KR102622589B1 - 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
비상 제동을 나타내는 각각의 중간 제동 압력 신호(523, 605)를 생성하는 비상 제동 모듈(501) 및 각각의 서비스 제동 압력 신호(535)를 생성하는 서비스 제동 모듈(507)을 포함하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템(500)이 설명되며;
비상 제동 모듈(501)은,
- 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 신호가 임계 값(529) 미만인 경우, 서비스 제동 압력 신호(535)에 대응하는 제동 압력 제어 신호(524)를 생성하고;
- 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 신호가 임계 값(529) 이상인 경우, 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 신호에 대응하는 제동 압력 제어 신호(524)를 생성하며; 또한
- 전기 공압식 액추에이터(506)에 의해 제동 압력 제어 신호(524)를 변환하도록 구성된다.
비상 제동 모듈(501)은,
- 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 신호가 임계 값(529) 미만인 경우, 서비스 제동 압력 신호(535)에 대응하는 제동 압력 제어 신호(524)를 생성하고;
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- 전기 공압식 액추에이터(506)에 의해 제동 압력 제어 신호(524)를 변환하도록 구성된다.
Description
본 발명은 일반적으로 철도 제동 시스템 분야에 관한 것이며, 특히, 본 발명은 철도 차량용 제동 제어 시스템에 관한 것이다.
기존의 철도 제동 시스템은 철도 차량의 상태에 따라 상이한 기능을 수행한다. 두 가지 주요 기능은 "서비스 제동(service braking)" 및 "비상 제동(emergency braking)"으로 알려져 있다.
서비스 제동은 운행 서비스의 일반 스텝들 중에 철도 차량이 감속되는 상태이다. 이 상태에서는, 10-7 미만의 실패 확률로 제동 성능이 보장되어야 한다. 이 값은 EN50126 표준을 참조하는 안전 무결성 레벨 SIL2에 대응한다.
비상 제동은 열차가 일반적으로 10-9 이하의 성능에 도달하지 못하는 확률로, 국제 표준에 의해서 확립된 정지 거리 내에서 제동을 보장해야 하는 상태이다. 이 값은 EN50126 표준의 안전 무결성 레벨 SIL4에 대응한다.
서비스 제동 구현에 관한 한, 철도 차량과 관련된 제동 시스템은 이제, 제동 중 회생 방식에서 사용되는, 트랙션 모터들의 제어 시스템과 상호 작용하는 전자 제어에 의해서 전적으로 관리되며(전기 역학적 제동), TCMS로, "열차 제어 및 모니터링 시스템들(Train Control and Monitoring Systems)"은 서비스 제동 시스템 또는 전기 역학적 제동의 가능한 오작동에 대한 진단 정보의 지속적인 교환, 및 보상 모드들의 실시간 관리를 위한 것이다.
전자 시스템을 사용하는 이러한 실시예는, 예를 들어 허용 가능한 가속 변화를 보장함으로써, 또는 균일한 감속을 유지하면서 다양한 속도로 마찰 재료의 마찰 계수 변화를 동적 보상함으로써 승객의 안락감을 상당히 증가시켰다.
다른 한편으로, 이러한 전자식 서비스 제동 제어 시스템은 제동 관리를 위한 실시간 프로세스뿐만 아니라 전체 제동 시스템의 진단 프로세스 관리 및 이더넷(Ethernet) 또는 MVB와 같은 복잡한 통신 프로토콜의 관리에도 연결되는 대량의 소프트웨어 코드를 전달하는 마이크로 프로세서 아키텍처를 기반으로 점점 더 복잡해지고 있다. 이러한 이유로, 이 분야의 주요 운영자는 비상 제동 스텝 중에 순수 공압 솔루션을 사용하는 것을 선호한다.
EN16185 철도 표준의 규정이 이것을 증명한다. 이 표준은 비상 제동을 요청하기 위해 두 개의 경쟁 공압 채널을 제공하는 제동 시스템들을 표준화한다.
운영자들에 의한 이러한 선택의 이유는 전자 시스템의 낮은 신뢰성에 비해, 사용된 공압 아키텍처 및 공압 컴포넌트에 의한 시간 경과를 통해 입증된 본질적인 높은 안전 계수 및 신뢰성과 관련이 있다. 낮은 신뢰성은 주로 비상 제동 중에 전체 열차에서 동시에 발생할 수 있는 공통 모드 소프트웨어 결함의 잠재적 존재와 관련이 있으며, 정지 거리 달성을 부분적으로 또는 전체적으로 손상시킨다.
그러나, 이러한 기술적 선택은 비상 제동 중 정지 거리의 정확성에 대한 요구가 증가함에 따라 충돌하기 시작했다.
공압 시스템들 및 컴포넌트들은 스프링 및 고무 서브 컴포넌트의 온도 및 노쇠화에 따라 부정확해질 수 있다.
다른 유럽 표준 EN15611은 전술한 공압 시스템들 및 컴포넌트들의 공차에 대해 엄격한 제한을 부과하며, 이것은 예를 들어 달성하기가 어렵고 비용이 매우 많이 든다.
당업자에게 공지된 서비스 제동 및 비상 제동을 통합하는 공압 제동 시스템의 일 예가 도 1에 도시되어 있다.
일반 파이프 라인(101)의 압력은 5 bar와 3.5 bar 사이의 가변 압력 범위에서 제동 탭(brake tap)(102)에 의해 변조되며, 여기서 5 bar는 제로 제동 요청을 나타내는 값이고, 3.5 bar의 값은 최대 서비스 제동을 나타낸다.
비상 버튼(103)은 비상 제동 요청을 나타내는 3.5 bar 미만 값 아래로 일반 파이프 라인을 방출한다. 분배기 밸브(104)는 도 2a에 도시된 다이어그램에 따라, 일반 파이프 라인(101)의 압력 함수로서 출구에서의 압력을 조절한다.
일반 파이프 라인 압력 값이 5 bar인 경우, 분배기 밸브(104)에 대한 출구 압력은 제로이며, 제로 제동 요청에 대응한다.
일반 파이프 라인의 압력 값들이 5 bar와 3.5 bar 사이인 경우, 출구 밸브 압력은 0 bar와 3.8 bar 사이에서 선형적으로 변화하며; 3.8 bar는 비상 제동에 대응하는 압력 값이다.
일반 파이프 라인 압력들이 3.5 bar 미만인 경우, 출구 밸브 압력은 3.8 bar 또는 비상 제동에 대응하는 압력 값으로 유지된다.
비상 버튼(103)은 일반 파이프 라인을 방출하여, 제동 탭(brake tap)보다 훨씬 빠르게 3.5 bar 값 미만의 압력이 되게 함으로써, 서비스 제동 상태에서 비상 제동 상태로의 통과를 가속화시키는 목적을 갖는다.
프랑스 규정 "Vide-Charge Auto-Variable"에서 당업자에게 VCAV로도 알려진 적공 밸브(empty-load valve)(105)는 도 2b에 도시된 기능에 따라, 차량의 중량 베어링에 따라서 제동 실린더(brake cylinder)(106)로 송신되는 압력을 보정하는 목적을 갖는다.
후자의 기능의 목적은 차량 설계 단계에서 고려되는 가용 점착력(adhesion)에 따라 압력을 제한하는 것이며 즉, 가용 그립력(grip force)이 초과되는 최대 가능한 제동 압력을 제공하는 것이다. 가용 점착력을 극복하면 회전 마찰에서 휠들 자체의 크리핑 마찰로의 전환으로 인한 휠 평탄도 및 제동력 손실과 함께 축들이 고정된다.
도 3 및 도 4에 각각 도식화되는 분배기 밸브(104) 및 적공 밸브(105)는 매우 복잡한 공압 컴포넌트들이다.
특히, 각각의 새로운 응용과 함께, 적공 밸브(105)는 예를 들어 스프링의 부하 또는 플랫폼 스케일의 비율과 같은 내부 부품의 재설계를 필요로 하며, 차량의 테어(tare)와 최대 하중 사이의 새로운 중량 범위 및 응용 자체에 사용할 수 있는 점착력으로 재조정해야 한다.
또한, 열차 자체를 구성하는 다양한 차량들 사이, 예를 들어 모터 카와 트레일러 카 사이의 테어-풀(tare-full) 부하 인터벌의 변화에서 동일한 열차에 대한 적공 밸브들(105)의 서브 컴포넌트들의 상이한 구성들을 갖는 것이 일반적이다.
마지막으로, 열차 시운전 스텝에서, 지속적인 재교정 요청에는 올바른 구성에 도달할 때까지의 서브 컴포넌트들의 빈번한 교체가 포함된다.
철도 응용을 위한 전자 시스템의 구현은 현재 다음과 같은 유럽 철도 표준에 의해 규제된다:
- EN50126 "철도 용용. 신뢰성, 가용성, 유지 보수성 및 안전성(RAMS)의 사양 및 시연. 기본 요구 사항 및 일반 프로세스";
- EN50128 "철도 응용 - 통신, 시그널링 및 처리 시스템 - 철도 제어 및 보호 시스템용 소프트웨어";
- EN50129 "철도 응용. 통신, 시그널링 및 처리 시스템. 시그널링을 위한 안전 관련 전자 시스템".
특히, EN50126 표준은 안전 분석 결과를 기반으로 SIL0/1/2/3/4 안전 레벨을 하위 시스템에 할당하는 방법을 정의하고 있으며, EN50128 및 EN50129 표준들은 할당된 SIL 레벨들을 각각 기반으로 하여 소프트웨어 및 하드웨어 컴포넌트들에 적용될 설계 기준을 정의한다.
앞서 언급된 표준들의 적용에 기초하여, 다음과 같은 진술 및 개념이 표현될 수 있다:
- 서비스 제동 기능의 실현에 사용되는 전자 시스템은 일반적으로 전술한 표준들에 명시된 규정들에 따라 만들어 질 수 있으며, 이 규정들은 이러한 실현을 SIL2 이하의 안전 레벨로 제한하고;
- 비상 제동 기능의 실현을 위해 사용되는 전자 시스템은 전술한 규칙들에 명시된 규정들에 따라 만들어 질 수 있으며, 이 규정들은 이러한 실현을 SIL3 이상의 안전 레벨로 제한한다.
종래 기술은 전자 시스템이 서비스 제동 제어를 위해 SIL 레벨 ≤ 2를 준수하게 하며; 반대로, SIL 레벨 ≥ 3을 준수하는 전자 시스템을 개발하고 유지하는 것은 매우 복잡하고 부담스럽다.
SIL 시스템 ≤ 2와 SIL 시스템 ≥ 3 간의 개발 복잡성과 인증 비용의 비율은 일반적으로 1:20 내지 1:40 사이의 범위이다.
또한, 안전성을 위한 인증 기관 및 국가 안전 기관은 동일한 하드웨어 아키텍처에서 실행되는 서로 다른 SIL 레벨에서 개발된 소프트웨어 모듈의 공존을 허용하지 않으며, 전반적인 SIL 레벨 ≥ 3에 도달해야 하는 전자 아키텍처를 위해 SIL 하드웨어 아키텍처 ≤ 2에서 실행되는 SIL 레벨 소프트웨어 모듈 ≥ 3을 허용하지 않는다.
따라서 서비스 제동 기능, 비상 제동 기능, 진단 기능, 기타 기능을 동시에 제공할 수 있는 단일 전자 아키텍처의 개발이 유용하지 않다는 것은 명백하며, 그 이유는 이러한 아키텍처가 전체적으로 SIL 레벨 ≥ 3에 따라 구현되어야 하고, 경제적 자원의 높은 지출과 긴 개발 시간을 갖기 때문이다.
특허 WO2018189693은 전술한 문제점에 대한 솔루션으로서 서비스 제동 모듈에서 나오는 서비스 제동 압력 신호와 긴급 제동 압력 신호 사이에서 더 큰 것에 대응하는 제동 압력을 생성하도록 설계된 철도 차량의 비상 및 서비스 제동을 위한 전자 제어 시스템의 주장을 제안한다.
그러나, WO2018189693에서 제안된 솔루션은 비상 제동 중에 스키드 제어 시스템이 비활성화되는 경우를 다루지 않는다.
위에서 설명한 바와 같이, 비상 제동을 하려면 EN50126에 따른 전체 SIL4 안전성 레벨을 준수해야 한다. 결과적으로, 전자 기술을 통해 개발되는 경우, 비상 제동 달성에 기여하는 장치는 일반적으로 EN50128 및 EN50129 표준에 따라 안전성 레벨 SIL≥3으로 되어야 한다.
현대의 안티-스키드 시스템은 예를 들어 EP3393873, WO2017175108 및 EP1874601에서 설명된 바와 같은 매우 복잡한 알고리즘을 사용하며, 이들은 EN50128 표준, 안전성 레벨 SIL≥3에서 권장하는 방법을 채택하여 달성하기가 어렵다. 이것은 이러한 안티-스키드 장치가 그립(grip) 저하의 경우 정지 거리를 줄이는데 기여할 수 있음에도 불구하고, 일부 유럽 철도 안전 기관이 비상 제동 중에 안티-스키드 장치를 금지하도록 요청했음을 의미한다.
이 구성에서는, 안티-스키드 시스템의 억제로 인해 휠의 불가피한 잠금이 발생할 수 있는 미끄럼 트리거의 위험을 줄이기 위해, 서비스 제동과 관련하여 더 큰 정지 거리를 허용하여 비상 제동 압력을 줄이는 것이 선택된다.
서비스 제동 압력과 비상 제동 압력 사이에서 항상 더 높은 값을 구현하도록 제안하는 특허 WO2018189693은, 경우에 따라 서비스 제동 압력보다 낮은 비상 제동 압력을 적용해야 하는 요구 사항을 준수하지 못할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 비상 제동 기능을 분리하여 서비스 제동 기능 및 기타 액세서리 기능들과 독립적으로 만들 수 있으며, 이에 따라 SIL 레벨 ≥ 3을 준수하는 부품과 SIL 레벨 ≤ 2를 준수하는 부품의 전체적인 격리를 보장할 수 있는 한편, 제동 압력의 실현을 단일의 공통 액추에이터에 수렴함으로써, 완전한 전자식 철도 제동 제어 시스템의 개발, 설치 및 유지 보수 비용을 줄일 수 있는 철도 차량용 전자식 제동 제어 시스템을 제공하는 것이다.
명백한 바와 같이, 철도 차량 제동의 제어는 서비스 제동의 제어와 비상 제동의 제어 모두와 관련이 있다.
또한, 제어 시스템은 비상 제동 요청 중에 비상 제동 압력 적용을 선호한다.
상기 및 다른 목적 및 이점은 본 발명의 일 양태에 따라, 독립 청구항에 정의된 특징들을 갖는 철도 차량의 제동을 위한 전자식 제어 시스템에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 종속 청구항들에서 정의된다.
본 발명에 따른 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템의 일부 바람직한 실시예들의 기능 및 구조적 특징이 이제 설명될 것이다. 다음과 같은 첨부 도면을 참조한다:
- 도 1은 당업자에게 공지된 서비스 및 비상 제동을 통합하는 공압 제동 시스템을 단순화된 방식으로 도시한 것이며, 단순화를 위해 주 탱크 및 보조 탱크와 예시에 필요하지 않은 모든 액세서리 기능은 표시되어 있지 않다.
- 도 2a는 분배기 밸브의 입-출력 전달 함수를 도시한 것이다.
- 도 2b는 적공 밸브(105)를 기능적으로 에뮬레이팅한 곡선을 도시하며, 여기서 붕괴 하중이라는 용어는 비정상적인 승객 하중 상태를 나타낸다.
- 도 3은 분배기 밸브를 개략적으로 도시한 것이다.
- 도 4는 적공 밸브의 단면을 도시한 것이다.
- 도 5는 철도 차량용 전자식 제동 제어 시스템의 일 실시예를 도시한 것이다.
- 도 6은 비상 제동 모듈의 제2 실시예를 도시한 것이다.
- 도 7은 비상 제동 모듈의 제3 실시예를 도시한 것이다.
- 도 8은 점착 계수 및 차량 속도의 함수로서 휠과 레일 사이의 점착 레벨의 곡선을 정성적으로 도시한 것이다.
- 도 1은 당업자에게 공지된 서비스 및 비상 제동을 통합하는 공압 제동 시스템을 단순화된 방식으로 도시한 것이며, 단순화를 위해 주 탱크 및 보조 탱크와 예시에 필요하지 않은 모든 액세서리 기능은 표시되어 있지 않다.
- 도 2a는 분배기 밸브의 입-출력 전달 함수를 도시한 것이다.
- 도 2b는 적공 밸브(105)를 기능적으로 에뮬레이팅한 곡선을 도시하며, 여기서 붕괴 하중이라는 용어는 비정상적인 승객 하중 상태를 나타낸다.
- 도 3은 분배기 밸브를 개략적으로 도시한 것이다.
- 도 4는 적공 밸브의 단면을 도시한 것이다.
- 도 5는 철도 차량용 전자식 제동 제어 시스템의 일 실시예를 도시한 것이다.
- 도 6은 비상 제동 모듈의 제2 실시예를 도시한 것이다.
- 도 7은 비상 제동 모듈의 제3 실시예를 도시한 것이다.
- 도 8은 점착 계수 및 차량 속도의 함수로서 휠과 레일 사이의 점착 레벨의 곡선을 정성적으로 도시한 것이다.
본 발명의 복수의 실시예들을 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 그 적용이 다음의 설명에 제시되거나 도면에 도시된 구성 세부 사항 및 컴포넌트의 구성에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들을 취할 수 있고 다른 방식으로 구현되거나 실질적으로 수행될 수 있다. 어법과 용어는 설명을 위한 것이며 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다는 것도 이해해야 한다. "포함하다" 및 "구성하다"의 사용 및 그 변형은 그후에 인용된 요소들 및 그 균등물들뿐만 아니라 추가 요소들 및 그 균등물들을 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서 전체에서, 용어 "모듈"은 바람직하게는 전자 하드웨어-소프트웨어 아키텍처로 구현될 수 있는 모듈을 의미하고, 용어 "서브 모듈"은 바람직하게는, 기능들이 구현될 수 있고 궁극적으로 소프트웨어 또는 상기 소프트웨어에 의해 제어되는 하드웨어를 통해 구현될 수 있는 서브 모듈을 나타낸다. 소프트웨어는 예를 들어 마이크로 프로세서들에 의해 또는 FPGA에 의해 실행될 수 있다.
도면들에서, 모듈 내의 다양한 서브 모듈들을 연결하는 라인들은 바람직하게는 전기 신호들 또는 소프트웨어 변수로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템(500)은, 제동 압력 값을 생성하도록 구성된 전자 아키텍처를 각각 포함하는 비상 제동 모듈(501)(SAFETY BRAKE MODULE) 및 서비스 제동 모듈(507)(SERVICE BRAKE MODULE)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 전자 아키텍처들은 독립적이고 서로 분리되어 있다.
서비스 제동 모듈(507)은 적어도 차량의 감속 상태 또는 서비스 제동 요청 신호(530)를 수신하고 해당 감속 상태 또는 서비스 제동 요청 신호(530)에 응답하여 각각의 서비스 제동 압력 신호(535)를 생성하도록 구성된다. 서비스 제동은 철도 차량이 감속되는 상태를 나타낸다. 비상 제동 모듈(501)은 상기 서비스 제동 압력 신호(535)를 수신하기 위한 통신 채널(536)을 통해 상기 서비스 제동 모듈(507)에 연결된다.
상기 비상 제동 모듈(501)은 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하고, 비상 제동을 나타내는 각각의 중간 제동 압력 신호(523)를 생성하도록 구성된다.
비상 제동 모듈(501)은 또한, 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 것이 미리 결정된 임계 압력 값(529)보다 낮을 때, 서비스 제동 압력 신호(535)에 대응하는 제동 압력 제어 신호(524)를 생성하도록 구성된다.
비상 제동 모듈(501)은 또한, 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 것이 미리 결정된 임계 압력 값(529)과 같거나 더 높을 때, 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 것에 대응하는 제동 압력 제어 신호(524)를 생성하도록 구성된다.
더욱이, 비상 제동 모듈(501)은 또한 전기 공압식 액추에이터(electropneumatic actuator)(506)를 제어함으로써 제동 압력으로 상기 제동 압력 제어 신호(524)를 변환하도록 구성된다.
도 5에 도시된 일 실시예에서, 서비스 제동 모듈(507)은 서비스 제동 압력을 산출하기 위한 서브 모듈(508)을 포함하며, 이 서브 모듈(508)은 예를 들어 서비스 제동 또는 감속 요청 신호(530)를 통해 제동의 조작자(BRAKE HANDLE DEMAND)에 의해 생성되는 서비스 제동 또는 감속 요청(530)을 수신하고, 제1 중량 신호(522)를 통해 차량의 중량(WEIGHT)을 수신한다.
상기 제1 중량 신호(522)는 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 서스펜션들로부터 나오는 획득 압력 값 또는 보우기(bogie)에 대한 본체의 위치 센서로부터 도출되는 전압이다.
서비스 제동 압력의 산출 서브 모듈(508)은 전술한 서비스 제동 또는 감속 요청(530)에 대응하는 서비스 제동에 필요한 압력 값을 실시간으로 산출하고, 산출된 서비스 제동에 필요한 압력 값에 대응하는 값을 갖는 각각의 서비스 제동 압력 신호(535)를 생성한다.
서비스 제동에 필요한 압력 값은 당업자에게 공지된 적절한 기능에 의해, 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 상기 제1 서비스 제동 또는 감속 요청 신호(530)와 상기 제1 중량 신호(522)를 결합함으로써 얻어지며, 도 2b에 도시된 것과 유사하다.
TCMS(532)로부터 나오는 제2 서비스 제동 또는 감속 요청 신호(531)는 또한 통신 서브 모듈(509)로부터 서비스 제동 압력의 산출 서브 모듈(508)로 전송될 수 있다.
통신 서브 모듈(509)은 열차를 향하는, 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, TCMS(532) 및 트랙션 시스템(traction system)(533)을 향하는 모든 통신 프로토콜들을 관리한다.
점선 블록에 포함된 다른 서브 모듈(510)이 존재할 수 있다. 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 진단 정보(534) 및 디스플레이 관리를 관리 및 저장하기 위한 입/출력 관리 서브 모듈들, 진단 도구들을 위한 통신 서브 모듈들, 및 당업자에게 일반적으로 공지된 비상 제동과 관련되지 않은 다른 서브 모듈들이 존재할 수 있다.
유선 또는 무선 유형의 통신 채널(536)은 서비스 제동 모듈(507) 및 비상 제동 모듈(501)에 의해 서로 정보를 교환하기 위해 사용된다.
통신 채널(536)은 "포인트-투-포인트(point-to-point)"이거나 다른 모듈들과 공유될 수 있으며, 반드시 차량 제동 기능들에 전용일 필요는 없다. 상기 추가 모듈들은 도 5에 도시되어 있지 않다.
통신 채널(536)은 예를 들어 버스(BUS)로 구성될 수 있다.
정보, 특히 서비스 제동 압력 신호(535)는 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은, 유럽 표준 "EN50159"에 표현된 것과 같은 블랙 채널 개념에 따라, 서비스 제동 모듈(507)에서 비상 제동 모듈(501)로 전달된다: 철도 응용. 통신, 시그널링 및 처리 시스템. 전송 시스템의 안전 관련 통신. 통신 채널(536)은 예를 들어, 그러나 배타적이지 않지만 전압이나 전류 또는 PWM에서 아날로그 유형의 하드와이어 회선(hardwired line)들을 통해 구현될 수도 있고, 또는 다중 와이어의 디지털 코딩을 통해 구현될 수도 있다.
비상 제동 모듈(501)에서, 제1 전달 함수의 산출 서브 모듈(502)은 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신한다.
이 실시예에서, 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호는 차량의 제동 시스템의 제어 압력을 나타내는 공압 제동 신호(520), 예를 들어, 제동 파이프 라인(brake pipeline)의 압력 값에 대응하는 적절하게 획득된 압력 신호이며(도 1에서 이미 101로 나타냄), 이들의 값의 범위에는 비상 제동에 대응하는 적어도 하나의 값이 포함된다.
비상 제동에 대응하는 값은 예를 들어 미리 결정된 임계 값을 초과하는 값일 수 있다. 초과라는 용어는 그 값이 미리 결정된 임계 값보다 큰 경우 또는 그 값이 미리 결정된 임계 값보다 낮은 경우로 이해될 수 있다.
제1 전달 함수의 산출 서브 모듈(502)은 도 2a에 도시된 곡선의 전달 함수를 산출하고, 기능적으로는 분배기 밸브(104)를 에뮬레이트(emulate)하며, 여기에는 당업자에게 제어 탱크로 알려진 하위 기능들 및 과부하와 폐기 조치에 대한 관련 동작들이 포함된다.
따라서 제1 전달 함수의 산출 서브 모듈(502)은 분배 밸브 압력 신호(521)를 그것의 출력에 공급하며, 이 분배 밸브 압력 신호(521)의 가상 값은 분배기 밸브(104)의 에뮬레이션에 따라 0 bar와 3.8 bar 사이의 압력 값에 대응할 수 있다.
상기 분배기 밸브 제동 압력 신호(521)는 획득된 차량의 중량 값에 대응하는 제2 차량 중량 신호(528)("WEIGHT")와 함께, 제2 전달 함수의 산출 서브 모듈(503)에 입력으로 공급된다.
제동 파이프 라인의 압력 신호 및 차량의 제2 중량 신호(528)는 프로세스들 SIL ≥ 3에 따라, 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 리던던트 상호 진단된 채널들 및 센서들을 통해 획득된다.
대안적인 실시예에서, 차량의 제2 중량 신호(528)는, 제1 중량 신호(522)를 획득하는 대신에 상기 제2 차량 중량 신호(528)를 사용할 제동 또는 감속 요청 서브 모듈(508)로, 통신 채널(536)을 통해 전송될 수 있다.
제2 전달 함수의 산출 서브 모듈(503)은 도 2b에 도시된 곡선의 전달 함수를 산출하고, 적공 밸브(105)의 에뮬레이션(emulation)을 수행한다.
제2 전달 함수의 산출 서브 모듈(503)의 출력은 제동 파이프 라인 압력 신호들의 변조를 통해 수행된 제동 이후에, 제동 실린더로 보내야 하는 공압 제동 압력의 가상 값을 표현하는 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523)이다. 제동 파이프 라인 압력 신호가 취할 수 있는 값들의 범위에는 비상 제동의 값에 대응하는 값이 포함된다. 상기 값은 바람직하게는 공압 제동에 의해 도달할 수 있는 최대 값, 즉 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523)에 의해 표현된다.
2-입력(two-input) 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(504)은 제2 전달 함수의 산출 서브 모듈(503)에 의해 생성되는 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523)를 입력으로 수신하고, 서비스 제동 모듈(507) 내부의 서비스 제동 압력의 산출 서브 모듈(508)에 의해 생성되는 서비스 제동 압력 값에 대응하는 서비스의 압력 신호(535)를 입력으로 수신한다.
2-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(504)은 선택 기능을 수행한다. 특히, 2-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(504)은, 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523)가 미리 결정된 임계 압력 값(529)보다 더 낮을 때, 서비스 압력 신호에 대응하는 가상 압력 신호(535)를 출력에서 전파하고, 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523)가 미리 결정된 임계 압력 값(529)보다 크거나 같을 때, 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523)에 대응하는 가상 압력 신호를 출력에서 전파한다.
미리 결정된 임계 값(529)은 비상 제동 모듈(501)의 코드에서 이용 가능한 값으로 표현될 수 있다.
제동 압력의 제어 신호(524)는 적절한 양방향 전기 신호들(525)을 통해 전기-공압식 액추에이터(electro-pneumatic actuator)(506)를 관리하도록 제공하는 압력 제어 서브 모듈(505)로 전파됨으로써, 모듈(505)에 대한 입력에서 제동 압력의 제어 신호(524)를, 제동 실린더(527)에 대한 입력에서 실제 압력으로 변환한다.
당업자는 보조 탱크들 또는 안티-스키드 제어 시스템들과 같은 전기 공압식 액추에이터(506)와 관련된 철도 제동 시스템의 전형적인 추가 요소들을 알고 있으며, 본 발명의 내용과 엄격하게 관련되지 않기 때문에 도 5에 도시되지 않았다.
본 제안된 솔루션은 서비스 비상 제동 모듈(507)로부터 비상 제동 모듈(501)의 기능적 및 결정적 독립성을 강조한다.
비상 제동 모듈(501)이 기준 SIL ≥ 3에 따라 개발된 경우, 공압 제동의 최대 값에 대응하는 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호를 포함하는 공압 제동 요청이 제동 실린더(527)에 적용되지 않을 확률은 더 낮은 비용과 더 높은 정확도로 동등한 기존 공압 시스템에 대해 일반적으로 허용되는 기준 내에 있다.
또한, 서비스 제동 모듈(507)에서 발생할 수 있는 임의의 유형의 하드웨어 또는 소프트웨어 장애에 대해, 비상 제동 모듈(501)의 2-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(504)은 어떤 경우에도 비상 제동 요청에 특권(privilege)을 부여하며, 이는 항상 글로벌 시스템을 안전한 상태로 만든다.
따라서 이 솔루션은 종래 기술에서 발생하는 안전 레벨 SIL ≤ 2에 따라 서비스 제동 모듈(507)의 개발을 가능하게 함으로써, 기능적 성능을 변경함 없이 유지하면서 개발 비용 및 반복적인 제품 비용을 증가시키지 않는다.
도 6은 비상 제동 모듈(501)의 제2 실시예를 도시한 것이다. 기준 SIL ≥ 3에 따라 전체적으로 개발되는 비상 제동 모듈(501)은 이전 실시예에서 설명된 것의 적어도 일부를 되풀이하지만 또한 미리 설정된 비상 제동 압력 할당 서브 모듈(602)을 포함한다. 미리 설정된 비상 제동 압력 할당 서브 모듈(602)은 비상 제동 요청을 나타내는 제2 신호를 입력으로 수신한다. 이 실시예에서, 비상 제동 요청을 나타내는 제2 신호는 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 비상 전기 루프로부터 나오는 비상 제동 요청을 나타내는 신호(604)이다.
예를 들어, 비상 전기 루프에 의해, 비상 제동 상태를 검출하고 결과적으로 비상 제동 요청을 나타내는 신호(604)를 생성할 수 있는 전기 회로가 표시된다.
비상 전기 루프에서 나오는 비상 제동 요청을 나타내는 신호(604)에 의한 비상 요청의 경우, 미리 설정된 비상 제동 압력 할당 서브 모듈(602)은 각각의 비상 제동 압력 신호(605)에 미리 설정된 가상 압력 값을 부과한다.
2-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(504) 대신에, 선택 기능을 수행하는 3-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(606)이 포함된다.
특히, 3-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(606)에서:
a) 비상 전기 루프에서 나오는 비상 제동 압력 신호(605)와 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523) 사이의 큰 값이 미리 결정된 임계 압력 값(529)보다 낮을 때, 서비스 압력 신호에 대응하는 가상 압력 신호(535)를 출력으로 전파하며; 또한
b) 비상 전기 루프에서 나오는 비상 제동 압력 신호(605)와 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523) 사이의 큰 값이 미리 결정된 임계 압력 값(529)보다 크거나 같을 때, 비상 전기 루프에서 나오는 비상 제동 압력 신호(605)와 비상 제동을 나타내는 중간 제동 압력 신호(523) 사이의 큰 값을 출력으로 전파한다.
3-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(606)에서 나오는 제동 압력의 제어 신호(607)는 적절한 양방향 전기 신호들(525)을 통해 전기-공압식 액추에이터(506)를 관리하도록 제공하는 압력 제어 서브 모듈(505)로 전파됨으로써, 모듈(505)에 대한 입력에서 가상 제동 압력의 제어 신호(607)를, 제동 실린더(527)에 대한 입력에서 실제 압력으로 변환한다.
예를 들어 상기 비상 제동 압력 신호(605)의 값을 3-입력 선택 서브 모듈(606)로 보내기 전에, 제2 전달 함수의 산출 서브 모듈(503) 중 두 번째 것에 의해 차량 중량 신호(528)의 값으로 비상 제동 압력 신호(605)의 값을 변조하는 비상 제동 모듈(501)의 서브 모듈들에 의해 다양한 조합이 생성될 수 있다.
도시되지 않은 일 실시예에서, 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호는 단지 하나일 수 있으며, 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 비상 전기 루프로부터 나오는 비상 제동 요청을 나타내는 신호(604)만으로 될 수 있다.
다른 비배타적인 실시예에서, 비상 제동 모듈(501)은 제동 파이프 라인 압력 신호를 사용하지 않고 중량 신호(528)에 의해 변조되거나 변조되지 않는, 비상 제동 압력 신호(605)만을 사용할 수 있다.
도 5 및 도 6에 설명된 내용의 확장이 도 7에 나와 있으며, 여기서는 비상 제동 중에 전기 역학 회생 제동(electrodynamic regenerative brake)이 사용된다.
트랙션 제어(Traction control)는 현재, 기준 SIL ≥ 3에 따라 개발하기에 적합하지 않은 DSP(Digital Signal Processor) 아키텍처를 기반으로 하는 인버터들로 구성된다.
따라서 트랙션 제어가 비상 제동 중에 시스템 SIL ≥ 3으로 지속적으로 모니터링되지 않는 한 비상 제동 요청을 트랙션 시스템들에 직접 맡기는 것은 불가능하다.
도 7은 기준 SIL ≥ 3에 따라 전체적으로 개발되는 비상 제동 모듈(501)의 제3 실시예를 도시한 것이다.
"혼합 모듈(blending module)"이라고도 하는 결정 서브 모듈(702)은, 3-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(606)에서 나오는 제동 압력의 제어 신호(607)가 압력 제어 서브 모듈(505) 및 전기-공압식 액추에이터의 서브 모듈(506)에 의해 공압적으로 만들어져야 하는지 여부, 또는 제동 토크 요청 신호(703)로 적절하게 변환되어야 하고 통신 채널(536)을 통해 직접 트랙션 시스템들(도시되지 않음)로 전송되어야 하는지 또는 서비스 제동 모듈(507)을 통해 전파되어야 하는지 여부를 결정하는 기능을 갖는다.
결정 서브 모듈(702)은 적절한 토크 센서 수단(705)에 의해 검출되는 모터들의 제동 토크 신호(704)의 값에 대한 지속적인 정보를 수신한다. 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 회생시 모터들에 의해 생성되는 전류를 측정하기 위한 변압기들로 구성되거나 모터들 하류의 실제 토크 트랜스듀서들로 구성되는 토크 센서 수단(705)은, 예를 들어 리던던트 상호 진단된 채널들을 통해 SIL ≥ 3에 따라 개발된다.
이러한 방식으로, 결정 서브 모듈(702)의 제동 토크를 관리하는 방법에 대한 결정까지의 토크 센서 수단(705)의 상류에서 제동 기전 토크(braking electromotive torque)의 측정 사이의 전체 경로는 요건 SIL ≥ 3에 따른다.
3-입력 비상 제동 압력 선택 서브 모듈(606)에서 나오는 제동 압력 제어 신호(607)가 존재하는 경우, 결정 서브 모듈(702)은 등가 토크 요청을 트랙션 시스템에 전송하고, 토크 센서 수단(705)을 통해 실제 응답을 측정하고, 결과 값이 필요한 값보다 작으면 압력 제어 서브 모듈(505) 및 전기 공압식 액추에이터(506)의 서브 모듈(506)로부터 그것을 요청하여 누락된 수량을 즉시 보상한다.
즉, 비상 제동 모듈(501)은 전기 역학적 제동 토크가 필요한 제동 토크를 생성하고, 토크 센서(705)를 통해 전기 역학적 제동 토크를 지속적으로 모니터링하고, 공압 제동 토크의 생성을 통해 전기 역학적 제동 토크의 부분적 또는 전체적인 결함을 보상한다.
따라서 본 설명된 솔루션은, 상기 전기 역학 회생 제동 시스템 및 서브 모듈이 제동 토크 요청 신호(703)를 트랙션 시스템으로 전송하는 시스템들이 기준 SIL ≤ 2에 따라 개발된 사실과 관계없이, 회생 전기 역학적 제동 시스템을 통해 부분적으로 또는 전체적으로 레벨 SIL ≥ 3에서의 비상 제동의 관리 및 적용을 보장한다.
고속 상태들에서 비상 제동을 관리하기에 적절한 다른 실시예가 또한 설명된다.
도 8에 정성적으로 명시된 법칙에 따라 휠과 레일 사이의 점착 레벨이 감소하는 것으로 알려져있다.
예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, 리던던트 상호 진단된 휠들을 회전시키기 위한 속도 센서 수단(707)에 의해 채널 SIL ≥ 3을 통해 획득된 차량의 속도 신호(706)는, 결정 서브 모듈(702)에 이전에 매핑된 도 8의 곡선에 따라 제동 전기 역학 토크 및/또는 제동 압력에 대한 요청을 제한하게 되는 결정 서브 모듈(702)에 의해 획득된다.
이러한 방식으로, 비상 제동 모듈(501)은 가용 그립이 차량의 속도에 따라 변할 때 제동 압력을 보정할 수 있다.
당업자는 모든 가능한 실시예들에서, 서비스 제동 모듈이 TCMS 디바이스 내부에서 구현될 수 있고 통신 채널(536)을 통해 비상 제동 모듈과 통신할 수 있다는 사실을 알고 있다.
당업자는 또한 작동 시스템이 공압식이 아닌 유압식일 수 있다는 것을 알고 있다.
예를 들어, 그러나 반드시 그런 것은 아니지만, 서비스 제동 모듈(507)은 열차에 탑재된 다른 시스템들 내부에서 만들어진다.
또한, 비상 제동 모듈(501)은 차량의 특징 구조에 따라, 여러 제동 실린더들을 독립적으로 제어하기 위한 압력 제어 서브 모듈(505) 및 전기 공압식 액추에이터(506)를 포함하는 하나보다 많은 그룹을 포함할 수 있다.
앞서 설명된 실시예들에서, 비상 제동 모듈(501)은 EN50128 SIL ≥ 3 및 EN50129 SIL ≥ 3의 요건들에 따라 설계될 수 있으며, 서비스 제동 모듈(507)은 EN50128 SIL ≤ 2 및 EN50129 SIL ≤ 2의 요건들에 따라 개발될 수 있다.
특히, 비상 제동 모듈(501)은 마이크로 프로세서 기반 리던던트 아키텍처들에 따라, 또는 리던던트 프로그래머블 디바이스들에 의해, 예를 들어, 그러나 배타적이지 않은 바와 같이, FPGA들에 의해 만들어질 수 있거나 또는 마이크로 프로세서 및 FPGA에 의해 만들어질 수 있다.
본 발명에 따른 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템의 다양한 양태들 및 실시예들이 설명되었다. 각 실시예는 임의의 다른 실시예와 결합될 수 있음이 이해된다. 또한, 본 발명은 설명된 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위에 의해 정의되는 범위 내에서 변경될 수 있다.
Claims (19)
- 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템(500)으로서, 제동 압력 값을 생성하도록 구성된 전자 아키텍처를 각각 포함하는 비상 제동 모듈(501) 및 서비스 제동 모듈(507)을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전자 아키텍처들은 독립적이고 서로 분리되어 있으며;
상기 서비스 제동 모듈(507)은 적어도 상기 차량의 감속 상태 또는 서비스 제동 요청 신호(530)를 수신하고 상기 감속 상태 또는 서비스 제동 요청 신호(530)에 응답하여 각각의 서비스 제동 압력 신호(535)를 생성하도록 구성되고, 서비스 제동은 상기 차량이 감속되는 상태를 나타내고;
비상 제동 모듈(501)은 상기 서비스 제동 압력 신호(535)를 수신하기 위한 통신 채널(536)을 통해 상기 서비스 제동 모듈(507)에 연결되어 있고;
상기 비상 제동 모듈(501)은 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하여, 비상 제동을 나타내는 각각의 중간 제동 압력 신호(523, 605)를 생성하도록 구성되고;
상기 비상 제동 모듈(501)은,
- 비상 제동을 나타내는 상기 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 신호가 미리 결정된 임계 압력 값(529) 미만인 경우, 상기 서비스 제동 압력 신호(535)에 대응하는 제동 압력 제어 신호(524)를 생성하고;
- 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 신호가 상기 미리 결정된 임계 압력 값(529) 이상인 경우, 비상 제동을 나타내는 하나 이상의 중간 제동 압력 신호들(523, 605) 중 더 높은 신호에 대응하는 제동 압력 제어 신호(524)를 생성하고;
- 전기 공압식 액추에이터(electropneumatic actuator)(506)를 제어함으로써 상기 제동 압력 제어 신호(524)를 제동 압력으로 변환하도록 구성되는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호는 상기 차량의 제동 시스템의 압력 명령을 나타내는 신호(520)인, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호는 비상 전기 루프(emergency electric loop)로부터 나오는 신호(604)이며, 상기 비상 전기 루프는 비상 제동 상태를 검출할 수 있는 전기 회로인, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)은 EN50128 SIL ≥ 3 및 EN50129 SIL ≥ 3 요건들에 따라 설계되는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 서비스 제동 모듈(507)은 EN50128 SIL ≤ 2 및 EN50129 SIL ≤ 2 요건들에 따라 설계되는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)은 상기 차량의 중량 신호(528)와 함께 비상 제동 요청을 나타내는 적어도 하나의 신호를 변조하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 서비스 제동 모듈(507)은 상기 차량의 중량 신호(522)와 함께 상기 감속 또는 서비스 제동 요청 신호를 변조하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)의 결정 서브 모듈(702)은 속도 센서 수단(707)에 연결된, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)의 결정 서브 모듈(702)은 토크 센서 수단(705)에 연결되고, 상기 토크 센서 수단(705)은 제동 토크 신호를 검출하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 결정 서브 모듈(702)은 제동 토크 요청 신호(703)를 트랙션 시스템으로 전송하고, 토크 센서 수단(705)을 통해 실제 제동 응답을 측정하며, 압력 제어 서브 모듈 및 전기 공압식 액추에이터(506)의 서브 모듈로부터 보상을 요청하여 실제 제동 응답에서 누락된 수량을 보상하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)은 전기 역학적 제동 토크를 요구함으로써 제동 토크를 생성하고, 상기 토크 센서 수단(705)에 의해 상기 전기 역학적 제동 토크를 지속적으로 모니터링하며, 공압 제동 토크의 생성을 통해 가능한 토크 부족을 보상하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)은 차량 속도의 함수에서 이용 가능한 점착력에 따라 제동 압력을 보정하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 통신 채널(536)은 무선 채널인, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 통신 채널(536)은 버스(bus)에 의해 이루어지는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 통신 채널(536)은 아날로그 유형의 하드와이어 회선(hardwired line)들을 통해 이루어지는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
하나 이상의 전기-공압 액추에이터(506)를 관리하도록 구성되는 압력 제어 서브 모듈(505)을 더 포함하는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)은 하나 이상의 마이크로 프로세서를 포함하는 아키텍처에 따라 제조되는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)은 하나 이상의 프로그래머블 디바이스를 포함하는 아키텍처에 따라 제조되는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비상 제동 모듈(501)은 하나 이상의 마이크로 프로세서 및 하나 이상의 프로그래머블 디바이스를 포함하는 아키텍처에 따라 제조되는, 철도 차량의 전자식 제동 제어 시스템.
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