Geringere Planungsrisiken mit handelsüblichen Technologien für LRU-Tests

Überblick

Die Lebenszyklen und Betriebsdauer von LRU-Testsystemen (Line-Replaceable Units) werden von den Programmzyklen in der Luft- und Raumfahrt bestimmt. Zahllose LRU-Testsysteme sind noch in Betrieb, da weder Budget noch Zeit für die Aktualisierung und Erweiterung bestehender Systeme eingeplant wurden. Auch wenn Testarchitekturen nicht mehr alle Anforderungen erfüllen, kann es schwierig sein, Änderungen am Status quo zu erwirken, da die Auswirkungen von Änderungen auf den Zeitplan und die Kosten berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grund sind teilweise Jahrzehnte alte Testsysteme mit nur wenigen Technologieaktualisierungen immer noch in Betrieb. In nahezu der gesamten Branche führt das Aufschieben von Infrastruktur-Upgrades zu einer Risikohäufung, da mit jedem Aufschieben die Kosten und auch die Risiken für Upgrades bei nachfolgenden Programmen steigen. Diese mangelnde technologische Bereitschaft kann sich bei Luft- und Raumfahrtprogrammen auf die Erfüllung von Test- und Qualitätsanforderungen sowie auf die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit auswirken.

NI und sein Partner-Ecosystem unterstützen Anwender bei der schnelleren Erstellung von LRU- Testsystemen für die Luft- und Raumfahrt, damit Unternehmen sich auf die wirklich wichtigen Dinge konzentrieren können, nämlich mit ihrem Know-how erstklassige und optimierte Produkte bereitzustellen.


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Inhalt

Das Innenleben von Testarchitekturen

Den Verantwortlichen von Luft- und Raumfahrtprogrammen geht es in erster Linie darum, Kundenanforderungen zu erfüllen und Qualitätsstandards einzuhalten, und weniger um die innere Funktionsweise ihrer Testarchitekturen. Auf Unternehmensebene sind für Qualitätstests bessere modellbasierte Entwürfe, eine höhere Testautomatisierung, die Verwendung gemeinsamer Architekturen zwischen verschieden Lebenszyklusphasen und das Nachverfolgen von Anforderungen nötig. Diese Prozessoptimierungen erfordern jedoch in der Regel die Modernisierung der zugrunde liegenden Testinfrastruktur und werden daher meist zugunsten des planmäßigen Abschlusses der grundlegenden Programmelemente – wie die Fertigstellung von Pins zum Testen – aufgegeben.

Um die Produktqualität zu gewährleisten, sind flexible Testarchitekturen gefragt, die von Programm zu Programm kontinuierlich weiterentwickelt werden können. Paradoxerweise muss die Migration zu einer solchen Architektur innerhalb eines Programms erfolgen. Erstens ist außerhalb von Programmen selten Budget vorhanden und zweitens ergibt sich die Notwendigkeit für Upgrades in der Regel im Verlauf eines Programms, wenn die Risikoscheu am größten ist. Bevor eine Richtung eingeschlagen wird, muss zunächst Klarheit über die wichtigsten Kosten-, Risiko- und Planungsfaktoren eines Programms herrschen. Aspekte wie der Testsystementwurf, das Einrichten der Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen und die Entwicklung von Testadaptern sind zwar essenziell für die Erstellung eines funktionierenden Testsystems. Sie tragen allerdings wenig zur Verbesserung
der Produktqualität bei. Die in Abbildung 1 dargestellten Prozentsätze sind charakteristisch für viele Luft- und Raumfahrtunternehmen.

 

 

Abb. 1: Beim Aufbau und Einsatz eines neuen LRU-Testsystems müssen Kompromisse zwischen Anschaffungskosten, Entwicklungszeiten und Risikoakzeptanz eingegangen werden. Ein typisches LRU-Testsystem ist heutzutage hochgradig benutzerdefiniert mit langen Entwicklungszeiten, was beides hohe Risiken für den Programmzeitplan bedeutet.

 

Die Hardware beansprucht in der Regel weniger als ein Viertel der Gesamtkosten, während die Arbeitszeiten für Entwicklung und Aufbau die größten Auswirkungen auf das Budget und den Zeitplan haben. Normalerweise ergeben sich pro I/O-Pin Kosten zwischen 800 und 1000 US- Dollar und je nach Größe des Systems Entwicklungszeiten von 8 bis 12 Monaten. Um spürbare Verbesserungen zu erzielen, müssen daher sowohl Kosten als auch Zeitaufwand adressiert werden.

Viele LRU-Testsysteme nutzen ähnliche Technologien, unabhängig davon, in welchem Unternehmen sie zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung handelsüblicher Komponenten für diese gängigen Systembestandteile können Unternehmen sich mit ihrem Know-how voll und ganz auf die Entwicklung spezialisierter Systemelemente konzentrieren, die für ihre Testanforderungen erforderlich sind.

 


 

         

"Mit dem Einsatz des SLSC-Systems können wir uns auf die Erstellung von HIL- Prüfsystemen und -Prüfständen konzentrieren, anstatt auf die Entwicklung anspruchsvoller Hardware.“

—Anders Tunströmer, SAAB Aeronautics

       

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Gemeinsamkeiten von LRU-Testsystemen

Ein grundlegendes LRU-Testsystem besteht aus einem Prüfling, der über einen Steckverbinder (Mass Interconnect) mit Simulations-I/O verbunden ist, auf denen über eine Test Executive die Flugzeugsimulation abläuft. Dieser allgemeine Aufbau kann durch das Hinzufügen von Signalaufbereitung für die Sensorsimulation und spezifischer Lasten, die von der LRU angesteuert werden, benutzerdefiniert angepasst werden. Für Softwaretests lassen sich zudem Fehlersimulationen einfügen. Für Tests im Integrationslabor müssen echte, gesteuerte Geräte sowie Steuerungs-LRUs angeschlossen werden, wobei zwischen den echten und simulierten Geräteversionen hin und her geschaltet werden muss. Als weitere benutzerdefinierte Komponenten können Breakout-Boxen für die manuelle Fehlergenerierung, Signaleingaben und -umleitungen sowie Sense-Leitungen zum Einsatz kommen, um genau nachzuverfolgen, was die LRU während der gesamten Testphasen sieht. Für Sense-Leitungen ist möglicherweise auch präzise Messtechnik nötig.

 

Abb. 2: Ein typisches LRU-Testsystem umfasst I/O-Messgeräte, Signalaufbereitung, Fehlersimulation, Sense- und Schaltleitungen, reale und simulierte Stimulussignale, einen Steckverbinder, eine Breakout-Box samt Kabelbäumen, echte Aktoren und den LRU-Prüfling.

 

Bisher hat NI Kunden erfolgreich dabei unterstützt, die Mess- und Simulationskomponenten dieses Setups in einer Mess- und Verarbeitungsplattform zu konsolidieren. Dabei werden jedoch die Signalführungskomponenten nicht berücksichtigt, die sich am stärksten auf die Kosten und den Zeitplan von Programmen auswirken. Ausgehend vom Industriestandardwert von drei Minuten
pro Drahtanschluss und Kosten von 5000 US-Dollar pro Woche für die Arbeitsleistung eines Vollzeitbeschäftigten, die Nutzung der Anlagen und die Aufsicht eines Technikers ergeben sich Systemkosten von 125 US-Dollar pro Stunde und I/O-Pin. Die Entwicklung eines vollständigen
600-Pin-Systems würde ca. 15 Wochen in Anspruch nehmen und insgesamt 75.000 US-Dollar kosten. Da hier noch keine Designänderungen eingerechnet sind, dürften die tatsächlichen Kosten deutlich höher liegen.

Jedes LRU-Testsystem besteht im Prinzip aus einer Variante dieses grundlegenden Aufbaus. Daher stellt sich die Frage, warum so viele Unternehmen ihre eigenen Entwürfe und Kabellösungen entwickeln, wenn diese Systeme doch branchenweit eingesetzt werden? Vielleicht lässt sich dies einfach als Geschäftskosten verbuchen, aber was wäre, wenn es eine andere Lösung gäbe?

 

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Fokus auf Fachwissen und Spezialisierung

NI hat es sich zur Aufgabe gemacht, am Status quo bestehender Testverfahren zu rütteln und Branchen neue Wege für den Umgang mit Signalen, u. a. beim Testen von LRUs, aufzuzeigen. Mit der von NI eingeführten SLSC-Erweiterung (Switch, Load and Signal Conditioning) für die Messplattformen PXI und CompactRIO lassen sich Standard-Analog- und -Digitalsignalpfade verändern und bearbeiten, um die Inline-Funktionen zu implementieren, die den Kern einer LRU- Validierungsarchitektur bilden.

 

 Abb. 3: Die NI-SLSC-Hardware erweitert die Messgeräteplattformen PXI und CompactRIO für die Erstellung von LRU-Testsystemen. Die SLSC-Hardware bietet Signalaufbereitung, Fehlersimulationen sowie Sense- und Schaltleitungen, die die Signale anschließend an die I/O-Messgeräte übertragen.

 

Um eine benutzerdefinierte Entwicklung überflüssig zu machen, bietet NI Module für viele der gängigsten Signalarten an, u. a. Hochspannungsdigitalsignale und Widerstandssensorsimulationen sowie PXI-Schnittstellenmodule für ARINC 429 und MIL-STD-1553. Viele dieser Module wurden von Partnerunternehmen wie Bloomy Controls und SET entwickelt, die über spezialisiertes Know-how in diesem Bereich verfügen, und decken einen Großteil der I/O-Anforderungen ab. Doch natürlich ist kein Anbieter in der Lage, alle möglichen Testanforderungen zu kennen und abzudecken, sodass sich ein gewisses Maß an benutzerdefinierter Entwicklung wahrscheinlich nicht vermeiden lässt. Hier ermöglicht die offene und flexible NI-Plattform die Erstellung eigener SLSC-Hardware mithilfe des SLSC Module Development Kit (MDK). Dieses enthält  alle nötigen Informationen für die Entwicklung benutzerdefinierter Schaltungen, die mit dem restlichen SLSC-Ecosystem kompatibel sind. Als Alternative kann auch ein NI Alliance Partner mit der Entwicklung eines benutzerdefinierten Moduls beauftragt werden. Bei allen erstellten Modulen handelt es sich um Produkte mit handelsüblichen Technologien, die mit dem gesamten SLSC- Ecosystem kompatibel sind. Alle SLSC-Module verfügen über ein und denselben 44-poligen D-Sub-Anschluss mit derselben Pinbelegung, sodass die Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen zwischen Anschlussblöcken reduziert werden. Die Anschlussblöcke können durch standardmäßige Schnittstellenpanels ersetzt werden, um Signale mit Aktoren, Kabelsträngen und der LRU zu verbinden.

 

Abb. 5: Mit der SLSC- und PXI-Hardware, standardisierten Kabelverbindungen und Schnittstellenpanels sowie gängigen Prüfrackkomponenten bietet NI ein aus handelsüblichen Technologien bestehendes Testsystem als Ersatz für ältere oder benutzerdefinierte LRU- Testsystemkomponenten.

 

Mit diesem Ansatz ist anstelle von benutzerdefinierter Entwicklung nur noch eine Konfiguration unter Verwendung von handelsüblichen Komponenten erforderlich. Auch wenn damit möglicherweise nicht alle Signale im System abgedeckt werden, müssen für einen Großteil der Signale dennoch keine benutzerdefinierten Lösungen mehr entwickelt werden, was Zeitaufwand, Kosten und Risiken reduziert. NI Alliance Partner wie Bloomy Controls bieten zudem einsatzfertige Prüfracks. Die bereitgestellten LRU-Testsysteme können vom Kunden selbst benutzerdefiniert angepasst oder bereits auf die jeweiligen Spezifikationen zugeschnitten und mit einer vorkonfigurierten Softwaregrundlage geliefert werden. Diese sofort einsatzbereiten Testarchitekturen umfassen ein Minimum an benutzerdefinierter Entwicklung und Einmalkosten (Non-Recurring Engineering, NER), sodass Vorlaufzeiten verkürzt werden, und sind Teil der offenen und flexiblen NI-Plattform. Das bedeutet, dass Systeme jederzeit geändert werden können und Unternehmen nicht an eine Black-Box-Lösung gebunden sind.

 

Abb. 6: HIL-Simulatoren von NI bestehen aus handelsüblichen Rackkomponenten, von den programmierbaren Netzteilen und der Stromversorgung bis zu den HMIs und dem 19-Zoll-Rack.

 

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Die Vorteile von NI-HIL-Simulatoren

Folgende Aspekte sind bei der Erweiterung oder Aktualisierung von LRU-Testsystemen zu beachten:

  • Alle Änderungen müssen innerhalb eines Programmzyklus durchgeführt werden.
  • Die NRE-Kosten müssen gesenkt werden oder zumindest gleich bleiben.
  • Die Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen müssen auf Testadapter verschoben werden und/oder unverändert bleiben.
  • Alle Änderungskosten müssen minimiert und die Kosten für die Inbetriebnahme des Systems gerechtfertigt werden.

Der Einsatz handelsüblicher Komponenten anstelle benutzerdefinierter Entwicklungslösungen bietet folgende Vorteile: 

  • Die Kosten können um bis zu 23 Prozent reduziert werden, sodass die Kosten pro I/O-Pin bei 600 bis 700 US-Dollar liegen mit einem höheren Anteil an handelsüblichen Komponenten.
  • Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen können auf Testadapter verschoben werden, ohne dass Änderungen auftreten.
  • Das Risiko für Zeitplanabweichungen kann um 48 Prozent gesenkt werden, sodass der Zeitrahmen bei vier bis sechs Monaten liegt.
  • Wartungsarbeiten und -aufwand lassen sich an Drittanbieter auslagern.

Mit diesem Ansatz sind Unternehmen in der Lage, sich voll und ganz auf ihre jeweilige Spezialisierung zu konzentrieren.

 

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