KR20160128593A - 중속 디젤 엔진의 이중화 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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두산엔진주식회사
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Abstract

본 명세서는 중속 디젤 엔진의 이중화 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템은, 주제어기, 상기 주제어기의 고장 발생 시 조속기(Governor)를 제어하여 엔진의 연속적인 운전이 가능하도록 하는 부제어기 및 상기 주제어기와 상기 부제어기 사이의 데이터 교환을 위한 통신 연결 수단을 포함하고, 상기 주제어기는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제1 자체진단모듈을 포함하고, 상기 부제어기는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제2 자체진단모듈을 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시 예에 따르면 디젤 엔진 기동 후 제어기 이상 발생 시 주기적 고장진단 결과에 따라 조속기(Governor)의 스위치를 이상이 없는 제어기와 자동 전환함으로써 해당 제어기의 고장 발생 시 상대 제어기가 조속기를 제어하여 엔진의 정지없이 연속적인 운전이 가능하다. 이에 따라 엔진의 안정적인 운전이 가능하도록 하는 효과가 있다.

Description

중속 디젤 엔진의 이중화 제어 시스템 및 그 방법{DUAL CONTROL SYSTEM AND METHOD OF MEDIUM-SPEED DIESEL ENGINE}
본 명세서의 적어도 일부의 실시 예는 중속 디젤 엔진의 이중화 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 운전 안정성 확보를 위해 하나의 제어기의 이상 발생 시 다른 제어기로 전환하는 이중화 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박 및 육상 발전에 사용되는 중속 디젤 엔진시스템은 ECU(Engine Control Unit)의 갑작스런 고장, 이상 등에 대비하기 위해, 2개 이상의 ECU를 이중화하여 사용되고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 중속 디젤 엔진은 두 개의 제어기(10,20)로 구성되며, 두 개의 제어기(10,20) 중 하나의 제어기를 주제어기(10)로 또 하나의 제어기를 부제어기(20)로 설정할 수 있도록 하는 제어기설정수단과, 주제어기(10) 또는 부제어기(20)로부터 수집된 데이터를 저장하며, 제어기 절체(switching)를 통한 데이터 손실을 방지하기 위해 두 개의 제어기(10,20)가 공유하는 메모리수단(30)을 포함하여 구성된다.
여기서, 주제어기(10)는 각 테스크(task)(13,14)별 와치독(watch dog)신호를 발생시키는 와치독(watch dog)(11)과, 와치독의 이상유무를 감시하는 와치독 감시 수단(12)과, 테스크(task)별 에러 또는 와치독 상태에 따라 상대에게 이를 알려주기 위한 허트비트(heart-bit)발생수단(15)과, 상대 제어기의 허트비트 신호를 입력받는 체크 버퍼(16)와, 자신의 현재 설정상태를 판단하여, 설정상태에 따라 허트비트 발생수단(15)으로부터 입력된 상태의 허트비트를 감시하여 상대 제어기의 동작상태를 감시하고, 감시결과에 따라 제어기 동작을 수행하는 제어수단(17)과, 상기 메모리수단(30)에 저장된 데이터를 읽어 들여 저장하는 주메모리수단(18)을 포함하여 구성된다. 부제어기(20)의 구성은 주제어기(10)와 동일한 구성을 포함한다.
이때, 종래 이중화 제어 장치는 제어기에서 제어 로직, 통신 등의 테스크(task)별 이상 유무를 판단하기 위하여 와치독(watch dog)신호를 발생시키는 와치독 및 이를 감시하는 와치독 감시 수단이 필요하다.
그런데, 종래 이중화 제어 장치에서 감시해야 할 테스크(task)가 많아질 경우 다수의 와치독 신호 발생기(watch dog pulse generator) 및 와치독 감시기(watch dog timer) 사용으로 인해 CPU(Central Processing Unit) 및 통신 라인(line)의 부하 증가가 발생되며 이는 전체 시스템 성능 저하로 이어지는 문제점이 있다.
또한, 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 다수의 테스크(task)를 우선순위화 하여 제어기 고장 검출을 수행하여도 낮은 순위에 있는 테스크(task)는 고장 검출 능력이 저하될 우려가 높다는 문제점이 있다.
국내 등록특허공보 제10-0964070호(엘에스산전 주식회사, 2009.09.24 공개) 특허문헌 1은 제어기의 이중화 장치로서, 특허문헌 1에는 제어기를 이중화하여 메인 제어기에 고장이 발생하였을 경우에 서브 제어기가 구동기의 구동을 제어하도록 하는 제어기의 이중화 장치에 대한 내용이 개시되어 있다. 국내 공개특허공보 특2003-0063847호(현대중공업 주식회사, 2003.07.31 공개) 특허문헌 2는 디젤발전 분산제어시스템용 원격단말장치의 마이크로컨트롤러 이중화 제어장치로서, 특허문헌 2에는 각 설비 구동장치의 제어 및 각 설비 구동장치에 있어 실시간으로 변하는 필드 데이터를 입출력 모듈로부터 수집하여 제어할 수 있도록 하는 디젤발전 분산제어 시스템용 원격단말장치의 마이크로 콘트롤러에 대한 내용이 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 제2004-162667호(미쓰비시공업주식회사, 2004.06.10 공개) 특허문헌 3은 선박용 기관 제어 장치로서, 특허문헌 3에는 메인 유닛, 서브 유닛 및 드라이버 유닛을 포함하는 선박용 기관 제어 장치에 대한 내용이 개시되어 있다.
본 명세서의 일 실시 예는 디젤 엔진의 이중화 제어시스템에 있어 주제어기와 부제어기의 제어권 전환을 위한 이상(fault) 검출 방식에 자체고장진단(Built-In Test)방식을 적용함으로써 다수의 테스크(task)의 고장 검출 시에도 CPU(Central Processing Unit) 및 통신 라인(line)의 부하 증가 없이 고장 검출을 통한 제어권 전환이 가능한 중속 디젤 엔진의 이중화 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템은, 주제어기, 상기 주제어기의 고장 발생 시 조속기(Governor)를 제어하여 엔진의 연속적인 운전이 가능하도록 하는 부제어기 및 상기 주제어기와 상기 부제어기 사이의 데이터 교환을 위한 통신 연결 수단을 포함하고, 상기 주제어기는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제1 자체진단모듈을 포함하고, 상기 부제어기는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제2 자체진단모듈을 포함할 수 있다.
상기 제1 자체진단모듈 및 제2 자체진단모듈을 포함하는 자체진단모듈들은 상기 엔진의 전원 인가 시에 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목에 대한 이상 유무를 스스로 진단하는 파워온자체고장진단(Power On Built-In Test)과, 상기 엔진의 전원 인가 후에 상기 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 주기적으로 진단하는 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행하여 상기 자체고장진단(Built-In Test)을 실행할 수 있다.
상기 자체진단모듈들은 실시간 운영체제(Real-Time Operating System)를 이용하여 CPU(Central Processing Unit) 전원, 제어기의 주전원, 직렬 통신, USB(Universal Serial Bus) 포트(Port), 메모리 및 FPGA(Field Programmable Gate Array) 중 적어도 하나를 포함하는 하드웨어 상태와 제어 로직(Logic)을 구현하기 위한 소프트웨어 상태를 주기적으로 감시하여 상기 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 진단하여 상기 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행할 수 있다.
상기 자체진단모듈들은 상기 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)의 결과를 상기 통신 연결 수단을 통해 주제어기에게 전달하고, 상기 통신 연결 수단이 정상인 경우에 상기 주제어기는 상기 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)의 결과를 부제어기에게 전달할 수 있다.
상기 부제어기는 상기 주제어기로부터 수신한 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)의 결과를 토대로 CPU(Central Processing Unit) 전원, 제어기의 주전원, FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 제어 로직 프로그램 중 적어도 하나의 이상 여부를 판단하는 고장진단 로직을 생성하고, 생성된 고장진단 로직을 통해 상기 주제어기의 이상 유무를 판단할 수 있다.
상기 이중화 제어 시스템은 상기 통신 연결 수단의 이상(Fault) 상태를 대비하여 상기 통신 연결 수단의 통신 경로를 이중화하는 것을 특징으로 하며, 상기 통신 연결 수단의 고장 진단 결과를 제외한 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목을 이용하여 고장 진단 로직으로 이상 유무를 판단하고, 판단 결과를 디지털 값으로 출력할 수 있다.
상기 제1 자체진단모듈 및 제2 자체진단모듈은 상기 주제어기 및 부제어기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과 및 상기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과를 결합한 자체고장진단 결과를 토대로 상기 테스크(task)의 이상 유무를 검출할 수 있다.
상기 조속기(Governor)는 상기 엔진의 기동 후 연료 제어를 위해 스위치를 통해 상기 주제어기 및 부제어기에 연결되며, 상기 자체고장진단(Built-In Test) 결과에 따라 상기 스위치를 자동 전환하여 이상이 없는 제어기와 연결할 수 있다.
상기 이중화 제어 시스템은, 상기 엔진 제어를 위해 필요한 온도 및 압력 센서값, 상기 엔진 기동을 위한 기동용 솔레노이드 밸브(Start Solenoid Valve), 상기 엔진 긴급 정지를 위한 비상 정지용 솔레노이드 밸브(Emergency Stop Solenoid Valve)를 이중화하여 필요한 신호를 입력받기 위한 센서 입력부; 및 상기 엔진의 제어기의 구동을 위해 신호를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템의 이중화 제어 방법에 있어서, 엔진의 전원이 인가되면 주제어기 및 부제어기에서 각각 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 단계; 및 상기 주제어기 및 부제어기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과 및 상기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과를 결합한 자체고장진단 결과에 따라 조속기의 스위치를 자동 전환하여 이상이 없는 제어기와 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자체고장진단(Built-In Test)은 상기 엔진의 전원 인가 시에 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목에 대한 이상 유무를 스스로 진단하는 파워온자체고장진단(Power On Built-In Test) 방식과, 상기 엔진의 전원 인가 후에 상기 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 주기적으로 진단하는 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test) 방식을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르면 디젤 엔진의 이중화 제어시스템에 있어 다수의 테스크(task)의 이상(fault) 검출 시에도 CPU(Central Processing Unit) 및 통신 라인(line)의 부하 증가 없이 이상 검출을 통한 제어권 전환이 가능한 중속 디젤 엔진의 이중화 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르면 종래 이중화 제어 장치에서 종래에 테스크(task)의 에러 검출을 위하여 와치독을 발생시키고 이를 확인하여 허트비트(heart-bit)을 전송하는 방식보다 프로그램 리소스 사용이 적으며, 하드웨어 및 소프트웨어의 상태를 다양한 방법으로 진단하여 이상 여부를 판단할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시 예에 따르면 디젤 엔진 기동 후 제어기 이상 발생 시 주기적 고장진단 결과에 따라 조속기(Governor)의 스위치를 이상이 없는 제어기와 자동 전환함으로써 해당 제어기의 이상 발생 시 상대 제어기가 조속기를 제어하여 엔진의 정지 없이 연속적인 운전이 가능하다. 이에 따라 엔진의 안정적인 운전이 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따르는 이중화 제어장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템의 구성도.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템의 이상 유무 표시 방법을 나타낸 도면.
도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템은 두 개의 제어기로 구성되며, 두 개의 제어기 중 하나의 제어기를 주제어기로 설정할 수 있으며, 나머지 다른 하나의 제어기를 부제어기로 설정할 수 있다.
도 2는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템은 주제어기(100), 부제어기(140), 상기 주제어기(100)와 부제어기(140)를 상호 간에 연결하는 통신 연결 수단(120), 스위치 모듈(160) 및 조속기(180)를 포함할 수 있다. 여기서, 주제어기(100) 및 부제어기(140)는 이중화 제어 로직(Logic)에 의해 자동전환이 가능한 자동전환수단과 사용자에 의해 수동전환이 가능한 수동전환수단을 포함할 수 있다.
주제어기(100)는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제1 자체진단모듈(미도시)을 포함할 수 있다.
마찬가지로 부제어기(140)는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제2 자체진단모듈(미도시)을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 자체진단모듈 및 제2 자체진단모듈은 주제어기(100) 또는 부제어기(140) 중 하나의 제어기에 이상(Fault)이 발생하였을 경우에 이상이 없는 다른 제어기로의 자동 전환을 위해서 이상 발생 여부를 판단하는 자체고장진단(Built-In Test) 기능을 구비하고 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따른 자체진단모듈들은 엔진의 전원 인가 시에 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목에 대한 이상 유무를 스스로 진단하는 파워온자체고장진단(Power On Built-In Test)과, 상기 엔진의 전원 인가 후에 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 주기적으로 진단하는 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행하여 자체고장진단(Built-In Test)을 실행할 수 있다.
또한, 자체진단모듈들은 실시간 운영체제(Real-Time Operating System)를 이용하여 CPU(Central Processing Unit) 전원, 제어기의 주전원, 직렬 통신, USB(Universal Serial Bus) 포트(Port), 메모리 및 FPGA(Field Programmable Gate Array) 중 적어도 하나를 포함하는 하드웨어 상태와 제어 로직(Logic)을 구현하기 위한 소프트웨어 상태를 주기적으로 감시하여 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 진단함으로써 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행할 수 있다.
예컨대, 자체진단모듈들은 실시간 운영체제(RTOS)를 이용하여 CPU 전원이 기설정된 전압(예컨대, 5V)인지를 주기적으로 감시하고, 전원이 기설정된 전압 이하로 측정된 경우에 CPU 전원 이상(Fault)으로 판단할 수 있다. 또한, 자체진단모듈은 실시간 운영체제(RTOS)를 이용하여 주기적으로 통신 칩(chip)의 고유 ID를 요청하고, 상기 통신 칩(chip)로부터 기설정된 일정시간 내에 고유 ID를 수신하지 않는 경우에도 통신 이상 (Fault)으로 판단할 수 있다.
또한, 자체진단모듈들은 직렬 통신 상태가 정상이라는 가정하에서 제어기의 운영환경에 따라 상기 항목 이외에도 USB(Universal Serial Bus) 포트(PORT) 이상 유무, 실시간 계시기(Real Time Clock) 칩(Chip) 이상 유무, ADConverter(Analog To Digital) 칩(Chip) 이상유무 등 다양한 항목에 대하여 주제어기(100) 및 부제어기(140)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르면 상술한 바와 같은 자체고장진단결과를 이용하여 제어기의 이상 여부를 판단할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 주제어기(100) 및 부제어기(140) 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과와, 상기 주제어기(100) 및 부제어기(140) 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과를 결합한 자체고장진단 결과를 토대로 제어기의 이상 여부를 판단할 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시 예에 따른 이중화 제어 시스템은 상술한 바와 같은 자체고장진단 방식을 이용하여 주제어기(100) 및 부제어기(140)의 이상 유무를 판단할 수 있다.
통신 연결 수단(120)은 주제어기(100)와 부제어기(140) 사이의 직렬 통신에 의한 고장 신호 등의 데이터 교환을 수행한다. 본 명세서의 일 실시 예에 따른 통신 연결 수단(120)을 직렬 통신 방식의 CAN(Controller Area Network) 통신을 이용함으로써 주제어기(100)와 부제어기(140) 간의 신호선이 단순화되고, 이중화 제어 시스템의 모듈화가 가능하게 된다.
통신 연결 수단(120)은 상술한 바와 같이 자체진단모듈이 실시간 운영체제(Real-Time Operating System)를 이용하여 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행함으로써 얻은 결과를 디지털 출력값으로 주제어기(100)에게 전달할 수 있다.
예컨대, 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)의 결과는 사용자에 의해 미리 설정된 기준값에 따른 CPU(Central Processing Unit) 5V 정상여부, 메인전원 24V 정상여부, 에프피지에이 칩(FPGA Chip) ID 정상여부, 이더넷 칩(Ethernet Chip) ID 정상여부, 제어 로직 프로그램 정상 동작 여부 등의 결과 등을 포함할 수 있다.
통신 연결 수단(120)인 직렬 통신 상태에 이상(Fault)이 없는 정상 정상(Normal) 상태인 경우에, 주제어기(100)는 주기적자체고장진단의 결과를 부제어기(140)에게 전송할 수 있다. 부제어기(140)는 상기 통신 연결 수단(120)을 통해 주제어기(100)로부터 수신한 주기적자체고장진단의 결과를 토대로 CPU(Central Processing Unit) 전원, 제어기의 주전원, FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 제어 로직 프로그램 중 적어도 하나의 이상 여부를 판단하는 고장진단 로직(Logic)을 생성하고, 생성된 고장진단 로직(Logic)을 통해 주제어기(100)의 이상 유무를 판단할 수 있다.
예컨대, 주제어기(100)의 이상 유무를 판단하기 위한 항목에 있어서, CPU 전원, MainBoard 전원, FPGA, 제어 로직 프로그램 등을 포함하는 각 항목에 상응하는 주기적자체고장진단의 결과값과 사용자에 의해 미리 설정된 기준값(예컨대, CPU 5V, MainPower 24V 등)을 토대로 부제어기(140)는 다음과 같은 고장진단 로직(Logic)을 생성할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 기준값은 엔진 특성에 따라 가변될 수 있다. 또한, 부제어기(140)는 생성된 고장진단 로직(Logic)을 통하여 주제어기(100)의 이상 유무를 판단할 수 있다. 상술한 바와 같은 고장진단 로직(Logic) 소스의 일 실시 예는 다음 표 1과 같다.
If ((CPU 5V_Fault = True) or (MainPower 24V_Fault = True) or (FPGA_Fault = True) or (Codesys SW_Fault = True)) then
ECU#1_Fault = True
Else
ECU#1_Fault = False
end
또한, 만약 통신 연결 수단(120)인 직렬 통신에 이상(Fault)이 있는 경우에는, 주제어기(100)는 상술한 바와 같은 CPU 전원, MainBoard 전원, FPGA, 제어 로직 프로그램을 포함하는 각 항목에 대한 주기적자체고장진단의 결과값을 획득할 수 없다.
이에 따라, 부제어기(140)는 주제어기(100)의 상술한 각 항목에 이외에 직렬 통신 상태가 정상(Normal)이라는 가정하에서 제어기의 운영환경에 따라 USB(Universal Serial Bus) 포트(PORT) 이상 유무, 실시간 계시기(Real Time Clock) 칩(Chip) 이상 유무, ADConverter(Analog To Digital) 칩(Chip) 이상유무 등 다양한 항목을 추가하며, 추가된 각 항목을 포함하는 고장진단 로직(Logic)을 생성한 후, 생성된 고장진단 로직(Logic)을 통하여 주제어기(100)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
이를 위하여, 본 명세서의 일 실시 예에 따르면 주기적자체고장진단 결과를 전송하는 통신을 이중화함으로써, 직렬 통신이 단선이 되거나 직렬 통신 상태의 이상(Fault)이 발생하는 경우에 제어기의 이상 유무를 판단할 수 없는 어려움을 방지할 수 있다.
즉, 주제어기(100) 및 부제어기(140)는 직렬 통신을 통해 상대방 제어기의 이상 여부를 판단하고, 직렬 통신의 이상이 발생하는 경우 디지털 출력(Digital Output)으로 전송되는 주기적자체고장진단 결과를 수신하여 상대 제어기의 이상 여부를 판단할 수 있다.
조속기(180)는 엔진의 기동 후 연료 제어를 위해 스위치 모듈(160)을 통해 주제어기(100) 및 부제어기(140)에 연결되며, 자체고장진단(Built-In Test) 결과에 따라 스위치 모듈(160)을 자동 전환하여 이상(Fault)이 없는 제어기와 연결할 수 있다.
결국, 자체진단모듈이 실시간 운영체제(RTOS)를 이용하여 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목을 감시함에 있어, 주제어기(100) 또는 부제어기(140)의 이상(Fault)이 검출된 경우에, 조속기(180)는 스위치 모듈(160)을 제어하여 이상이 없는 정상(Normal) 상태인 제어기와 연결함으로써 엔진의 정지 없이 엔진의 연속적인 운전이 가능하도록 할 수 있다.
이는 종래의 각각의 테스크(task) 오류(error)를 검출하기 위해 와치독(Watch Dog)을 발생시키고 이를 체크하여 허트비트신호(Heart Bit)를 전송하는 방법보다 프로그램 리소스 사용이 적으며, 하드웨어 및 소프트웨어의 상태를 다양한 방법으로 진단하여 시스템의 이상(Fault) 여부 파악이 가능하도록 한다.
또한, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템은 도 2에 도시되지 않았으나, 주제어기(100) 및 부제어기(140)는 엔진 제어를 위해 필요한 온도 및 압력 센서값, 상기 엔진 기동을 위한 기동용 솔레노이드 밸브(Start Solenoid Valve) 및 상기 엔진 긴급 정지를 위한 비상 정지용 솔레노이드 밸브(Emergency Stop Solenoid Valve)를 이중화하여 필요한 신호를 입력받기 위한 센서 입력부와, 상기 엔진의 제어기의 구동을 위해 신호를 출력하는 출력부, 상기 주제어기(100) 및 부제어기(140)의 하드웨어 및 소프트웨어의 각 항목에 상응하여 이상 발생시에 발생된 이상 상태를 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
또한, 추가적으로 주제어기(100) 및 부제어기(140)는 하드웨어 및 소프트웨어의 각 항목에 상응하여 이상 발생시에 이상 발생을 판단할 수 있도록 고장진단 로직의 기준값이 되는 데이터를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 시스템의 이상 유무 표시 방법을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 이중화 제어 시스템은 실시간 운영체제(Real-Time Operating System)를 이용하여 CPU(Central Processing Unit), ECU(Engine Control Unit) Main, 제어 로직 프로그램, 이더넷(Ethernet), FPGA(Field-Programmable Gate Array), 직렬(Serial) 통신, CAN(Controller Area Network) 통신 등의 하드웨어 및 소프트웨어의 각 항목에 대하여 주기적으로 감시하고, 주기적자체고장진단의 결과값이 미리 설정된 기준값을 벗어나는 경우에 이상(Fault) 상태로 판단할 수 있다. 여기서, 주기적자체고장진단의 결과, 임의의 항목의 이상(Fault) 발생시에 발생된 이상(Fault) 항목에 대하여 사용자에게 알리기 위한 표시부의 형태로 램프(Fault Lamp)를 구비할 수 있다.
예를 들어, 주제어기(100)와 부제어기(140) 간 데이터 통신을 위한 통신 연결 수단(120)인 직렬 통신이 정상(normal) 상태인 경우에, 이중화 제어 시스템은 실시간 운영체제(Real-Time Operating System)를 이용하여 각 제어기에서 자체적으로 실시된 주기적자체고장진단의 결과를 상기 통신 연결 수단(120)을 통하여 해당 제어기에 상응하는 상대 제어기로 전달할 수 있다.
즉, 이중화 제어 시스템에 있어서 통신 연결 수단(120)인 직렬 통신이 정상 상태인 경우에, 주제어기(100)는 상대 제어기인 부제어기(140)으로, 부제어기(140)는 상대 제어기인 주제어기(100)으로 하드웨어 및 소프트웨어의 각 항목에 대하여 실시된 주기적자체고장진단의 결과를 전달할 수 있다.
주제어기(100) 및 부제어기(140)는 각각 상대 제어기로부터 수신한 주기적자체고장진단의 결과를 토대로 CPU(Central Processing Unit) 전원, 제어기의 주전원, FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 제어 로직 프로그램 중 적어도 하나의 항목에 대한 이상 여부를 판단하는 고장진단 로직(Logic)을 생성할 수 있다. 주제어기(100) 및 부제어기(140)는 상기 생성된 고장진단 로직(Logic)을 통해 상대 제어기의 이상(Fault) 유무를 판단할 수 있다.
또한, 이중화 제어 시스템의 통신 연결 수단(120)인 직렬 통신의 이상(Fault) 발생하는 경우에 주제어기(100) 및 부제어기(140) 각각에서 자체 실시된 주기적자체고장진단의 결과를 상대 제어기로 전송이 불가능하다.
따라서, 각 제어기는 실시간 운영체제(Real-Time Operating System)를 이용하여 실시한 직렬 통신 항목을 제외한 진단 항목(소프트웨어 및 하드웨어 항목 포함)을 이용하여 고장진단 로직(Logic)을 생성하며, 각 제어기는 생성된 고장진단 로직을 이용하여 이상(Fault) 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 고장진단 로직(Logic)은 CPU 전원이 정상 상태에서는 5V 출력이 발생하는 것으로 미리 설정되며, CPU 전원에 이상(Fault)이 발생한 경우에는 디지털 출력이 작동되지 않기 때문에 OV 출력이 발생하는 것으로 미리 설정될 수 있다.
즉, 주제어기(100)와 부제어기(140)는 이상(Fault) 여부 판단 결과를 디지털 값으로 출력할 수 있다. 여기서, 각 제어기의 하드웨어 및 소프트웨어의 개별 항목에 대한 이상(Fault) 유무는 디지털 출력값을 토대로 램프(Lamp)에 표시될 수 있다.
도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 이중화 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 엔진에 전원이 인가되면(410), 엔진의 전원 인가로 인해 이중화 제어 시스템은 부팅(Booting)되며, 이중화 제어 시스템은 자체 시스템의 하드웨어 항목에 대한 이상 유무를 스스로 진단하는 파워온자체고장진단(Power On Built-In Test)을 실행한다(420). 여기서, 파워온자체고장진단(Power On Built-In Test)은 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목에 대한 고장진단을 부팅 시에 1회 실시되며, 부팅 이후에는 실시되지 않는다.
이후, 이중화 제어 시스템은 하드웨어 상태와 제어 로직(Logic)을 구현하기 위한 소프트웨어 상태를 주기적으로 감시하여 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 주기적으로 진단하는 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행함으로써 자체고장진단(Built-In Test)을 실행할 수 있다(430).
그리고, 이중화 제어 시스템은 실시간 운영체제(RTOS)를 이용하여 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상(Fault) 여부를 판단할 수 있다(440). 여기서, 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 여부는 이중화 제어 시스템에 의한 자체고장진단(Built-In Test)의 결과값과 미리 설정된 기준값을 기초로 생성된 고장진단 로직(Logic)을 토대로 판단될 수 있다.
이후, 이중화 제어 시스템은 상기 440 단계에서 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상(Fault)이 발생한 것으로 판단하면, 조속기(180)는 주제어기(100) 또는 부제어기(140)와 연결된 스위치 모듈(160)을 자동 전환하여 이상(Fault)이 없는 정상(Normal) 상태인 제어기와 연결할 수 있다(450). 이를 통해, 엔진의 정지 없이 엔진의 연속적인 운전이 가능하도록 할 수 있다. 반면, 이중화 제어 시스템은 상기 440 단계에서 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상(Fault)이 발생하지 않았다고 판단하면, 과정은 단계 430으로 진행한다.
100 : 주제어기 140 : 부제어기
120 : 통신 연결 수단 160 : 스위치 모듈
180 : 조속기

Claims (11)

  1. 주제어기;
    상기 주제어기의 고장 발생 시 조속기(Governor)를 제어하여 엔진의 연속적인 운전이 가능하도록 하는 부제어기; 및
    상기 주제어기와 상기 부제어기 사이의 데이터 교환을 위한 통신 연결 수단을 포함하고,
    상기 주제어기는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제1 자체진단모듈을 포함하고,
    상기 부제어기는 자체적으로 이상 유무를 검출하기 위해 적어도 하나의 테스크(task)를 수행하며, 상기 테스크(task)의 이상 유무를 진단하기 위해 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 제2 자체진단모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자체진단모듈 및 제2 자체진단모듈을 포함하는 자체진단모듈들은 상기 엔진의 전원 인가 시에 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목에 대한 이상 유무를 스스로 진단하는 파워온자체고장진단(Power On Built-In Test)과, 상기 엔진의 전원 인가 후에 상기 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 주기적으로 진단하는 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행하여 상기 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자체진단모듈들은 실시간 운영체제(Real-Time Operating System)를 이용하여 CPU(Central Processing Unit) 전원, 제어기의 주전원, 직렬 통신, USB(Universal Serial Bus) 포트(Port), 메모리 및 FPGA(Field Programmable Gate Array) 중 적어도 하나를 포함하는 하드웨어 상태와 제어 로직(Logic)을 구현하기 위한 소프트웨어 상태를 주기적으로 감시하여 상기 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 진단하여 상기 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)을 실행하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자체진단모듈들은 상기 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)의 결과를 상기 통신 연결 수단을 통해 주제어기에게 전달하고, 상기 통신 연결 수단이 정상인 경우에 상기 주제어기는 상기 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)의 결과를 부제어기에게 전달하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 부제어기는 상기 주제어기로부터 수신한 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test)의 결과를 토대로 CPU(Central Processing Unit) 전원, 제어기의 주전원, FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 제어 로직 프로그램 중 적어도 하나의 이상 여부를 판단하는 고장진단 로직을 생성하고, 생성된 고장진단 로직을 통해 상기 주제어기의 이상 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이중화 제어 시스템은 상기 통신 연결 수단의 이상(Fault) 상태를 대비하여 상기 통신 연결 수단의 통신 경로를 이중화하는 것을 특징으로 하며, 상기 통신 연결 수단의 고장 진단 결과를 제외한 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목을 이용하여 고장 진단 로직으로 이상 유무를 판단하고, 판단 결과를 디지털 값으로 출력하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자체진단모듈 및 제2 자체진단모듈은 상기 주제어기 및 부제어기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과 및 상기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과를 결합한 자체고장진단 결과를 토대로 상기 테스크(task)의 이상 유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조속기(Governor)는 상기 엔진의 기동 후 연료 제어를 위해 스위치를 통해 상기 주제어기 및 부제어기에 연결되며, 상기 자체고장진단(Built-In Test) 결과에 따라 상기 스위치를 자동 전환하여 이상이 없는 제어기와 연결하는 것을 특징으로 하는 이중화 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 제어를 위해 필요한 온도 및 압력 센서값, 상기 엔진 기동을 위한 기동용 솔레노이드 밸브(Start Solenoid Valve), 상기 엔진 긴급 정지를 위한 비상 정지용 솔레노이드 밸브(Emergency Stop Solenoid Valve)를 이중화하여 필요한 신호를 입력받기 위한 센서 입력부; 및
    상기 엔진의 제어기의 구동을 위해 신호를 출력하는 출력부;
    를 더 포함하는 이중화 제어 시스템.
  10. 이중화 제어 시스템의 이중화 제어 방법에 있어서,
    엔진의 전원이 인가되면 주제어기 및 부제어기에서 각각 자체고장진단(Built-In Test)을 실행하는 단계; 및
    상기 주제어기 및 부제어기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과 및 상기 각각에서 실행된 개별적인 자체고장진단 결과를 결합한 자체고장진단 결과에 따라 조속기의 스위치를 자동 전환하여 이상이 없는 제어기와 연결하는 단계;
    를 포함하는 이중화 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자체고장진단(Built-In Test)은 상기 엔진의 전원 인가 시에 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목에 대한 이상 유무를 스스로 진단하는 파워온자체고장진단(Power On Built-In Test) 방식과, 상기 엔진의 전원 인가 후에 상기 이중화 제어 시스템의 하드웨어 항목 및 소프트웨어 항목에 대한 이상 유무를 주기적으로 진단하는 주기적자체고장진단(Continuous Built-In Test) 방식을 포함하는 이중화 제어 방법.


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