KR100770712B1 - 철도 차량용 ｈｖａｃ 시스템의 백업 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제어기의 파손 발생시 일정 정도의 시스템 제어 성능 저하는 감안하더라도 승객에게 지속적인 HVAC 서비스를 제공할 수 있는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치에 관한 것이다. 이를 위해, 마이크로프로세서 기반 제어기(1)를 갖는 철도 차량용 HVAC 시스템에 있어서, 마이크로프로세서 기반 제어기(1)로부터 소정시간동안 출력이 없는지 여부를 판단하는 상태확인 타이머(2a); 상태확인 타이머(2a)가 소자된 경우, 제어기(1)의 제어용 출력포트(1b)에 인가되는 전원을 차단하는 차단수단; 및 차단수단에 의한 전원 차단후 증발기 팬(4)으로 전원을 전환 공급하는 릴레이(9);가 제공된다.

철도, 차량, 인터락, 제어기, 댐퍼, 백업, 인통선

Description

철도 차량용 ＨＶＡＣ 시스템의 백업 제어장치{Backup Control device of the HVAC system for Rolling Stocks}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 백업 제어장치의 흐름도,

도 2는 백업 제어를 위한 제어기 상태 감시 및 백업 제어의 회로도,

도 3은 백업 제어를 위한 차량 인통선 회로의 예시도

도 4는 제어기 상태 감시를 통한 차단 댐퍼 백업 제어의 회로도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 마이크로 프로세서 기반 제어기,

1a : 상태출력포트,

1b : 제어용 출력포트,

2a : 상태확인 타이머,

3 : 백업 제어 현시,

4 : 증발기팬,

6 : 안전장치 인터락,

7 : HVAC 시스템 장치의 출력제어부,

8a : 백업제어 시작 타이머,

9 : 백업제어용 릴레이,

10 : 출력 제어전원,

13 : 상태 확인 타이머.

본 발명은 철도 차량용 HVAC 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제어기의 파손 발생시 일정 정도의 시스템 제어 성능 저하는 감안하더라도 승객에게 지속적인 HVAC 서비스를 제공할 수 있는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 철도 차량용 HVAC(Heating, Ventilating and air Conditioning, 냉난방 및 환기) 시스템은 철도 차량 내부의 쾌적한 환경 유지를 위한 필수적인 장치이다. 좀 더 정밀한 제어를 통한 쾌적성의 증대의 목적과 함께 차량내 전계장품 및 배선이 감소될 수 있다는 이점이 있기 때문에 최근에 HVAC 시스템의 제어기는 마이크로프로세서 기반의 제어기가 주류를 이루고 있다.

그리고, 철도 차량용 냉방 장치 제어 방식에 관해 개시된 종래의 기술들은 대부분 실내 및 실외 온도 조건에서의 에어컨 제어 방법과 사용자 및 차량 시스템과의 인터페이스 방법에 대한 기술이다(1020040095020: 열차의 공조 제어 장치 및 그 제어 방법, 1019980062646: 자동 냉난방 제어장치).

그리고, 또 다른 종래기술은 냉방 등의 부분 부하 조건에서 운전되는 압축기를 선택하는 방식으로 개시된 발명으로는 부분 부하시 운전중이던 압축기 고장시 정상인 압축기로 운전이 자동 절환되는 발명이 있으나(1020000043273: 열차용 냉방기의 자동 절환 장치), 이것은 HVAC 시스템 장치 내의 내고장성 확보를 위한 발명이며, 제어기의 고장에 대한 내고장성을 제시하지는 않고 있다.

반면에 철도 차량 내부의 전기 시스템은 불안한 접지와 함께 일반적인 상용전원을 이용한 전기 시스템에 비해 전기적인 외란 요소가 많다. 따라서, 전자 부품으로 이루어진 마이크로 프로세서 기반의 제어기가 파손될 가능성이 늘 상존해 있다는 문제점을 갖는다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 마이크로프로세서 기반 제어기의 파손시 이를 인식하여 백업 제어로 변경시키고, 또한 마이크로프로세서 기반 제어기의 순간적인 고장에 대해서는 백업 제어의 수행을 방지시키며, 한시적인 고장 발생 후 복구시, 정상 제어 운전으로 복귀시키는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은, 파손된 제어기를 대신하여 인접 차량의 HVAC 시스템 제어기로부터 제어 출력신호를 인계 받아 백업 제어를 수행하는 데 있어서, 백업 제어에 필요한 인터페이스 신호를 출력신호중 일부만을 사용하도록 하여 백업 제어에 필요한 차량 인통선을 최소화하되, 각 HVAC 시스템의 출력 회로 자체가 HVAC 시스템 이상이 발생 했을 때 자체적으로 동작할 수 있도록 구성하여 백업 제어 중에 백업 제어를 수행하는 제어기에게 백업 제어의 대상이 되는 HVAC 시스템의 상태 정 보를 입력 신호로 제공하지 않아도 되도록 회로를 구성한 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은, 고속전철 등에 적용하였을 경우 파손된 제어기를 대신하여 승객들의 이명현상 방지를 위한 차단 댐퍼의 제어를 백업 제어의 개시 신호에 따라 차량의 전기 접점 신호에 의해 수행하도록 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 마이크로프로세서 기반 제어기(1)를 갖는 철도 차량용 HVAC 시스템에 있어서,

마이크로프로세서 기반 제어기(1)로부터 소정시간동안 출력이 없는지 여부를 판단하는 상태확인 타이머(2a);

상태확인 타이머(2a)가 소자된 경우, 제어기(1)의 제어용 출력포트(1b)에 인가되는 전원을 차단하는 차단수단; 및

차단수단에 의한 전원 차단후 증발기 팬(4)으로 전원을 전환 공급하는 릴레이(9);로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 릴레이(9)에 의해 백업 장치가 동작되는 경우, 이를 현시하는 현시 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

아울러, 타이머(2a)의 소정시간은 20 초 ~ 30 초 범위일 수 있다.

그리고, 차단수단과 릴레이(9) 사이에는 백업으로 인한 재기동을 일정시간동안 지연시키는 백업제어 시작 타이머(8a)가 더 구비되어 있는 것이 적합할 수 있다.

그리고, 백업제어 시작 타이머(8a)는 60 초 이상 여자되어 재기동을 지연시킬 수 있다.

또한, 마이크로프로세서 기반 제어기(1)는 복수개가 구비되고,

마이크로프로세서 기반 제어기(1)와 릴레이(9) 사이에는 차량 인통선이 더 구비될 수 있다.

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 백업 제어를 위한 회로 구성은 크게 4가지로 나눌 수 있다. 첫째, 제어기의 파손 여부를 판단하여, 마이크로프로세서 기반 제어기의 출력 신호를 차단한 후 증발기 팬을 전기 회로적인 제어 신호를 통해 운전시기고, 백업 제어를 개시하는 회로부이다.

둘째, 백업 제어의 개시 신호에 따라 차량 인통선을 통해 인접 HVAC 시스템의 정상적인 제어기 출력 신호를 파손된 제어기의 제어 대상이었던 HVAC 시스템의 제어 신호로 연계 시키는 회로부이다.

셋째 자신의 제어기로부터의 제어 출력 신호와 함께 백업 제어시 다른 HVAC 시스템 시스템 제어기로부터 출력 신호를 인가 받을 수 있고, 또한 HVAC 시스템 이상 현상에 대해 회로적으로 대처할 수 있는 제어 출력 회로부를 포함한다.

넷째, 본 발명의 백업 제어 시스템은 고속전철 등에 적용하였을 경우 승객들의 이명현상 방지를 위한 차단 댐퍼의 제어를 백업 제어의 개시 신호에 따라 차량의 전기 접점 신호에 의해 수행하도록 한다.

기본적으로는 독립적인 HVAC 시스템의 제어가 개별적으로 수행되는 것이 원칙이만 본 발명의 일실시예는 철도차량내 HVAC 시스템의 공조 구역간의 HVAC 서비스 요구 편차가 크지 않은 것을 감안하여 백업 제어를 통해 철도 차량의 HVAC 시스템은 마이크로프로세서 기반 제어기의 고장에 대해 내고장성을 갖게 된다. 동시에 백업 제어 중에도 시스템의 이상에 대해서는 적절히 대처할 수 있게 된다.

철도 차량용 HVAC 시스템의 백업(Backup) 제어 방식에 대해 개시한다. 본 발명의 일실시예에서 사용하는 백업 제어란 일종의 예비 제어 방식으로 기본 운영 제어 방식이 더 이상 운영될 수 없을 경우 일정 정도의 시스템 제어 성능 저하를 감안하여 시스템 제어를 유지시키는 방식이다.

특히 인버터에 의해 차량 배터리 전원으로 가변 속도 제어되는 증발기 팬의 백업 제어와 함께 터널 진입시에 발생할 수 있는 차량내 압력 변동에 대비하고자 설치되는 차단 댐퍼의 백업 제어를 포함한다.

백업 제어를 위한 회로 개념도는 도 1과 같다. 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 프로세서 기반 제어기(1)의 출력은 상태 출력 포트(1a)와 제어용 출력 포트(1b)로 구성된다. 상태 출력 포트(1a)는 제어기가 정상 상태임을 지시하는 출력 이며, 이 출력에 의해 상태 확인 타이머(2a)가 여자될 경우 백업 제어는 수행되지 않은 상태에서 정상 제어가 수행된다. 제어기의 자체 판단 혹은 제어기의 파손이 발생된 경우 상태 출력 포트의 출력이 차단되며, 이로 인해 상태 확인 타이머(2a)의 전원이 차단된다.

상태 확인 타이머(2a)는 30초 소자 지연 타이머로서 전원이 차단된 후 상태가 30초가 유지된 후에만 소자가 된다. 따라서 30초 이내에 발생할 수 있는 제어기의 순간적인 이상 등에는 민감하게 동작하지 않게 된다. 상기에 언급된 바와 같이 상태 확인 타이머(2a)가 여자된 상태에서는 백업 제어가 수행되지 않지만, 상태 확인 타이머(2a)가 소자된 상태에서 백업 제어가 개시된다(2b).

백업 제어가 개시되면 먼저 사용자의 인식을 위해 타이머의 상태 접점을 나타내는 릴레이의 접점에 의해 제어되는 백업 제어 수행 램프를 통해 백업 제어 수행 상태임을 현시하고(3), 제어용 출력 포트(1b)에 인가되는 출력 제어용 전원을 차단한다. 또한 차단된 출력 제어용 전원을 대신하여 릴레이 접점을 이용하여 3상 전원을 이용한 직접 구동 신호를 인가하여 증발기 팬(4)을 운전 시킨다. 이 때 증발기 팬(4)은 백업 제어가 수행되지 않는 정상 상태에서 속도 제어 등의 정밀 제어 기능은 수행할 수 없지만 일정 풍량의 공기 순환을 확보함으로써 냉방 및 난방의 백업 제어가 가능하도록 한다.

백업 제어 중에는 제어기의 정상적인 입력값 판단을 기대할 수 없기 때문에 상기와 같이 기동된 증발기 팬(4)의 정상 동작 여부는 풍압 센서(미도시)와 같이 기계적인 방식을 이용하여 확인하고, 정상 동작 여부가 확인된 경우(5)에 백업 제 어 시작 타이머(8a)에 전원이 공급된다.

백업 제어 시작 타이머(8a)는 60초 여자 지연 타이머로 전원이 인가된 후 상태가 1분 동안 유지된 후에만 여자가 된다. 따라서 상태 확인 타이머(2a)의 소자로 인한 제어용 출력 포트(1b)로 인가되는 제어용 출력 전원의 차단으로 인해 발생하는 압축기 및 팬의 정지 후 재기동이 백업 시작과 동시에 일어남으로써 발생할 수 있는 과열 기동을 최대한 방지한다.

백업 제어 시작 타이머(8a)는 서로 백업 제어 신호를 주고 받을 수 있는 2 개의 제어기(1) 사이에 공유된다. 한 개의 제어기(1)는 2 개 이상의 백업 제어 시작 타이머(8a)를 통해 2 개의 다른 제어기(1,1)와 백업 제어 회로를 구성할 수 있다. 도 1의 백업 제어 회로도는 하나의 타당한 예시로서 2 개의 제어기(1, 1)가 1 개의 백업제어 시작 타이머(8a)를 공유한 형태를 갖는다. 만약, 철도 차량의 냉방기 구성이 변경될 때에는 본 발명의 요지와 범위에서 벗어나지 않게 다양한 형태로 수정 및 변형이 가능할 것이다.

백업제어 시작 타이머(8a)가 여자되면 백업 제어가 시작되며(8b), 백업 제어용 릴레이(9)가 여자되어 차량 인통선을 통해 백업 제어를 수행하는 제어기와 백업 제어의 대상인 제어기의 출력이 연결된다. 이를 통해 백업 제어를 수행하는 제어기의 출력이 자신의 HVAC 시스템 장치로 출력될 뿐 아니라 동시에 동일한 신호가 안전장치 인터락 접점(6)을 통해 HVAC 시스템 장치 출력(7)으로 전달된다.

안전장치 인터락 접점(6)은 HVAC 시스템 장치로의 출력이 이루어지면 안되는 이상상태를 감지하여 회로를 차단시키는 기능을 하며, 이로 인해 백업 제어를 수행 하는 제어기가 백업 제어 대상인 HVAC 시스템의 상태를 입력으로 받지 않고도 시스템의 안정성이 보장되는 운전이 수행될 수 있다.

백업 제어를 위한 제어기 상태 감시 및 백업 제어 회로의 예시도가 도 2와 같다. 도 2의 백업 제어 회로도는 하나의 타당한 예시로서 제시되며 철도 차량의 냉방기 구성이 변경될 때에는 본 발명의 요지와 범위에서 벗어나지 않게 다양한 형태로 수정 및 변형이 가능할 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 제어기(CM-HVAC-01)는 상태 출력 포트에 출력 제어전원(10)이 인가되면(11) 인가된 출력 제어 전원을 통해 상태 확인 타이머(13)에 상태 출력을 인가한다(12). 상태 확인 타이머(13)는 30초 소자 지연 타이머로 출력 인가와 동시에 여자가 되며, 여자 된 상태 확인 타이머(13)에 의해 타이머의 상태를 접점 상태로 표현하는 릴레이가 여자된다(14). 제어 출력 포트에의 전원은 릴레이의 A 접점을 이용하여 공급되므로(15) 릴레이가 여자 된 경우에만 제어 출력 포트에 전원이 공급된다.

또한 릴레이의 B접점을 이용하여(19) 증발기 팬의 3상전원을 이용한 직접 구동 신호를 제공하기 때문에(21) 삼상 전원을 이용한 직접 구동 신호는 제어기가 정상적인 경우 릴레이의 B접점의 개방으로 인해 인가되지 않게 된다. 정상적인 경우 증발기 팬은 인버터를 이용하여 제어되며, 제어기는 인버터를 이용한 제어를 위해 인버터 구동 신호(20a)와 인버터 속도 신호(20b)의 출력을 통해 증발기 팬을 가변 속도 제어한다. 증발기 팬이 인버터에 의해 운전되는 경우와 삼상전원에 의해 직접 구동되는 경우 모두에 증발기 팬이 운전되면 풍압 센서가 동작하여(16) 릴레이를 여자시킨다(17).

반대로 도 2에서 제어기 이상이나 제어기에 전원이 차단됨으로써 상태 확인 타이머(13)에 출력을 하지 못하는 경우 그러한 상태가 30초 이상 지속되면 타이머가 소자 되게 된다. 타이머의 소자에 의해 타이머의 상태를 접점 상태로 표현하는 릴레이가 곧바로 소자되게 된다(14). 이로 인해 제어 출력 포트의 전원(15)이 차단되고 릴레이의 B 접점을 이용하는 전원의 공급(19)이 개시된다. 이때 증발기 팬은 삼상전원에 의해 구동되게 되며(21), 역시 증발기 팬이 운전되기 때문에 풍압 센서가 동작하여(16) 릴레이를 여자시킨다(17). 따라서 백업제어 신호(18a)가 인가되며 인가된 백업 제어 신호를 통해 차량 인통선을 통해 차단된 제어기 출력 대신 백업 제어를 수행하는 제어기의 출력(22)에 의해 장치 제어용 전자 접촉기 혹은 릴레이가 제어된다. 이때 도 2에서 보는 바와 같이 중요 안전장치가 출력라인에 인터락 되어 있기 때문에(23, 24), 백업 제어를 수행하는 제어기로 상태 입력을 제공하지 않고도 이상 발생시 전자 접촉기 혹은 릴레이로의 출력이 자연 차단되게 된다.

도 2의 백업 제어 신호(18a)에 의해 도 3에서 백업 제어 시작 타이머(24)에 전원이 공급되고 과열 기동을 방지하기 위한 백업 제어 시작 타이머(24)는 60초 여자 지연 타이머로 전원이 인가된 후 상태가 60초 동안 유지된 후에 여자가 된다. 백업 제어 시작 타이머(24)의 여자로 인해 6A6B의 백업 제어 시작 타이머 상태 릴레이(25)가 여자가 되고, 이 릴레이의 여자에 의해 비로서 차량 인통선(26)이 폐회로를 형성할 수 있도록 접점(27)이 닫힌다. 폐회로 형성으로 인해 도 3에서 예로 든 ET1과 T2 상호 간의 제어 출력선들이 연결되어 백업 제어가 수행될 수 있다. 여 기서 특히 HVAC 시스템 내의 압축기, 콘덴서 팬, 그리고 펌프다운 밸브는 서로 연동하기 때문에 별도의 인통선 추가 없이 하나의 백업 제어 신호로 연동을 시킨다(28).

도 4는 백업 제어를 통한 차단 댐퍼 제어의 회로도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, HVAC 시스템의 차단 시스템은 HVAC 장치 안의 신선 공기 차단 댐퍼(29a)와 드레인 차단 댐퍼(29b), 그리고 HVAC 장치와 별도로 설치되는 배기 장치의 배기 공기 차단 댐퍼(29c)로 구성된다. HVAC 제어기는 통신 혹은 전기적인 접점 신호를 통해 터널 진입 혹은 기관사의 요구가 있을 때 이를 감지하여 해당 차단 댐퍼에 출력을 인가하여 차단시키고, 차단 여부를 각각의 차단 댐퍼 상태 신호(30)에 의해 감지한다.

도 2에서 제어기 이상이나 제어기에 전원이 차단되어 백업 제어 개시 신호(33)가 인가되면 제어기의 제어 출력 전원이 차단되므로 차단 댐퍼 역시 제어기에 의해 제어되지 못하고, 터널 진입 혹은 기관사의 요구 신호에 따른 상태 릴레이(31,32)의 접점(34)에 의해 각 차단 댐퍼가 제어되게 된다. 이 때 접점에 의한 차단 신호는 다이오드(35)에 의해 모든 차단 댐퍼에 인가되어 차단 동작이 수행되게 된다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 본 발명에서는 제어기의 파손 발생시 일정 정도의 시스템 제어 성능 저하는 감안하더라도 승객에게 지속적인 HVAC 서비스를 제공할 수 있게 하기 위한 것으로 목적으로, 특정 HVAC 시스템의 마이크로 프로세서 기반 제어기가 파손되었을 경우에 인접한 HVAC 시스템의 정상 제어기로부터 제어 출력을 받아 파손된 제어기의 제어 대상이었던 HVAC 시스템을 제어하는 백업 제어 방식을 개시한다.

기본적으로는 독립적인 HVAC 시스템의 제어가 개별적으로 수행되는 것이 원칙이만 본 발명의 개시를 통해 차량 내 HVAC 시스템의 공조 구역간의 HVAC 서비스 요구 편차가 크지 않은 것을 감안하여 개시된 백업 제어를 통해 철도 차량의 HVAC 시스템은 마이크로 프로세서 기반 제어기의 고장에 대해 내고장성을 갖게 되며, 동시에 백업 제어 중에도 시스템의 이상에 대해서는 적절히 대처할 수 있는 장점을 갖는다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (6)

1. 마이크로프로세서 기반 제어기(1)를 갖는 철도 차량용 HVAC 시스템에 있어서,

   상기 마이크로프로세서 기반 제어기(1)로부터 소정시간동안 출력이 없는지 여부를 판단하는 상태확인 타이머(2a);

   상기 상태확인 타이머(2a)가 소자된 경우, 상기 제어기(1)의 제어용 출력포트(1b)에 인가되는 전원을 차단하는 차단수단; 및

   상기 차단수단에 의한 전원 차단후 증발기 팬(4)으로 전원을 전환 공급하는 릴레이(9);로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 릴레이(9)에 의해 백업 장치가 동작되는 경우, 이를 현시하는 현시수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 타이머(2a)의 소정시간은 20 초 ~ 30 초 범위인 것을 특징으로 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 차단수단과 상기 릴레이(9) 사이에는 백업으로 인한 재기동을 일정시간동안 지연시키는 백업제어 시작 타이머(8a)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 백업제어 시작 타이머(8a)는 60 초 이상 여자되어 재기동을 지연시키는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로프로세서 기반 제어기(1)는 복수개가 구비되고,

   상기 마이크로프로세서 기반 제어기(1)와 상기 릴레이(9) 사이에는 차량 인통선이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 HVAC 시스템의 백업 제어장치.

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