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 mit Sicherheit auf die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit auswirken.

 

Erfahren Sie, wie NI und unsere Partner daran arbeiten, den Prozess zur Entwicklung eines LRU-Testsystems für die Luft- und Raumfahrt zu beschleunigen – damit Sie sich auf die wirklich wichtigen Dinge konzentrieren können, nämlich mit Ihrem Know-how ein erstklassiges und optimiertes Produkt herzustellen.

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 verschiedenen Lebenszyklusphasen und das Nachverfolgen von Anforderungen nötig. Typischerweise erfordern diese Prozessverbesserungen jedoch eine Modernisierung der zugrundeliegenden Testinfrastruktur und werden daher zugunsten des termingerechten Abschlusses der grundlegenden Programmelemente – wie die Fertigstellung von Prüfstiften – aufgegeben.

Damit die Produktqualität weiterhin im Mittelpunkt steht, 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 sind außerhalb von Programmen selten finanzielle Mittel vorhanden und zweitens ergibt sich die Notwendigkeit für Upgrades in der Regel im Verlauf eines Programms, wenn man besonders risikoscheu ist. Bevor eine Richtung eingeschlagen wird, muss zunächst Klarheit über die wichtigsten Kosten-, Risiko- und Planungsfaktoren eines Programms herrschen. Aspekte wie der Testsystementwurf, Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen und die Entwicklung von Testadaptern sind 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.

 

Abbildung 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 jeweils mit hohe Risiken für den Programmzeitplan verbunden ist.

 

Die Hardware macht in der Regel weniger als ein Viertel der Gesamtkosten aus, 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 man sich daher sowohl mit den Kosten als auch dem Zeitaufwand befassen.

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

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 spezifische Lasten, die von der LRU angesteuert werden, sowie das Einfügen von Fehlern für Softwaretests benutzerdefiniert angepasst werden. Bei Tests im Integrationslabor werden echte gesteuerte Geräte sowie Steuerungs-LRUs angeschlossen. Dabei wird es immer wichtiger, zwischen echten und simulierten Versionen von Geräten zu wechseln. 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 wird möglicherweise auch präzise Messtechnik benötigt.

 

Abbildung 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 konnte NI Kunden erfolgreich dabei unterstützen, die Mess- und Simulationskomponenten dieses Setups in einer Mess- und Verarbeitungsplattform zu konsolidieren. Dabei werden jedoch die Signalführungskomponenten nicht berücksichtigt, die den größten Einfluss auf Kosten und Zeitplan haben. 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. Hier sind Designänderungen noch nicht eingerechnet. In der Realität fallen die Kosten also voraussichtlich deutlich höher aus.

In jedem LRU-Testsystem kommen verschiedene Varianten dieses Grundaufbaus zur Anwendung. Warum werden in einem industrieweit eingesetzten System so viele Sonderanfertigungen und Verkabelungen vorgenommen? Vielleicht lässt sich dies einfach als Geschäftskosten verbuchen. Was wäre jedoch, wenn es eine andere Lösung gäbe?

 

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 aufzuzeigen, ähnlich wie bei den LRU-Tests. Mit dem von NI eingeführten SLSC-Zusatzpaket (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.

 

 Abbildung 3. Die NI Switch Load Signal Conditioning (SLSC) Plattform erweitert die Messgeräteplattformen PXI und CompactRIO für die Erstellung von LRU-Testsystemen. Die SLSC-Plattform von NI umfasst Signalkonditionierung, Fehlersimulation, Sense- und Schaltleitungen, die Signale an I/O-Geräte weiterleiten.

 

NI bietet Lösungen für viele der gängigsten Signaltypen an, sodass keine Anpassungen mehr erforderlich sind. Zu den Besonderheiten gehören digitale Signalformen für Signale im Hochspannungsbereich, die Simulation von Widerstandssensoren sowie ARINC 429- und MIL-STD 1553-Karten. Viele dieser Karten stammen von Partnerunternehmen, namentlich Bloomy Controls und SET, die über spezifisches Fachwissen in diesem Bereich verfügen. Mit diesen Karten sollen die meisten Anforderungen an I/O abgedeckt werden. Doch natürlich ist kein Anbieter in der Lage, alle möglichen Testanforderungen zu kennen und abzudecken, sodass gewisse benutzerdefinierte Entwicklungen wohl nicht zu vermeiden sind. Hier ermöglicht die offene und flexible NI-Plattform die Erstellung eigener SLSC-Karten auf der Grundlage des Module Development Kit von NI. Dieses enthält alle nötigen Informationen für die Entwicklung Ihrer benutzerdefinierter Schaltungen, die mit dem restlichen SLSC-Ecosystem kompatibel sind. Alternativ kann ein NI-Partner mit der Entwicklung von benutzerdefinierten Karten beauftragt werden. Nach der Fertigstellung erhalten Sie im Prinzip ein Produkt mit handelsüblichen Technologien, das mit dem gesamten SLSC-Ecosystem kompatibel ist. Alle SLSC-Karten 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.

 

Abbildung 4: Mit den SLSC- und PXI-Plattformen, 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 nicht alle Signale im System abgedeckt werden könnten, müssen für einen Großteil der Signale dennoch keine benutzerdefinierten Lösungen mehr entwickelt werden, was Zeitaufwand, Kosten und Risiken reduziert. NI-Partner wie Bloomy Controls stellen zudem einsatzfertige Prüfracks zur Verfügung. Die LRU-Testsysteme werden so ausgeliefert, dass sie an Ihre Anforderungen angepasst werden können. Alternativ können sie mit einer von unseren Partnern vorkonfigurierten Softwaregrundlage genau auf Ihre Anforderungen zugeschnitten werden. Diese sofort einsatzbereiten Testarchitekturen sorgen für ein Minimum an benutzerdefinierter Entwicklung und Einmalkosten, sodass Vorlaufzeiten verkürzt werden, und sind Teil der offenen und flexiblen NI-Plattform. Das bedeutet, dass Sie Ihr System anpassen können und nicht an eine Black-Box-Lösung gebunden sind.

 

 Abbildung 5: HIL-Simulatoren von NI bestehen aus handelsüblichen Rackkomponenten, von den programmierbaren Netzteilen und der Stromversorgung bis zu den HMIs und dem 19-Zoll-Rack.

 

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 konstant 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 mit einem höheren Anteil an handelsüblichen Komponenten liegen.
  • Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungen werden auf Testadapter verschoben, 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 bei Drittanbieter auslagern.

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