2.1 해치시스템 주요 구성품

전두부는 차량의 선두에서 일정한 전단면까지를 지칭하는 것으로 고속철의 전두부 형상은 고속주행 시 공기저항을 줄이기 위한 기능적 의미뿐만 아니라 차량이 가지는 성능과 특징을 포함한다.

그림 1은 해치시스템 주요 구성품으로 고속철도차량 전방에 위치하여 중련연결 운행을 위한 해치 커버의 개폐 제어 기능을 수행하는 시스템이다. 해치시스템은 크게 구조적인 부분과 기능적인 부분으로 분류된다. 구조적인 부분은 해치 커버(A), 노우즈링부(B), 점검 커버(C, D), 구조부(F) 등으로 구성되고 기능적인 부분은 공압 작동부(G), 전조등(E), 제어부(H)로 구성된다.

해치시스템은 열차의 고속주행 시 커플러 보호와 함께 공력저항을 줄일 수 있는 유려한 형상이 요구된다. 전두부 공기저항이 클 시 차량의 효율은 감소하고 소음, 진동 등으로 인한 승차감 하락과 차량의 수명주기에도 영향을 미치기 때문이다.

그림 1 해치시스템 구성품

Fig. 1 Hatch System Components

2.2 구동부

구동부는 해치 커버 열림, 닫힘 및 잠금 동작을 수행하며, 해치 제어기에서 신호를 받은 공압 제어장치의 전자밸브가 공압실린더(로드레스 실린더)를 구동하여 이루어진다.

그림 2 해치시스템 동작 메커니즘

Fig. 2 Hatch System Operation Mechanism

그림 2는 해치시스템 동작 메커니즘을 보여준다. 해치 커버 당 각각 1개의 구동 공압실린더와 잠금 공압실린더로 구성되며, 열림 동작 시 잠금장치가 해제되고 해치 커버가 열리며 다시 잠금장치가 고정된다.

2.3 제어기

제어기는 해치 커버 제어 기능을 하며, 차량과 신호 인터페이스를 통해 해치 커버의 열림 및 닫힘 동작을 수행하며, 기능상의 고장 메시지를 차량에 전송하며 기록한다. 그림 3은 해치시스템 제어기 블록도로 열림, 닫힘, 고장 메시지는 운전실에 있는 표시등을 점등한다. 그리고 고장 메세지는 Reset을 이용하여 Error를 초기화하고 재동작을 수행할 수 있다.

제어기는 차량속도 신호를 받아 동작하도록 설계되어 있다. 차량속도가 0km/h 일 경우 제어기 동작에 따라 해치 커버의 동작이 가능하지만, 30km/h 이상에서는 안전성을 고려하여 해치에 관련된 모든 제어가 불가능하며, 해치 커버가 열렸을 경우 자동으로 닫힘 동작을 수행하게 된다⁽⁵⁾.

그림 3 해치시스템 제어기 블록도

Fig. 3 Hatch System Controller Block Diagram

2.4 해치시스템 고장유형

표 1은 고속철도차량 해치시스템의 주요고장 유형으로 해치 개/폐 오류, 제어기 불량, 리미트 스위치 절손, 통신 불량 등 제어부 고장이 18건, 공기 누설 등 작동부 고장이 5건으로 중고장 발생 건수는 2021년 기준 최근 10년 23건으로 확인되었다⁽⁶⁾.

제어부는 해치가 동작할 수 있도록 전기 및 공압을 제어하기 때문에 제어부가 고장 발생 시 해치가 동작할 수 없으며, 고장 신호에 따라 열차 운행을 제한할 수 있기 때문에 높은 신뢰도를 요구한다.

현재 우리나라 고속철도에 적용되는 해치시스템은 전량 해외 제조사에서 수입하고 있으며, 세계 고속철도 해치시스템 시장에서 독일의 ‘V’사와 스웨덴의 ‘D’사가 대부분 점유하고 있어 고장 발생 시 수입되는 과정에서 발주에서 입고까지 조달 기간이 장기간 소요된다.

또한 작동식 커플러의 경우 해치시스템과 커플러 작동 간 상호 연계되어 일체로 제작하여 운영되는 실정이다. 이로 인해 타 제조사의 해치시스템과 작동식 커플러의 인터페이스 호환성 문제 등으로 철도차량의 개량 및 노후 부품 대체 시에도 해외에 의존할 수밖에 없는 실정이다.

이에 철도운영기관에서는 해치시스템 제어기의 동작 신뢰도를 높이고, 부품 조달 시간을 단축할 수 있도록 국산화 개발을 하고 있다.

3.1 전기적 인터페이스

그림 4 해치시스템 인터페이스

Fig. 4 Hatch System Interface

그림 4는 해치시스템 인터페이스 회로를 나타낸다. 인터페이스 회로는 크게 전원부, 입력부, 출력부로 구분된다. 전원부는 차량에서 공급받은 DC 100[V] 배터리 전원을 인가받아 제어기에 공급하고 제어기에 필요한 DC 전원을 변환한다. 그리고 차량 속도와 해치 동작 정보 및 리미트 스위치 상태 정보를 제공하는 입력부, 해치 커버를 동작할 수 있도록 공압 밸브를 제어하고 해치시스템 상태를 표시하는 출력부로 구성된다.

1) 차량 속도 입력신호(C4, C5, C6)

차량 속도는 C4=0[km/h], C5<3[km/h], C6<30[km/h]의 3가지 속도 신호를 입력받으며 C4 입력신호에만 해치 커버 열림 동작이 가능하며, C6 입력신호에서는 해치 커버가 열려있는 경우 안전을 위하여 자동으로 닫힌다.

2) 해치 동작 입력신호(C1, C2, C3, C7, C8)

C1, C3은 해치 커버 닫힘 및 열림 신호, C2, C7은 커플러 분리 및 연결 신호로 운전실에서 해치시스템 버튼 동작 시 각 버튼에 따라 신호가 입력된다.

3) 센서 입력신호(S1~S14)

S1~S14는 해치 동작 입력신호 발생 시 제어기가 동작하고, 공압 밸브가 동작하여 해치 커버, 잠금장치, 연결기 등이 개/폐 동작되고 리미트 스위치 동작에 따라 입력신호가 발생된다.

4) 해치시스템 상태 출력신호(I1~I6)

해치시스템 상태 출력신호는 해치 커버, 커플링 동작 상태, 고장 신호를 나타내는 표시부로 각 동작 상태에 따라 운전실 램프가 점등되어 해치시스템 상태를 표시한다.

5) 공압 밸브 제어 출력신호(V1~V9)

공압 밸브 제어 출력신호는 커플러 전/후진, 잠금장치, 해치 커버 개/폐 등 제어기로 들어오는 입력신호 조건에 따라 각 장치의 공압실린더를 동작할 수 있도록 제어하는 출력신호이다.

상기와 같이 해치시스템은 5가지의 입/출력신호가 제어기를 통하여 공압 밸브를 제어하여 동작하기 때문에 해치시스템은 제어기의 전기적 인터페이스를 필수적으로 고려해야 하고 입력 및 출력 신호에 대한 분석이 요구된다.

3.2 동작 시퀀스

그림 5는 해치시스템 동작 시퀀스로 해치 커버 개/폐에 따른 전기, 공압, 기계적 동작을 보여준다.

1) 해치 커버 열림 시퀀스

해치 커버 열림 동작은 철도차량의 정지상태에서 시작된다. 이때 전기 및 공압 상태가 정상이어야 하고 해치 커버가 닫힘 및 잠금 상태이어야 한다. 철도차량의 기관사가 전부 해치 또는 후부 해치 열림 버튼을 약 2초간 누르면 해치 동작 입력신호가 제어기에 인가된다. 따라서 잠금장치 밸브가 동작하여 공압실린더로 공기가 인입하여 스토퍼가 회전하여 잠금을 해제한다.

잠금장치 해제가 완료되면 해치 커버 열림 밸브가 동작하여 공압실린더로 공기가 인입하여 해치 커버를 회전한다.

해치 커버 열림 동작이 종료하면 센서 신호에 따라 잠금장치 밸브가 재동작하여 공압실린더로 공기가 인입하여 스토퍼가 회전하여 해치 열림 상태 잠금 동작을 하여 운행 중 닫힘동작이 일어나지 않도록 고정하며, 운전실에 동작완료 램프를 점등시킨다.

2) 해치 커버 닫힘 시퀀스

해치 커버 닫힘 동작은 해치 커버 열림 및 잠금 상태, 커플링 분리상태일 때 시작된다. 이때 전기 및 공압 상태가 정상이어야 한다. 철도차량의 기관자가 전부 해치 또는 후부 해치 닫힘 버튼을 약 2초간 누르면 해치 동작 입력신호가 제어기에 인가되어 잠금장치 밸브가 동작하고 공압실린더로 공기가 인입하여 스토퍼가 회전하여 잠금을 해제한다.

잠금장치 해제가 완료되면 해치 커버 닫힘 밸브가 동작하여 공압실린더로 공기가 인입하여 해치 커버를 회전한다.

해치 커버 닫힘 동작이 종료하면 센서 신호에 따라 잠금장치 밸브가 재동작하여 공압실린더로 공기가 인입하여 스토퍼가 회전하여 해치 닫힘 상태 잠금 동작을 하여 운행 중 열림 동작이 일어나지 않도록 고정하며, 운전실에 동작완료 램프를 점등시킨다.

3.3 어기 설계

기존 해치시스템의 제어기는 PLC로 설계되어 배선이나 릴레이 등 물리적인 변경 없이 제어회로의 수정이 가능하고 각종 센서를 통해 제어가 가능하다. 그러나 해외 제조업체마다 다른 언어의 S/W를 사용하여 규격화되어 있지 않으며 프로그래밍이 복잡하기 때문에 트러블 및 추가 기능이 필요할 경우 추가 입력 및 출력 모듈이 필요하다. 또한 PLC자체가 고장이 발생할 경우 원인 파악이 불가능하여 시스템 고장 발생에 따른 대응이 늦으며, 해치 동작 상태를 운전실에서 어떤 동작까지 수행되었는지 확인할 수 없다. 이에 운영기관에서는 해치 동작 모니터링 장치를 운전실에 추가 설치하여 기관사가 해치 동작 시 각 모드별 동작 시퀀스를 모니터링할 수 있도록 고려하고 있다. 따라서 본 논문에서는 해치시스템이 추후 개량을 고려하여 확장이 편리한 PCB 타입으로 제어기를 설계하였으며, MCU로 많이 사용되고 있는 320F28377XX DSP를 사용하여 프로그래밍 언어를 사용하였다. 또한 철도차량 환경시험에 적합하도록 절연, 전원, EMI/EMC, 온도, 진동/충격 등을 고려하여 각 부품을 선정하게 설계하였다.

그림 6은 해치시스템 제어기로 DC/DC 컨버터를 비롯하여 EMI/EMC 필터, MCU, 해치시스템 상태 출력, 공압 밸브 제어 출력, 차량 속도 입력, 해치 동작 입력, 센서 입력으로 구성된다. DC/DC 컨버터는 차량 배터리 전원 DC 72[V] ~ DC 100[V]가 인가되어 공압 제어 밸브 입력 전원 DC 24[V]로 변환하고, MCU 구동을 위한 DC 5[V] 전원으로 변환한다. MCU 회로는 DSP 소프트웨어 디버깅이 가능하도록 현재 많이 사용하는 2개의 에뮬레이터 단자를 설계에 반영하여 사용자의 편리성을 확보했다.

C1 ~ C8은 해치 동작 및 차량 속도 입력부로 운전실에서 해치 커버 개/폐 동작 신호를 발생하면 입력 DC 100[V] 전압이 인가되어 MCU 입력신호 DC 5[V]로 변환하는 부분이다.

V1 ~ V8B는 공압 밸브 제어 출력부로 해치 동작 신호에 따라 MCU에서 동작 조건 등을 연산하여 각 공압 밸브 동작 신호를 받아 공압 밸브 제어 출력전압 DC 24[V]를 인가하여 잠금장치 및 공압실린더를 개/폐 동작을 수행하게 한다.

S1 ~ S15는 센서 입력부로 공압실린더 동작에 따라 해치 동작이 완료되면 리스트 스위치의 접점을 동작시켜 MCU로 해치 동작 완료 신호가 입력되는 부분이다.

I1 ~ I5는 해치시스템 상태 출력부로 해치 동작 완료 신호를 받아 운전실에 해치 동작 상태 램프에 DC 100[V] 전압을 인가하여 기관사에게 동작 완료를 표시한다.

그림 6 해치시스템 제어기의 형상

Fig. 6 Prototype of hatch system controller

3.4 모의실험

그림 7은 해치시스템 시험기로 해치시스템 제어기 시제품의 기능 확인을 위하여 해치시스템 동작 모의실험을 수행하였다.

시험기는 동력분산식 고속철도차량 전두부 해치시스템과 동일하게 구성하였으며, 해치시스템의 프레임 조립체, 해치 커버 프레임, 공압실린더, 공압 밸브, 제어기로 구성되어 있다. 시험기에는 운전실 해치 조작대와 커플러가 포함되어 있지 않아 해치 동작 신호, 차량 속도 신호와 커플러 연결 신호는 시험기에 가상으로 전압을 인가하여 제어기 정상 동작 상태를 구현하였다.

그림 8은 해치 동작 입력신호에 따른 제어기 출력 파형으로 운전실에서 해치 열림 버튼을 누르면 해치 커버 열림 신호(PB) DC 100[V] 출력이 제어기 C3 커넥터로 입력된다. MCU를 통해 다음 동작인 해치 커버 잠금 해제를 위하여 공압 제어 밸브(V5) DC 24[V]가 출력되는 것을 확인할 수 있다. 또한 잠금 해제 밸브(V5)와 동시에 운전실 해치시스템 상태표시기 램프가 점등될 수 있도록 상태표시 출력(I3) 값인 DC 100[V]가 동시에 출력된다.

그림 7 해치시스템 시험기

Fig. 7 Prototype of hatch system tester

그림 8 해치 동작 신호에 따른 제어기 출력 파형

Fig. 8 Controller Output waveform according to Hatch operation signal (Open Mode) PB: 100[V/Div], V5: 20[V/Div], I3: 100[V/Div], V7B: 20[V/Div]

그리고 잠금 해제 밸브(V5) 신호에 의해 공압실린더 동작이 완료와 동시에 리미트 스위치 센서신호(S2) DC 24[V]가 제어기로 인가되면 해치 커버 열림 밸브(V7B)가 DC 24[V] 출력 값으로 해치 커버 열림 공압실린더를 동작되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 각 동작 조건에 따른 제어기 동작 시퀀스는 이상이 없음을 확인할 수 있다. 해치 닫힘 동작도 열림 동작과 각 입출력 선 번호만 다르며, 출력값은 동일하다.