 전동차용접지브러쉬시스템유지보수성능신뢰도예측에관한연구, 석사학위논문, 인천대학교 [7] 김한영,(2013), Burn-in 및 FMECA를통한도시철도시스템의운영신뢰성향상에관한연구, 박사학위논문, 경일대학교 [8] 문용선,(2015), FMECA를이용한전동차고속차단기신뢰도분석 석사학위논문, 서울과학기술대학교 [9] 김용욱,(2015), 전동차의횡댐퍼적정교체주기도출에관한연구 석사학위논문, 서울과학기술대학교