2.1 온도변화에 따른 스프링식 장력조정장치의 변화
전기철도에서 가공 전차선로는 차량의 팬터그래프에 전기에너지를 공급하기 위해 도전율이 높은 순동 또는 동합금계가 사용된다. 각 전선은 온도변화에 따라
열팽창과 수축으로 인해 변화하며 전선의 신축량은 식(1)과 같이 나타낼 수 있다[14].
여기서, $$L : 흐름방지점 또는 고정점에서 장력조정장치의 전선 길이$$
$$d : 전선의 열팽창계수, 동(Cu)의 경우 d = 0.000017 m/℃$$
$$∆t : 설치기준온도로부터 설계최대온도까지의 차이(℃)$$
그리고, 전차선 길이변화의 계산식은 식(2)와 같이 나낼 수 있다[15].
여기서, $$l : 스트로크 길이 [mm] $$
$$S : 동작범위 $$
$$t : 표준온도 (℃) $$
$$t : 측정온도(℃) $$
$$L : 장력거리 [m] $$
$$L : 최대 장력거리 [m]$$
스프링식 장력 조정장치는 식(2)와 같이 기준온도에 따라 최대 및 최소 장력을 유지하여 이에 따라 전차선을 강철재 스프링의 탄성에 의한 신축을 피스톤 운동과 연동시켜 전차선의 장력이
조정된다[15]. 온도변화에 따른 스프링식 장력조정장치의 동작은 그림 2와 같이 나타내었다. 본 연구에서 사용된 스프링식 장력조정장치는 표준장력이 2,400 kgf이며 470 m의 최대장력거리, ± 370 mm의 동작범위를
갖는다[16].
그림 2 스프링식 장력조정장치의 원리
Fig. 2 Operation of Spring Tensioning Device
스프링식 장력조정장치의 상기와 같은 동작 상태를 확인하기 위해 눈금자를 설치하며, 코레일 전철전력설비유지보수세칙에 따라 고속철도의 경우 1년에 1회의
점검을 수행하고 있다[15]. 이때 점검은 눈금자와 온도와의 위치를 유지보수자가 육안으로 점검한다.
2.2 상태 모니터링 시스템 구현
2.2.1 시스템 구성
개발한 장력조정장치에 대한 상태 모니터링 시스템의 구성은 그림 3과 같다. 시스템은 네트워크와 센서부로 구분되며, 네트워크는 노드, 게이트웨이 또는 LoRa 기지국, 서버, 클라이언트로 구성할 수 있다. 센서부는
온도에 따른 장력 변화를 측정하여 노드로 데이터를 전송한다. 노드는 LoRa 전용 무선단말장치이며 계측데이터를 게이트웨이 또는 LoRa 기지국에 무선통신을
통해 전송한다. 또한 노드의 개수를 증가시켜 여러 곳의 데이터를 동시에 보낼 수 있다. 게이트웨이는 상업용 LTE 통신을 통해 직접 운영할 수 있는
자체망을 구축할 수 있다. LoRa 기지국은 통신공급사에서 운영되는 상용망을 사용하여 LoRa 통신을 통해 데이터를 전송한다. 서버는 계측데이터를
저장, 분석 등 관리하면서 데이터를 클라이언트에게 전송한다. 클라이언트는 인터넷을 통해 계측데이터를 실시간 모니터링을 할 수 있다.
그림 3 상태 모니터링 시스템의 구성
Fig. 3 Configuration of Condition Monitoring System
2.2.2 네트워크 구성
사물인터넷에 활용될 수 있는 통신 계층은 물리계층과 응용계층으로 2가지로 구분된다. 물리계층은 CDMA, LTE, LTE-R, LoRa-WAN 등
원거리용과 LoRa, WiFi, Zigbee, 블루투스, 이더넷 등의 근거리용이 있다. 응용계층은 MQTT, COAP, HTTP, 웹소켓, Custom
등이 있다. 이 중 LoRa는 사물인터넷 전용 네트워크 기술로 저전력 장거리 통신기술이며 14 km의 통신영역과 1 GHz 이하의 대역폭, 저전력
등의 장점이 있다[13].
LoRa 통신을 적용하기 위한 네트워크 구성방법은 자체와 상용 네트워크로 구분되며 각 네트워크 구성을 위해 장력 상태 모니터링에 적합한 통신환경을
고려하여 현장에 효율적인 네트워크를 구성할 필요가 있다. 표 2는 자체와 상용 네트워크의 비교를 나타내었으며 각 네트워크는 LoRa 전용 기지국, 게이트웨이를 통해 구성된다. 상용 네트워크의 경우 통신 거리,
유지보수의 장점이 있으나 국내의 상용 네트워크에 적용의 한계가 있으며 통신공급사에 적합한 센서 디바이스 개발, 및 제작에 대한 시험과 인증이 필요하며
통신사의 플랫폼을 반드시 이용해야 하는 제약사항과 장기적 기술지원, 통신망에 대한 사업축소, 상용 네트워크의 다변화 등의 변수가 존재한다. 자체 네트워크의
경우 노드의 개수가 많고 게이트웨이 설치 위치에 전원을 공급할 수 있는 역구내, 터널 입출구, 교량 입출구 등 설비가 있다면 가장 유리하며 상용망의
경우 노드의 수량이 적고 주변에 전원을 사용할 수 없는 역 사이의 일반개소의 설치 장점이 있다. 자체 네트워크는 상용 네트워크보다 전송 거리와 네트워크
관리에 대한 제약이 있지만 네트워크를 구축하는데 상용 네트워크에 비해 시간과 비용이 감소하며 국내외 구축 환경과 조건에 따라 확장 적용이 가능한 장점이
있다. 본 연구에서는 장력조정장치의 설치 거리를 고려하여 약 2 km 반경을 기준으로 운영 가능한 자체 네트워크를 구축하였다.
표 2 상용 및 자체 네트워크 비교
Table 2 Comparison of Commercial and Private network
비교
|
상용 네트워크
|
자체 네트워크
|
비용
|
유료
|
무료(노드-게이트웨이간)
유료(게이트웨이-서버간)
|
전송거리
|
제한없음(통신공급사 구축망)
|
500m~1Km
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전송용량
|
50~100byte/회
|
50~100byte/회
|
망관리
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통신공급사 관리
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자체관리
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보안
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통신공급사 보안시스템
|
자체보안구축
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비고
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-상용망 운영사의 전국적으로 구축된 상용망을 사용하여 회선관리가 불필요
|
-게이트웨이 필요
-Gateway
+유무선상용망
-디바이스의 통신비용 미발생
|
2.2.2 센서부
스프링식 장력조정장치의 거동을 측정하기 위하여 스프링의 변위량을 검측할 수 있도록 센서부를 구성하였다. 따라서 본 연구에서는 현장 상황을 고려하여
비접촉 방식의 초음파방식의 변위센서를 선정하였다. 선정된 초음파 변위센서의 측정범위는 장력조정장치의 거동을 고려하여 +120 mm에서 +1,000
mm까지 검측할 수 있도록 구성하였으며 동작 온도는 –25℃에서 +70℃이다.
센서는 사물인터넷 기술을 이용한 측정 데이터 전송에 적합한 저전력 타입의 센서를 중점으로 측정용 무선통신 기능을 갖춘 DAQ Device의 상태 모니터링
시스템 인터페이스를 고려하여 직렬통신을 지원하는 RS-232 출력을 가진 초음파센서로 선정하였다. 초음파센서는 동일한 사양과 외부 케이스의 구조 차이를
가진 센서를 선정하여 공장성능시험을 통해 설치 환경조건의 따른 효율적인 센서를 선정하였다.
표 3은 공장성능시험의 따른 센서 정보이며 300 mm부터 5000 mm까지의 측정범위, -40℃부터 65℃까지의 동작온도, IP67의 방진방수등급,
RS-232의 출력 인터페이스의 성능을 나타낼 수 있다.
표 3 센서 정보
Table 3 Specification of Sensor
측정방식
|
측정범위
|
보호등급
|
동작 온도
|
출력 인터페이스
|
초음파
변위
|
300~5000[mm]
|
IP67
|
-40℃~+65℃
|
RS-232
|
그림 4 초음파 및 와이어 변위센서 설치 사진
Fig. 4 Installation of Ultrasonic and Wire Displacement Sensor
초음파 변위센서는 그림 4와 같이 스프링식 장력조정장치에 설치하였으며 초음파 변위 값의 검증을 위해 별도의 와이어 센서를 추가 설치하였다. 초음파센서의 측정 위치별 간섭 시험을
통해 설치 위치를 선정하였으며 초음파 변위 값의 검증을 위해 그림 4와 같이 별도의 와이어 센서를 설치하였다. 이때 와이어 변위센서는 최대 1,200 mm까지 검측되며 –20℃에서 +70℃까지의 온도를 측정할 수 있다.
와이어 변위센서로부터 초음파 변위센서의 간섭 여부를 확인하기 위해 그림 5와 같이 시험결과를 나타내었으며 두 센서의 설치 위치의 원점이 달라서 변위의 절대값에 차이가 있었으나 신호, 눈금자 등으로부터 간섭이 일어나지 않았다.
그림 5 초음파센서 및 와이어센서의 간섭 여부 확인 결과
Fig. 5 Result of Interface between Ultrasonic and Wire Displacement Sensor
2.2.3 네트워크
네트워크는 장력조정장치의 거동을 측정하기 위한 센서로부터 데이터를 받는 노드와 무선방식을 이용하여 데이터를 받을 수 있도록 게이트웨이, 서버로 구성되며
그림 6과 같이 노드와 태양광 배터리를 나타내었다. 노드는 저전력 운영을 위해 RTC (Real Time Clock)를 적용하여 센서를 작동시키고 무선으로
계측데이터를 송신하며 이외 시간은 절전모드로 작동되도록 구성하였다. 전원은 태양광 패널을 이용하여 6V/5W 기준의 패널을 사용하였으며 일조가 4시간
이하인 경우는 5W 이상의 패널사이즈로 변경하도록 구성하였다. 통신거리는 약 120 m의 현장설치 장력거리를 고려한 6 dB의 안테나를 사용하였으며
무선AP 연결을 통해 통신거리를 연장하도록 구성하였다. 외부 케이스는 PCB와 케이블 조립의 편의성을 고려하여 통기성을 위해 커넥터 적용과 PCB
우레탄 코팅을 통해 장치 내부의 결로에 따른 하드웨어의 손상을 방지하도록 하였다. 또한 온도 측정을 위한 센서는 노드 케이스에 설치하였으며 –50℃에서
+180℃까지 측정할 수 있다.
게이트웨이는 운영보드와 LTE 통신모뎀으로 구성되며 운영보드는 무선통신장비의 설정 조건에 따라 적용되며 1시간당 1회씩 RoLa 통신을 통해 계측데이터를
수신한다. 통신모뎀은 LTE B/C의 주파수 대역을 사용하여 서버 접속 후 약 2분 동안 1시간당 1회 데이터를 전송하도록 설정하였다.
서버는 PC (Personal Computer)로 구성하여 Labview 기반의 프로그램을 통해 온도의 따른 장력거동변화를 실시간 모니터링 하도록
구성하였다.
그림 6 태양광 배터리 및 노드 사진
Fig. 6 Picture of Solar Cell and Node
2.3 현장설치 및 시험결과
본 연구에서 개발한 시스템의 현장적용성 등을 확인하기 위하여 철도연 테스트베드에 상태 모니터링 시스템을 구축하였다. 스프링식 장력조정장치의 상태 모니터링
시스템은 그림 7과 같이 구축하였으며 테스트베드의 장력거리를 고려하여 게이트웨이를 사용한 자체망을 적용하였다. 테스트베드의 장력거리는 약 100 m의 개활지와 약
20 m의 터널구간으로 구성된다. 초음파 변위센서는 장치의 하단부분과 눈금자 사이에 설치되어 1시간당 1회 10개의 데이터를 측정하여 노드에게 전송한다.
노드는 태양광 배터리를 고려하여 전주에 설치하여 10개의 데이터 중 중앙값만 게이트웨이로 전송한다. 게이트웨이는 노드로부터 현장환경을 고려하여 약
200 m의 거리를 두어 설치하였으며 노드에서 수신된 데이터를 서버로 보내준다. 초음파 데이터의 검증을 위해 별도의 장력조정장치 측면에 와이어 변위센서를
설치하였다.
그림 7 상태 모니터링 시스템의 현장 구축 사진
Fig. 7 Installation of Condition Monitoring System at the Test-Bed
장력거동변화의 시험결과는 그림 8과 같이 초음파 변위로 나타내었으며 온도변화의 따른 장력이 변화하였다. 초음파 변위 데이터는 약 20일간 469개의 데이터를 측정하였으며 측정 위치에서
장력조정장치의 스프링 인출 방향에 설치된 반사판까지의 거리변위를 나타냈다. 시험결과는 최고온도 +13℃에서 약 -3 mm 이며 최저온도 10℃에서
약 +30 mm로 나타냈다. 총 17개의 데이터가 계측되지 않았으며 비접촉식으로 거리에 대한 정밀도는 높으나 외부환경인 눈, 비, 습도 등 환경의
소음으로부터 일부 오작동을 일으킬 수 있다[17].
그림 8 초음파 변위 모니터링 및 전차선 인출 길이 결과
Fig. 8 Result of Monitoring for Ultrasonic Sensor and Calculation in Length of Contact
Wire
초음파 변위 데이터의 유지보수 활용을 위해 식(2)를 이용한 온도에 따른 전차선 인출 길이를 그림 8과 같이 나타냈다. 전차선 인출 길이는 온도에 따른 전차선의 길이를 나타내며 유지보수를 위한 참고자료로 사용된다. 전차선 길이는 1℃당 약 1.5
mm의 변화를 나타냈으며 –10℃에서 +31.5 mm, +13℃에서 –4.7 mm로 나타났다. 초음파 변위의 경우 전차선의 인출 길이 보다 +5℃에서
최대 +5 mm를 차이를 나타냈다. 전차선은 직사광선에 따라 길이가 변화하므로 시스템의 외기온도와 차이가 발생하여 변위 값의 오차가 나타낸 것으로
사료된다. 향후 사계절 초음파 변위를 분석하여 모니터링 시스템을 활용한 유지보수 방안을 제시할 필요가 있다.