박건원
(Gunwon Park)
1iD
최규형
(Kyuhyoung Choi)
†iD
-
(Dept. of Railway Safety Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University
of Science and Technology, Korea. E-mail: smscpgw@hanmail.net)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
FMECA, Points, RCM, Railway Signals
1. 서 론
철도에서 열차를 운영함에 있어서 진행방향을 바꾸기 위한 주요 신호설비인 선로전환기는 분기부에 설치되어 있으며 열차의 탈선, 지연운행과 밀접한 관계가
있다. 우리나라의 고속철도, 일반철도, 광역철도, 도시철도, 경전철 등에 약 1 만대가 설치되어 있는 NS 계열의 선로전환기는 1970년대 수동운전방식의
계전연동장치부터 현재의 자동 및 무인운전방식의 전자연동장치까지 널리 사용되고 있다. 하지만 선로전환기는 장애가 발생하였을 때 고장복구를 위한 점검
시간이 과다하게 소요될 뿐만 아니라 철도신호 숙련자만이 점검 가능하여 신속한 고장조치와 원활한 열차 소통에 어려움이 있고 중대한 사고의 중심에는 직·간접적으로
선로전환기가 있었다. 따라서 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 NS-선로전환기의 효과적인 유지관리를 위해 고장모드를 분석하여 문제점들을 구조적으로
해결 할 수 있는 방법을 제시하는 등 예방적 유지보수(Preventive Maintenance, PM) 기법을 통해 최적화하는 것이 요구되고 있다.
2. 선로전환기 시스템 고장 분석
2.1 선로전환기 시스템의 구조
철도신호장치는 열차의 진로 및 간격제어를 수행하여 위험측 오동작이 발생하는 경우 열차충돌 또는 탈선 등 심각한 사고의 원인이 되므로 철도시스템의 안전핵심장치이다.
열차를 운행할 때 필연적으로 실행되면서 안전핵심장치인 선로전환기의 전환은 신호취급실이나 종합관제소 같은 원격지에서 조작자나 TCC 운전 프로그램으로
부터 제어정보를 현장 선로전환기에 지령한다.
선로전환기 시스템은 취급버튼, 제어장치, 모터, 전환부, 쇄정부, 표시장치, 외함 등으로 구성되어 있고 연동장치에서 선로전환기에 제어출력을 할 경우에는
입력모듈, 출력모듈, 선로전환기 모듈을 제조사 사양에 따라 복합적으로 사용한다. 이러한 선로전환기의 동작은 취급자의 의사와 일치된 분기부의 텅레일
전환 방향 및 밀착유지 등을 검사하는 기능이 반드시 필요하며 신빙성이 완벽하여야 한다. 그림 1은 선로전환기 시스템의 동작계통도이다(1).
그림 1 선로전환기 제어 블록다이어그램
Fig. 1 Points System control Block diagram
그러한 과정에서 선로전환기 시스템의 각 부품들은 서로 유기적인 관계를 맺고 있어 개별 부품의 고장은 선로전환기 기능 제한으로 이어질 수 있음을 확인할
수 있다. 따라서 제어의 안정성, 전환 및 표시의 정확성, 밀착의 유지확보를 위한 기계적, 전기적 기능설계가 보장되어야 하고 관련 신호장치의 연쇄가
완벽하게 이루어질 수 있어야 한다.
2.2 선로전환기 고장처리
그림 2는 현장고장 발생 시 복구·처리하는 예시로 기존의 문제점은 고장이 발생한 후 사후 조치를 하는 형태(Reactive Mode)로 열차 운행지연과 보수인력이
선로에 투입되어 위험이 수반되는 교정적(Corrective) 유지보수에 있다.
그림 2 선로전환기 고장처리방법 현황
Fig. 2 Points System failure handling method status
이에 고장모드를 분석하여 문제점들을 구조적으로 해결하고 주어진 시간에 시스템의 가동 기능성을 확보하며, 비용지출을 최소화하는 등의 장점을 가진 예방적
유지보수(Preventive Maintenance, PM)를 수행할 필요가 있다. 그림 3은 선로전환기 시스템의 구조로 고장데이터 수집부터 개선조치의 대상이 되는 장치들이다.
그림 3 선로전환기 시스템 구조
Fig. 3 Points System structure
2.3 분석절차
본 연구에 적용한 분석절차는 그림 4와 같다. 절차는 고장데이터의 수집, 데이터의 분류, FMECA 분석, 치명장치 선정, 유지보수 개선(PM 종류 결정, 종류별 개선사항) 순으로 이루어졌다.
그림 4 분석절차
Fig. 4 Analysis procedure
2.4 선로전환기 시스템의 고장 분석
서울교통공사 1~8호선에서 2012년부터 2021년까지 선로전환기 시스템에서 발생한 고장데이터 분석을 수행하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 철도신호 선로전환기 시스템을 구성하는 구성품인 NS계열 선로전환기 전기장치, 기계장치, 제어모듈, 계전기, 제어회선, 외적요인 6개의
주요 구성에 대하여 총 27개의 고장모드가 도출되었다. 선로전환기 시스템의 고장자료는 객관성을 위해 열차운행에 지연을 초래한 안전조사부서 자료에 근거한
64건을 분석하였다.
이 고장 중 선로전환기 전기장치와 관련된 고장이 29건으로서 전체고장 중 45.3[%]로 가장 많은 부분을 차지했고, 제어모듈 고장이 13건으로 20.3[%]를
차지해 두 번째로 높은 비율로 나타났다.
표 1 선로전환기 시스템 고장분석
Table 1 Failure analysis of Points System
|
Component
|
No
|
Failure Mode
|
Location
Railroad or Signal Room
|
No. of failures
|
Recovery time. of failures
|
|
No.
|
Rate
(%)
|
Propor-
tion(%)
|
Time(min).
|
Ave-
rage
|
Time level
|
Rate
(%)
|
Propor-
tion(%)
|
|
Points Electrical part
|
1
|
Wiring Ass'y
|
R
|
29
|
13
|
45.3
|
44.8
|
2,729
|
1413
|
109
|
60＜
|
65.1
|
51.8
|
|
2
|
Circuit control
|
R
|
8
|
27.6
|
594
|
74
|
60＜
|
21.8
|
|
3
|
Condenser terminal cable
|
R
|
4
|
13.8
|
418
|
105
|
60＜
|
15.3
|
|
4
|
Control relay
|
R
|
2
|
6.9
|
137
|
68
|
60＜
|
5.0
|
|
5
|
Motor
|
R
|
2
|
6.9
|
166
|
83
|
60＜
|
6.1
|
|
Points Mechanical part
|
6
|
Motor Key
|
R
|
7
|
2
|
10.9
|
28.6
|
591
|
349
|
175
|
60＜
|
14.1
|
59.2
|
|
7
|
Lever stroke wear breakage
|
R
|
2
|
28.6
|
146
|
73
|
60＜
|
24.7
|
|
8
|
Fixing bolt loose
|
R
|
1
|
14.3
|
26
|
26
|
≤30
|
4.4
|
|
9
|
Front rod Cotter pin
|
R
|
1
|
14.3
|
37
|
37
|
≤60
|
6.3
|
|
10
|
Manual key
|
R
|
1
|
14.3
|
24
|
24
|
≤60
|
5.4
|
|
Control module
|
11
|
DIGITAL I/O
|
S
|
13
|
4
|
20.3
|
30.8
|
551
|
89
|
22
|
≤30
|
13.1
|
16.2
|
|
12
|
Module Indication
|
S
|
4
|
30.8
|
188
|
47
|
≤60
|
34.1
|
|
13
|
Module Control
|
S
|
2
|
15.4
|
145
|
73
|
60＜
|
26.3
|
|
14
|
Module Motor
|
S
|
2
|
15.4
|
74
|
37
|
≤60
|
13.4
|
|
15
|
EPROM
|
S
|
1
|
7.7
|
54
|
54
|
≤60
|
10.0
|
|
Relay
|
16
|
WLR
|
S
|
5
|
2
|
7.8
|
40.0
|
90
|
39
|
20
|
≤30
|
2.1
|
43.3
|
|
17
|
CR
|
S
|
1
|
20.0
|
13
|
13
|
≤30
|
14.4
|
|
18
|
LR base
|
S
|
1
|
20.0
|
19
|
19
|
≤30
|
22.2
|
|
19
|
N·R WR
|
S
|
1
|
20.0
|
17
|
17
|
≤30
|
20.0
|
|
Control line
|
20
|
Connector Terminal
|
S
|
5
|
2
|
7.8
|
40.0
|
164
|
96
|
48
|
≤60
|
3.9
|
59.1
|
|
21
|
Fuse Control
|
S
|
1
|
20.0
|
23
|
23
|
≤30
|
14.0
|
|
22
|
Fuse Thunderstroke
|
S
|
1
|
20.0
|
13
|
13
|
≤30
|
8.5
|
|
23
|
Fuse NFB
|
S
|
1
|
20.0
|
30
|
30
|
≤60
|
18.3
|
|
External factors
|
24
|
Inerlocking device Route contention
|
S
|
5
|
2
|
7.8
|
40.0
|
68
|
27
|
14
|
≤30
|
1.6
|
41.2
|
|
25
|
Mixed contact during inspection
|
S
|
1
|
20.0
|
12
|
12
|
≤30
|
17.6
|
|
26
|
Connector relaxation
|
S
|
1
|
20.0
|
20
|
20
|
≤30
|
30.9
|
|
27
|
Cable stricture
|
R
|
1
|
20.0
|
7
|
7
|
≤30
|
10.3
|
분석된 27개 고장모드별 발생건수는 총 64건으로 배선세트 13건, 회로제어기 8건, 콘덴서 단자케이블ㆍDIGITAL I/Oㆍ모듈 표시 4건 순이며,
복구시간은 총 4,175분으로 배선세트 1,413분, 회로제어기 594분, 콘덴서 단자케이블 418분 순으로 개별 고장모드의 발생건수와 조치시간이
누계와 함께 그림 5와 같이 분석되었다.
3. 선로전환기 시스템의 FMECA 분석
3.1 고장 레벨
고장레벨은 고장모드가 시스템에 주는 영향의 심각도를 나타내며, FMECA에서는 고장모드별로 고장레벨과 고장발생률로부터 치명도를 분석한다. 이에 따라
FMECA를 위해서는 우선적으로 고장레벨을 정의할 필요가 있는데, 고장레벨은 실제 운용환경에 적합하도록 정의되어야 한다. 선로전환기 시스템에서의 고장은
차량의 탈선이나 인명 사상 등과 같은 중대사고를 유발할 수 있다.
그림 5 고장모드 그래프(고장 발생건수, 조치시간)
Fig. 5 Failure mode Graph(Number of occurrences, Recovery time)
선로전환기 시스템 고장에 따른 열차운행지연 등을 초래하는 것에 대하여 철도시스템 RAMS 적용 규격(IEC-62278)에서 제시한 4단계 고장등급을
기준으로 하고, 각 등급에 대한 선로전환기 시스템의 고장레벨을 복구시간과 장소 구분에 따라 전문가집단(현장에 근무하는 10년 이상 경력자 10명)의
의견수렴 및 코레일 탈선사고 사례(2,3)을 참조하여 서울교통공사 1~8호선에서 2012년부터 2021년까지 발생한 고장이 시스템에 미치는 영향을 표 2의 고장레벨에 따라 분류하고 FMECA를 수행하였다(4,5).
표 2 선로전환기 시스템의 고장 레벨
Table 2 Failure level definition for points system
|
Failure level
|
IEC-62278
|
Points system
|
|
Ⅰ
|
Catastrophic
|
A failure which may cause death or weapon system loss.
|
- Failures exceeding 60 minutes that require action at the railway track site
|
R, 60＜
|
|
Ⅱ
|
Critical
|
A failure which may cause severe injury, major property damage, or major system damage
which will result in mission loss.
|
- Failures of less than 60 minutes that require action at the railway track site
- Faults in excess of 60 minutes that can be repaired in the signal room
|
R, ≤60
S, 60＜
|
|
Ⅲ
|
Marginal
|
A failure which may cause minor injury, minor property damage, or minor system damage
which will result in delay or loss of availability or mission degradation.
|
- Faults in less than 30 minutes that require action at the railway track site
- Failures that can be repaired in the signal room within 60 minutes
|
R, ≤30
S, ≤60
|
|
Ⅳ
|
Minor
|
A failure not serious enough to cause injury, property damage, or system damage, but
which will result in unscheduled maintenance or repair.
|
- Failures that can be repaired in the signal room in less than 30 minutes
|
S, ≤30
|
3.2 치명도 분석 기법
치명도 계산은 MIL-1629a의 지침에 따른 분식 기법을 이용하였으며, 단일 고장모드가 시스템에 미치는 영향을 평가하기 위한 것인 고장모드의 치명도
Ci는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다(6).
t는 구성요소의 동작시간, β는 고장모드의 고장영향확률, α는 구성요소가 특정 고장모드로 고장이 발생하는 비율, λ는 구성요소의 고장률을 나타낸다.
구성요소 치명도 Cc는 구성요소들에서 나타나는 고장모드의 치명도를 더한 값으로부터 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
n은 구성요소의 모든 고장모드 합이다.
구성요소의 고장율 λ은 식 (3)과 같이 평균 고장률로 나타낼 수 있다.
N은 주어진 기간 동안 구성요소에서 발생한 모든 고장모드의 합계이다.
표 3 전형적인 고장영향확률
Table 3 Typical probability of failure impact
|
β
|
1.0
|
> 0.1 to < 1
|
> 0 to < 0.1
|
0
|
|
Failure impact
|
Actual loss
|
Probable loss
|
Possible loss
|
No loss
|
표 4 선로전환기 시스템 고장모드별β 산정
Table 4 Calculation of β for points system failure mode
|
Component
|
No
|
Failure Mode
|
Failure Cause
|
Failure impact
|
Failure level
|
β
|
|
Points Electrical part
|
1
|
Wiring Ass'y
|
- Fixing bolt·nut·terminal loosening and damage
- Corrosion and tension relaxation due to moisture
|
- Out of display operating voltage error range
- Connection relay (device) inoperable
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1
|
|
2
|
Circuit control
|
- Contact wear/corrosion, material defect
|
- Display power feedback impossible
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1
|
|
3
|
Condenser terminal cable
|
- Mixing of cable sheath and enclosure, loosening of terminals
|
- Inability to switch motors, malfunction of adjacent devices
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1
|
|
4
|
Control relay
|
- Motor power contact damage
|
- Motor power voltage drop
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1
|
|
5
|
Motor
|
- Deterioration (used more than 400,000 times in 20 years)
|
- Motor conversion impossible
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1
|
|
Points Mechanical part
|
6
|
Motor Key
|
- Motor rotation axis alignment key (fixing pin) damaged
|
- Separation of motor and clutch connection
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1
|
|
7
|
Lever stroke wear breakage
|
- Lever stroke material defect
|
- Circuit controller contact not configured
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1
|
|
8
|
Fixing bolt loose
|
- Plate(Triangular) and Push Bolt Floating bolt flow
|
- Broken locking
|
R, ≤30
|
Ⅲ
|
1
|
|
9
|
Front rod Cotter pin
|
- Separation of pin coater due to breakage of split pin
|
- Separation of font rod
|
R, ≤60
|
Ⅱ
|
1
|
|
10
|
Manual key
|
- Damage to the manual gear cover
|
- Manual switch OFF → Motor power cut off
|
R, ≤60
|
Ⅱ
|
1
|
|
Control module
|
11
|
DIGITAL I/O
|
- Digital I/O Poor information transmission
|
- Electronic interlock interface disabled
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
12
|
Module Indication
|
- DC/DC bad converter
|
- Display power not output
|
S, ≤60
|
Ⅲ
|
1
|
|
13
|
Module Control
|
- L/R relay contact damage due to counter-electromotive force
|
- Fuse break for control power supply
|
S, 60＜
|
Ⅱ
|
1
|
|
14
|
Module Motor
|
- Motor relay contact damage
|
- No power output for motor supply
|
S, ≤60
|
Ⅲ
|
1
|
|
15
|
EPROM
|
- Poor contact between EPROM and socket
|
- Digital I/O inoperable
|
S, ≤60
|
Ⅲ
|
1
|
|
Relay
|
16
|
WLR
|
- bad contact
|
- Control relay, motor power non-output
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
17
|
CR
|
- bad contact
|
- No power output for motor supply
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
18
|
LR base
|
- Mixed base terminal terminal
|
- No power output for motor supply
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
19
|
N·R WR
|
- Defective machine room control relay
|
- Output PCB burnout
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
Control line
|
20
|
Connector Terminal
|
- Digital I/O↔Poor housing connection
|
- Mechanical room→Field control power output defect
|
S, ≤60
|
Ⅲ
|
1
|
|
21
|
Fuse Control
|
- Control power fuse blown
|
- Control relay inoperable
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
22
|
Fuse Thunderstroke
|
- Fuse disconnection of display power supply due to ground lightning strike
|
- Control relay inoperable
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
23
|
Fuse NFB
|
- Control/display power breaker(NFB) trip
|
- Control relay, motor power non-output
|
S, ≤60
|
Ⅲ
|
1
|
|
External factors
|
24
|
Inerlocking Route contention
|
- Conflict between control command and lock function
|
- Unable to stop and re-handle during conversion
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
25
|
Mixed contact during inspection
|
- Short circuit of display power by test rod
|
- Digital I/O error and unhandling
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
26
|
Connector relaxation
|
- Poor installation of circuit controller connector
|
- Display power feedback impossible
|
S, ≤30
|
Ⅳ
|
1
|
|
27
|
Cable stricture
|
- Wiring set motor power ↔ enclosure narrowing
|
- Voltage drop due to leakage of display power
|
R, ≤30
|
Ⅲ
|
1
|
고장 수 t값은 구성요소의 실제 운용되는 시간을 사용한다. 그러나 본 연구에서 선로전환기는 장소와 시간에 따라 전환 및 사용되는 운용시간 산출이 어려운
경우로 선로전환기 시스템의 운용시간을 t=1Year로 설정하였다.
고장모드의 고장영향확률β는 특정 고장모드가 발생하였다는 조건하에 이 고장으로 인한 고장영향이 특정 고장레벨에 속하게 되는 조건부 확률을 의미하며
선로전환기 시스템에서 발생되는 모든 고장모드는 표 3에서 Actual loss에 해당한다. 따라서 모든 고장모드들은 β=1로 산정하였다(7,8).
본 논문에서는 운용 및 유지보수현장에서 각 고장모드별로 고장영향(고장레벨) 발생데이터를 수집, 분석하여 고장모드별 값을 표 4와 같이 산정하였다.
3.3 FMECA 분석
서울교통공사 1~8호선에서 2012년부터 2021년까지 10년간 선로전환기 시스템에서 발생한 고장데이터로부터 도출된 표 1의 고장분석결과와 표 2에서 제시한 고장레벨기준, 그리고 표 4의 고장모드별 고장영향 확률값을 토대로 식 (2)의 치명도 계산식을 이용하여 고장모드별 및 구성요소별 치명도를 분석하였다(8).
표 5는 분석결과를 정리한 것으로써, 여기서 구성요소별 치명도 Cc 는 고장레벨 별로 집계하여 나타내었다.
표 5 선로전환기 시스템 고장모드의 치명도 산정
Table 5 Criticality calculation of points system failure modes
|
Component
|
No
|
Failure Mode
|
No. of failures
|
Failure level
|
λY
|
α
|
β
|
Ci
|
Pi
|
Criticality class
|
Cc
|
|
No.
|
Propor-
tion(%)
|
|
Points Electrical part
|
1
|
Wiring Ass'y
|
29
|
13
|
44.8%
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
1.3
|
0.45
|
1
|
0.583
|
0.44
|
A
|
Ⅰ: 0.583
Ⅰ: 0.221
Ⅰ: 0.055
Ⅰ: 0.014
Ⅰ: 0.014
|
|
2
|
Circuit control
|
8
|
27.6%
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
0.8
|
0.28
|
1
|
0.221
|
0.20
|
A
|
|
3
|
Condenser terminal cable
|
4
|
13.8%
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
0.4
|
0.14
|
1
|
0.055
|
0.05
|
C
|
|
4
|
Control relay
|
2
|
6.9%
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
0.2
|
0.07
|
1
|
0.014
|
0.01
|
C
|
|
5
|
Motor
|
2
|
6.9%
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
0.2
|
0.07
|
1
|
0.014
|
0.01
|
C
|
|
Points Mechanical part
|
6
|
Motor Key
|
7
|
2
|
28.6%
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
0.2
|
0.29
|
1
|
0.057
|
0.06
|
C
|
Ⅰ: 0.057
Ⅰ: 0.057
Ⅱ: 0.014
Ⅲ: 0.014
Ⅲ: 0.014
|
|
7
|
Lever stroke wear breakage
|
2
|
28.6%
|
R, 60＜
|
Ⅰ
|
0.2
|
0.29
|
1
|
0.057
|
0.06
|
C
|
|
8
|
Fixing bolt loose
|
1
|
14.3%
|
R, ≤ 30
|
Ⅲ
|
0.1
|
0.14
|
1
|
0.014
|
0.01
|
C
|
|
9
|
Front rod Cotter pin
|
1
|
14.3%
|
R, ≤ 60
|
Ⅱ
|
0.1
|
0.14
|
1
|
0.014
|
0.01
|
C
|
|
10
|
Manual key
|
1
|
14.3%
|
R, ≤ 30
|
Ⅲ
|
0.1
|
0.14
|
1
|
0.014
|
0.01
|
C
|
|
Control module
|
11
|
DIGITAL I/O
|
13
|
4
|
30.8%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.4
|
0.31
|
1
|
0.123
|
0.12
|
B
|
Ⅱ: 0.031
Ⅲ: 0.123
Ⅲ: 0.031
Ⅲ: 0.008
Ⅳ: 0.123
|
|
12
|
Module Indication
|
4
|
30.8%
|
S, ≤ 60
|
Ⅲ
|
0.4
|
0.31
|
1
|
0.123
|
0.12
|
B
|
|
13
|
Module Control
|
2
|
15.4%
|
S, 60＜
|
Ⅱ
|
0.2
|
0.15
|
1
|
0.031
|
0.03
|
C
|
|
14
|
Module Motor
|
2
|
15.4%
|
S, ≤ 60
|
Ⅲ
|
0.2
|
0.15
|
1
|
0.031
|
0.03
|
C
|
|
15
|
EPROM
|
1
|
7.7%
|
S, ≤ 60
|
Ⅲ
|
0.1
|
0.08
|
1
|
0.008
|
0.01
|
D
|
|
Relay
|
16
|
WLR
|
5
|
2
|
40.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.2
|
0.40
|
1
|
0.080
|
0.08
|
C
|
Ⅳ: 0.080
Ⅳ: 0.020
Ⅳ: 0.020
Ⅳ: 0.020
|
|
17
|
CR
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
18
|
LR base
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
19
|
N·R WR
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
Control line
|
20
|
Connector Terminal
|
5
|
2
|
40.0%
|
S, ≤ 60
|
Ⅲ
|
0.2
|
0.40
|
1
|
0.080
|
0.08
|
C
|
Ⅲ: 0.080
Ⅲ: 0.020
Ⅳ: 0.020
Ⅳ: 0.020
|
|
21
|
Fuse Control
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
22
|
Fuse Thunderstroke
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
23
|
Fuse NFB
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 60
|
Ⅲ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
External factors
|
24
|
Inerlocking device Route contention
|
5
|
2
|
40.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.2
|
0.40
|
1
|
0.080
|
0.08
|
C
|
Ⅲ: 0.020
Ⅳ: 0.080
Ⅳ: 0.020
Ⅳ: 0.020
|
|
25
|
Mixed contact during inspection
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
26
|
Connector relaxation
|
1
|
20.0%
|
S, ≤ 30
|
Ⅳ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
|
27
|
Cable stricture
|
1
|
20.0%
|
R, ≤ 30
|
Ⅲ
|
0.1
|
0.20
|
1
|
0.020
|
0.02
|
C
|
표 5에서, IEC-60812 규격에서 계산된 값 Pi는 식 (4)에 대입하여 치명도를 분석하기 위한 발생확률로 환산한다. 치명도 등급은 표 6과 같이 정의되어 있다.
표 6 IEC-60812 치명도 등급
Table 6 Criticality class classification in IEC-60812
|
Criticality class
|
1 or E
|
2 or D
|
3 or C
|
4 or B
|
5 or A
|
|
Probability of occurrence
|
0≤Pi
<0.001
|
0.001≤Pi
<0.01
|
0,01≤Pi
<0.1
|
0.1≤Pi
<0.2
|
Pi≥0.2
|
표 5의 치명도 분석결과로부터, 고장레벨의 등급별로 치명도를 정리하여 표 7에 나타내었다.
표 7 고장레벨별 치명도 순위
Table 7 Ranking of criticality according to failure level
|
Ranking
|
Failure level Ⅰ
|
Failure level Ⅱ
|
Failure level Ⅲ
|
Failure level Ⅳ
|
|
Failure Mode
|
Ci
|
Pi
|
Failure Mode
|
Ci
|
Pi
|
Failure Mode
|
Ci
|
Pi
|
Failure Mode
|
Ci
|
Pi
|
|
1
|
1. Wiring Ass'y
|
0.58
|
0.44
|
13. Module Control
|
0.03
|
0.03
|
12. Module Indication
|
0.12
|
0.12
|
11. DIGITAL I/O
|
0.12
|
0.12
|
|
2
|
2. Circuit control
|
0.22
|
0.20
|
9. Front rod Cotter pin
|
0.01
|
0.01
|
20. Connector Terminal
|
0.08
|
0.08
|
16. Relay WLR
|
0.08
|
0.08
|
|
3
|
3. Condenser terminal cable
|
0.06
|
0.05
|
-
|
|
|
14. Module Motor
|
0.03
|
0.03
|
24. Interlocking device Route contention
|
0.08
|
0.08
|
표 7의 치명도 순위로부터 배선세트 불량, 회로제어기·제어계전기 등이 고장레벨 Ⅰ에 해당하여 고장영향이 크고 치명도 및 발생확률도 높게 나타나고 있는 것을
알 수 있다. 이상과 같은 정량적인 치명도 분석결과와 함께 치명도 평가를 가시적이고 직관적으로 수행하기 위하여 IEC-60812에서 제시한 치명도
평가기법을 적용하였다. IEC-60812에서는 치명도를 식 (4)와 같이 발생확률로 변환한 후, 이를 표 6에 보이는 것처럼 치명도 등급으로 변환하고 치명도 매트릭스를 작성하여 치명도 분석을 수행한다.
표 5에서 작성된 선로전환기 시스템의 고장모드에 대한 치명도 매트릭스를 그림 6에 나타내었다. 여기서 치명도가 가장 높은 High risk순으로 정리한 표 7에서 배선 Ass'y, 회로제어기, 콘덴서 단자, 제어계전기, 모터, 모터 키, 캠바 유격절손, 첨단부 분할핀, 모듈 표시, 모듈 제어 불량의 10가지
고장모드가 포함되며 선로전환기 시스템의 운용에 가장 많은 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.
이상의 분석결과를 토대로 설비별 유지보수의 우선순 또한 고장레벨 Ⅱ에서도 모듈 제어, 첨단부 분할핀이 발생확률이 높게 나타나고 있다. 신호기계실 실내에서
발생되는 모듈 표시, 커넥터 단자, DIGITAL I/O, 계전기 고장 등은 고장레벨 Ⅲ/Ⅳ로 낮다는 것을 알 수 있다. 위를 정할 수 있으며, RCM(Reliability-
Centered Maintenance) 프로세스를 적용한 예방적 유지보수(Preventive Maintenance, PM)목록을 작성할 때 위에서
정한 우선순위를 고려할 수 있다.
그림 6 치명도 매트릭스 다이어그램
Fig. 6 Criticality Matrix diagram
4. RCM 프로세스 적용
4.1 선로전환기 시스템 유지보수 RCM기법 도입
신뢰도 중심 정비 최적화란 설비에 대한 보수나 정비행위 그 자체를 의미하는 것이 아니고 신뢰도를 향상시키기 위하여 개선된 정비전략을 수립하는데 유용한
기법이다. FMECA를 통하여 얻어진 고장모드를 유지관리에 가장 적합한 정비업무로 선정하는 단계로 경험위주의 유지보수 방식에서 선로전환기 시스템의
예측정비 및 사후정비를 체계적으로 하기 위해 선로전환기 유지보수대책을 제시하여 예측정비를 통한 안정적 운용에 기여하고자 한다.
4.2 PM 작업의 정의
예방적 유지보수(Preventive Maintenance, PM)란, 주어진 시간에 설비나 시스템의 가동 기능성을 확보하기 위해 점검과 보수작업을
수행하는 것으로 고장난 설비나 시스템의 기능성을 재조정하기 위해 계획되지 않은, 예상하지 못하는 교정적 유지 보수(Corrective Maintenance,
CM) 작업을 하지 않기 위함이다. 이러한 PM 작업의 종류는 표 8과 같다.
표 8 PM의 종류
Table 8 Types of PM
|
No
|
Type
|
Job description
|
|
1
|
TD(Time-directed)
|
The work cycle is set and it is performed when the time comes, and the equipment needs
to be stopped.
|
|
2
|
CD(Condition-Directed)
|
By predicting the point of failure, actual preventive work is not done until failure.
|
|
3
|
FF(Failure-Finding,)
|
Check for hidden faults, just normal.
|
|
4
|
RTF(Run-To-Failure)
|
Operation until failure, even if there is a failure, the facility operates normally
|
|
5
|
DM(Design-Modification)
|
Design change or improvement
|
4.3 개선대책
FMECA 분석을 통한 상세 고장유형 및 원인분석 결과에 따라 전체 27건 중 10건[37%]의 고장모드가 고장발생건수 64건 중 40건[62.5%]
및 고장복구시간 4,175분 중 3,593분[86.1%]를 차지함을 확인하였다.
예방적유지보수를 위해 그림 7의 작업선택 절차를 수행하여 보다 객관적이고 효율적인 PM 작업을 선택하였다. 표 9는 그림 6에서 치명도가 가장 높은 High risk순으로 정리한 고장모드에 대해 PM 종류별 서울교통공사 1~8호선에서 증명된 효과에 의해 객관적으로 검증된
개선사항을 도출하여[9.10] 치명적인 고장 문제를 피할 수 있도록 하였다.
그림 7 작업선택 절차도
Fig. 7 Task selection rdadmap
작업 선택 결과에 따른 PM 종류별 결정 개수는 표 10과 같다.
표 9 고장모드에 대한 PM 종류별 개선사항
Table 9 Preventive Maintenance(PM) decision
|
Comp
|
Comp Desc
|
Effective Info
|
Selective Dec.
|
Deriving improvements
|
|
1
|
Wiring Ass'y
|
Vibration/moisture response,
Terminal block improvement
|
Vibration/corrosion standard D.M
|
- Impact, vibration, high temperature, high humidity, IP grade Railroad international
standards (IEC/EN) application
- Cable entry IP68 grade for moisture blocking, UV standard in response to sunlight
- Application of the side mounting method from the bottom to separate the connector
from moisture/foreign matter.
|
|
2
|
Circuit control
|
Material/structure change
|
Material change D.M
|
- Double contact, gold alloy (PGS, AuAg Cu) contact for micro load
- Bottom → side mounting method applied to separate the connector from moisture/foreign
matter
|
|
3
|
Condenser terminal cable
|
Material/structure change
|
Restructuring D.M.
|
- Installation of insulation pad inside the motor enclosure (cover), simplified internal
wiring Exclusive use of voltage
- Improved structure to check terminal cable without removing condenser enclosure
|
|
4
|
Control relay
|
Material/structure change
|
Restructuring D.M.
|
- Installation of a spark killer to protect power supply contacts
- Application of the side mounting method from the bottom to separate the connector
from moisture/foreign matter.
|
|
5
|
Motor
|
program development
|
S/W Development CD
|
- Transition time real-time measurement program, failure prediction when exceeding
the standard value
|
|
6
|
Motor Key
|
Material/structure change
|
Restructuring D.M.
|
- Manufactured by enlarging the motor key from 4.8 mm to 5.2 mm
- Neck sleepers to mitigate train vibration at switch points → Improvement of PC sleepers
|
|
7
|
Lever stroke wear breakage
|
Material/structure change
|
Material change D.M
|
- Surface heat treatment, making clasps that remain flexible inside
|
|
9
|
Front rod Cotter pin
|
Material/structure change
|
Restructuring D.M.
|
- Double fixing device by adding E-type snap ring to existing split pin
|
|
12
|
Module Indication
|
Is the most effective
|
Replace T.D
|
- Control module and replaceable parts 200,000 times Replacement when switchover
|
|
13
|
Module Control
|
initial response circuit
|
circuit improvement C.D
|
- Installation of a failure notice device that recognizes the initial failure
|
표 10 PM 종류별 결정 개수
Table 10 Determination by PM type
|
Total
|
TD
|
CD
|
FF
|
RTF
|
DM
|
None
|
|
10
|
1
|
2
|
-
|
-
|
7
|
-
|
업무선정 로직 절차에 따라 선로전환기 시스템의 고장모드에 대한 치명도 매트릭스의 치명도가 가장 높은 High risk 10가지를 RCM(Reliability-Centered
Maintenance) 프로세서를 적용하여 예방정비(PM) 종류를 결정한 결과는 사용시간에 따라 신뢰도를 결정하는 TD(Time Directed)는
1개, 상태에 따라 신뢰도를 결정하는 CD(Condition Directed) 대상은 2개, 단지 정상인지만을 확인하는 FF(Failure-Finding)와
고장이어도 설비는 정상 운용되는 RTF(Run-To-Failure) 미분류는 없고, 설계변경 또는 개량이 필요한 DM(Design- Modification)은
가장 많은 7개로 분석되었다.
FMECA 분석결과에 따라 선로전환기 기능장애에 가장 큰 규모의 영향을 주는 10가지 고장모드에 PM 작업을 행하여 각각의 작업에 최소 1건 고장이
발생한다고 가정하면 그림 8과 같이 선로전환기 고장 발생건수는 6.4건/년에서 3.4건/년으로 46.9% 감소 되고, 고장복구시간 누계는 418분/년에서 143분/년으로 65.8%
감소되는 것으로 분석되었다.
그림 8 연간 고장모드 그래프(고장 발생 건수, 조치 시간)
Fig. 8 Failure mode Graph for each year of PM applied(Number of occurreces, recovery
time)
5. 결 론
기존에 유지보수 자원이 대부분 예상치 못한 고장에 교정적(Corrective) 으로 처리하던 선로전환기 시스템을 대상으로 도시철도 최대 운영기관인
서울교통공사 1~8호선 현장에서 10년간에 걸친 고장데이터를 수집, 분석하여 FMECA를 수행하였다. 특히, 그동안 치명도 분석과정에서 분석자의 주관적
판단에 따라 추정하던 고장모드별 고장영향을 객관적인 고장현황데이터로 정확하게 산정하여 적용하는 방법을 제시하였다.
FMECA 분석 결과에 따라 선로전환기 시스템의 고장모드는 총 27개로 분석되었고 치명도가 가장 높은 10개의 고장모드에 대하여 예방적 유지보수(Preventive
Maintenance, PM)기법을 적용하여 선로전환기 고장 발생건수는 46.9% 감소되고, 고장복구시간 누계는 65.8% 감소되어 신뢰도가 향상됨은
물론 안전성과 경제성을 모두 만족할 것으로 나타났다.
이상의 연구 성과는 철도신호 선로전환기 시스템의 유지보수업무 및 계획수립에 중요자료가 될 수 있을 뿐만 아니라, 선로전환기 시스템 설계에도 활용될
수 있을 것으로 기대된다.
References
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& Signalling Engineering Graduate School of Railroad Seoul National University of
Science and Technology
Gun-Won Park, and 10 others, 2021, Point Switch Machine, Korea Patent Number 10-2202605
저자소개
HHe received the B.S degree from Korea National University of Transportation, Korea,
in 1994.
and M.S degree from Department of Railway Electrical Signaling Engineering at Seoul
National University of Science and Technology, Seoul, Korea, in 2016.
Currently, he is pursuing a Ph.D. at the same graduate school since 2018.
Since 1995, he has been working at the SeoulMetro Signal office1. Professional Engineer
Railroad Signal Apparatus.
He received the B.S degree from Seoul National University, Korea, in 1981.
and PhD from Department of Electrical Engineering at Hokkaido University, Sapporo,
Japan, in 1992.
He has worked for Korea Electrical Research Institute and Korea Railroad Research
Institute.
Since 2005, he has been working as a professor for the Department of Railway Electrical
& Signal Engineering in Seoul National University of Science & Technology.