UTAS risparmia tempo, denaro e manodopera sviluppando un'architettura di test unificata per i sistemi elettromeccanici

Scott Christensen, Collins Aerospace

"In questo modo, abbiamo perfezionato un'architettura in base alla quale un intero laboratorio prove può eseguire una serie di front-end comuni mobili, eliminando il problema dell'elettronica stazionaria soggetta ad invecchiamento creata per una singola funzione in un singolo banco di prova meccanico."

- Scott Christensen, Collins Aerospace

La sfida:

L'azienda UTAS aveva necessità di creare un'architettura di test completa per sistemi elettromeccanici, abbastanza flessibile per una vasta gamma di test di controller e componenti aerospaziali all'interno del ciclo di sviluppo prodotti per programmi nuovi ed esistenti.

La soluzione:

Per ottenere un'architettura di test modulare facilmente configurabile, personalizzabile e manutenibile, abbiamo standardizzato il sistema in base alle piattaforme hardware PXI e CompactRIO e al software LabVIEW. Abbiamo collaborato con l'Alliance Partner Wineman Technology per lo sviluppo software e con Sierra Peaks per strumentazione e messa in opera.

 

United Technologies Aerospace Systems (UTAS) è uno dei maggiori fornitori al mondo di prodotti tecnologicamente avanzati in ambito aerospaziale e per la difesa, con circa 42.000 dipendenti e ricavi annui che superano i 14 miliardi di USD. La business unit dei sistemi di azionamento progetta e produce sistemi di azionamento a elevata portanza per velivoli da trasporto, commerciali e militari.

 


 

Esigenze per le prove aerospaziali

Le unità intercambiabili in linea (LRU, Line Replaceable Unit), i componenti e i controller in ambito aerospaziale richiedono rigorose prove e le aziende aerospaziali, come UTAS, devono collaudare un'estesa serie di configurazioni e varianti per una tipologia di parte in una serie di programmi per veicoli del produttore originale, da jet per il trasporto ad aeromobili commerciali e velivoli militari. UTAS progetta diversi componenti adoperati nei sistemi di volo degli aeromobili. Il gruppo che si dedica all'azionamento progetta i sistemi che traducono i comandi di controllo della cabina di pilotaggio in movimento di tutte le superfici di controllo di punta e di coda (flap e slat). Questi sistemi sono composti da unità di controllo elettronico slat e flap (SFECU, Slat and Flap Electronic Control Unit), unità di comando elettrico (PDU, Power Drive Unit) centralizzate ed elementi di trasmissione elettrica associati, come tubi di torsione e scatole di trasmissione. Tutti questi componenti di sistema vanno provati singolarmente e in combinazione a livello di sistema e velivolo.

 

Le sfide dell'approccio di test tradizionale

La metodologia di progettazione e test è relativamente simile di componente in componente. Tuttavia, i tecnici del gruppo adibito all'azionamento sfruttavano diversi banchi di prova per molteplici tipologie di prove di LRU, incluse attività di sviluppo, qualifica, produzione e riparazione. Inoltre, operavamo con un carico idraulico sui grandi sistemi di test (sia per uso interno, che per i clienti), che risultava lungo in termini di tempo e costoso da riconfigurare. Perdevamo tempo a ricreare le architetture e le procedure per eseguire diversi test nel ciclo di sviluppo del prodotto.

 

 

Ad esempio, i banchi esistenti utilizzavano un carico idraulico per il test meccanico delle unità LRU. Le ripetizioni delle operazioni erano molte durante i test: dovevamo scandagliare di nuovo gli impianti idraulici e ri-cablare ogni volta che occorreva riconfigurare il test.Le ripetizioni delle operazioni erano molte durante i test: dovevamo posare nuovamente le tubazioni degli impianti idraulici e ri-cablare ogni volta che occorreva riconfigurare la prova. Anche per i test elettronici, i banchi di prova richiedevano un effettivo hardware di volo, rendendo le soluzioni di test rigide e per niente flessibili. I test automatizzati erano minimi e il supporto di configurazioni multiple estremamente limitato. L'approccio tradizionale ai test era costoso e lungo in termini di tempo. Il nostro gruppo doveva affrontare un programma aggressivo e vincoli di risorse che semplicemente non ci permettevano di adattarci abbastanza velocemente alla frammentata architettura esistente per soddisfare i requisiti in continuo aumento. Inoltre, UTAS necessitava di un vantaggio competitivo rispetto agli altri fornitori per ridurre costi e programmi, al fine di accaparrarsi i programmi futuri. Per questi motivi, abbiamo lavorato allo sviluppo di una nuova architettura di test.

 

 

 

 

I vantaggi di una piattaforma di test comune nel ciclo di progettazione

Il lavoro e gli investimenti anticipati dedicati nella nostra nuova architettura distribuita, deterministica e dinamica (D3) risultano un approccio lungimirante che si ripagherà negli anni a venire. Abbiamo intravisto l'enorme potenziale nell'ottimizzare le prove, standardizzando su un'architettura di test comune per tutti i test nel ciclo di progettazione per un componente. Con l'architettura D3 abbiamo implementato i seguenti tipi di test: test model-in-the-loop (MIL), software-in-the-loop (SIL) e hardware-in-the-loop (HIL); test di convalida e verifica (V&V, validation and verification) per hardware e software (con inserimento guasti); test durata del ciclo di vita; test di laboratorio di integrazione del sistema (iron bird); test di integrazione del sistema a livello di velivolo; apparecchiatura di test del sistema a elevata portanza (HLSTR, High-Lift System Test Rig), inclusi i test del sistema fisico a livello di velivolo; apparecchiatura di test del sistema (STR, System Test Rig), inclusi test di prestazioni, durata e fatica; controller di slat/flap (SFCR, Slat/Flap Controller Rig) inclusi test di sviluppo, fly-the-box, funzionali software, regressione software, sistema e produzione automatizzata (procedure per test di accettazione o ATP); test fisici, inclusi test su singola ala e di emulazione del "fianco destro" in base al carico totale sul lato sinistro.

 

Siamo riusciti a conseguire diversi risultati. Per prima cosa, abbiamo creato una singola piattaforma di test comune, che funge da architettura di test completa e tester multiuso. Abbiamo sfruttato la stessa apparecchiatura SFECU sull'intero progetto "V" per sviluppo, ATP, test iron bird, test da banco di prova di integrazione del sistema (SITS, System Integration Test Stand), test completo del controller elettronico in produzione e test completo dell'hardware meccanico in produzione. In seconda battuta, abbiamo incorporato l'hardware modulare, che è manutenibile e riconfigurabile. Ora possiamo espandere facilmente il sistema per qualifiche di sistema più estese, riconfigurarlo per diversi sistemi ed evitare cablaggi o tubazioni fisiche per collegare i componenti di sistema. Per ultimo, ma non per importanza, disponiamo di un'architettura software open semplice da integrare. L'architettura Reflective Memory permette di completare i nostri banchi di prova con letture e scritture di memoria. Possiamo sfruttare questa architettura separatamente o integrarla in sistemi di test più grandi, oltre a ottenere un controllo distribuito per ottenere maggiore potenza di elaborazione mentre il sistema cresce.

 

Dettagli dell'architettura D3

L'architettura D3 è una soluzione di test altamente adattativa, modulare e multiuso che incorpora una tecnologia ben sviluppata dal settore con una misura minima di nuovi componenti di progettazione. Questa tecnologia include il controllo distribuito sulla base delle capacità di espansione dell'hardware NI CompactRIO e FPGA e un'interfaccia diretta verso il comando di carico servoelettrico che sfrutta un modulo di interfaccia di comando serie C di NI e servoazionamenti AKD e servomotori AKM Kollmorgen.

 

 

L'apparecchiatura di test SFECU è una piattaforma montata su rack che contiene tutti i controller reali o una combinazione di controller reali e simulati. Se è installato un solo controller, possiamo simulare l'altro tramite CANbus. Utilizziamo il sistema per simulare i componenti elettromeccanici che compongono il velivolo. Gli strumenti di simulazione proprietari ci permettono di simulare le modalità di guasto dei velivoli. L'apparecchiatura è completamente programmabile per offrire qualsiasi duty cycle automatizzato o test funzionale specifico. In ogni caso, possiamo sostituire l'hardware simulato con hardware effettivo o viceversa.

 

 

L'hardware all'interno di questi rack di test permette di alternare tra hardware del velivolo reale o trasduttori simulati, contenuti in un telaio secondario dei rack di test. I rack di test contengono anche l'hardware per monitorare le tensioni e le correnti discrete, analogiche e di alimentazione, insieme ai segnali verso e dal controller del velivolo. Nello specifico, questi rack di test alloggiano il telaio di controllo e monitoraggio dell'alimentazione CA e CC, il telaio di simulazione del carico di frenata, commutazione e monitoraggio, gli alimentatori CC interni, i gruppi di simulazione, commutazione e monitoraggio del resolver, i gruppi di simulazione, commutazione e monitoraggio discreti, i gruppi di trasmissione e ricezione ARINC 429 e CAN, un gruppo di comando e monitoraggio dell'arresto di emergenza, gruppi di interruzione del segnale, gruppi di acquisizione dei dati, gruppi interfaccia LRU generica-adattatore LRU personalizzato e un PC Windows con un gruppo di continuità.

 

Il rack di test mette anche a disposizione interfacce elettriche esterne verso lo spazio di lavoro desktop condiviso (interfacce uomo-macchina), interfacce per l'hardware di volo reale, source e sink ARINC 429 esterni e gruppi di alimentazione CA/CC esterni in supporto di test della qualità dell'alimentazione.

 

Utilizziamo il software basato su LabVIEW per operare l'apparecchiatura di test SFECU, in modo da poter configurare e azionare manualmente e automaticamente il banco di prova. Inoltre, possiamo controllare e monitorare le funzioni del banco di prova su un bus dati Reflective Memory deterministico.

 

Usi delle diverse interfacce utente e delle configurazioni del banco

Possiamo personalizzare, salvare e riconfigurare il software in modo da supportare molte delle diverse interfacce utente e configurazioni del banco. Ad esempio, con il sistema SITS per la ECU di slat e flap, possiamo adoperare il banco di prova base con un modello di PDU in esecuzione sul banco di prova e simulare completamente tutti i trasduttori e i segnali discreti. Si può invertire il sistema, provare velocità eccessive, velocità insufficienti e altri guasti superficiali, utilizzando il sistema per cabina di pilotaggio SITS (hardware di volo) e la simulazione, trasmettendo il comando della leva di comando slat/flap alla ECU per slat e flap e al modello. Possiamo applicare guasti alla ECU di slat e flap, per convalidare la logica del sistema EICAS (Engine Indicating and Crew Alerting System, sistema di allarme motore e avvertenza equipaggio), oltre a provare le schermate di manutenzione della prova con l'apparecchio collegato alla ECU per slat e flap, al fine di simulare tutte le comunicazioni, i carichi, i segnali discreti e i trasduttori. Per l'ATP della ECU di slat e flap, possiamo utilizzare l'apparecchio SFCR per eseguire lo stesso metodo ATP eseguito dello stabilimento di produzione. Possiamo scegliere tra una vasta gamma di metodi ATP, inclusi circuito per circuito o simulazione completa con software di volo (test fly-the-box). Inoltre, siamo in grado di automatizzare i test con un'interfaccia grafica personalizzata ridotta, nonché con un sequenziatore di test che esegue script Phyton.

 

In aggiunta, l'architettura D3 offre configurazioni per l'apparecchio di certificazione test di sistema integrato (ISTCR, Integrated System Test Certification Rig), ritorno in servizio di ECU per slat e flap (ad esempio, per diagnosticare le condizioni di guasto che hanno causato un guasto in condizione bloccata), log e visualizzazione (utility di configurazione log di dati Reflective Memory per registrare i valori dalla Reflective Memory a una frequenza di 200 Hz), log dei dati di CAN e ARINC, visualizzazione dei dati (l'interfaccia grafica del velivolo visualizza le letture per ogni resolver, corrente, tensione e così via; possiamo creare, personalizzare e salvare le interfacce utente basandoci su building block di blocchi personalizzati standard) e automazione (scripting tramite TestStand, Phyton o qualsiasi linguaggio tramite socket e serializzazione JSON, automazione da applicazioni/sistemi esterni con accesso all'RFM, profili stimulus per provare il controller con codice LabVIEW personalizzato, registrazione e riproduzione di macro, funzionalità software automatizzata e metodo ATP automatizzato).


 

Risparmi in termini di costi, tempo e manodopera per UTAS

Sfruttando i prodotti di misura e controllo distribuiti di NI, siamo riusciti a ridurre i tempi di riconfigurazione test da settimane a un giorno. La nostra architettura D3 è multiuso (stessi banchi di carico utilizzati per sistema, ATP e iron bird; stesso apparecchio SFECU per sviluppo ATP, iron bird, SITS, ESIM), modulare (senza cablaggi o tubazioni rigidi per connettersi, software e hardware creati su modelli comuni per diversi velivoli), semplice da integrare (architettura software open, scrittura di script in qualsiasi linguaggio, architettura RFM consolidata che permette di operare il banco di prova in modalità segregata o integrata), manutenibile (elimina la struttura di cablaggio tradizionale sfruttando in maniera estesa le schede a circuiti stampati) e innovativa (il nostro team dispone di modelli brevettabili).

 

Sviluppando una piattaforma di test comune per affrontare le esigenze di test HIL, V&V, integrazione dei sistemi e produzione in una serie di progetti e anche architetture di velivoli, siamo riusciti a tagliare i tempi di sviluppo di apparecchiature di test, posizionandoci in modo da affrontare le esigenze future, incluso un laboratorio di test più digitale. Abbiamo risparmiato mesi in termini di tempi di sviluppo e centinaia di migliaia di dollari sulle nuove piattaforme, sfruttando meno manodopera nel laboratorio di test. Abbiamo perfezionato un'architettura su cui l'intero laboratorio di test può eseguire una serie di front-end comuni mobili, eliminando il problema di elettronica stazionaria che invecchia concepita per una singola funzione su un singolo banco di prova meccanico. Ora stiamo cercando di completare l'integrazione di questa nuova architettura nei nostri sistemi tecnologici e aziendali quotidiani, puntando a diventare un laboratorio di prova completamente automatizzato in cui le preoccupazioni sui costi di manodopera sono un ricordo del passato, liberando risorse di investimento e portando a maggiore innovazione.

 

Informazioni sull’autore:

Scott Christensen
Collins Aerospace

Figura 1. Sistema di azionamento a elevata portanza UTAS
Figura 2. Collegamento e comunicazioni del sistema di azionamento
Figura 3. Apparecchiatura di test del sistema e interfaccia grafica utente sviluppati da LabVIEW usati per la prova dei sistemi fisici
Figura 4. L'apparecchiatura di test del sistema UTAS utilizza hardware e software NI per il controllo del carico.
Figura 5. Questa soluzione di test provvede sia a test fisici, che a simulazioni. Utilizza lo stesso controller e lo stesso software per provare il prodotto in tutto il ciclo di progettazione.
Figura 6. Apparecchiatura di test SFECU a 2 canali tipica
Figura 7. Questa vista dell'architettura flessibile mostra come è stata costruita per permettere di alternare tra hardware simulato e reale. Ogni modulo comunica con gli altri tramite la Reflective Memory.
Figura 8. Questa configurazione del test e la schermata di gestione dell'interfaccia utente dimostra la vasta gamma di dispositivi in fase di test gestibili con l'architettura comune, oltre a come è possibile configurare un'applicazione a livello di sottosistema.
Figura 9. Esempio di interfaccia utente del velivolo

UTC Aerospace Systems Builds a Better System Test Architecture

Video 1. Il Principal Solutions Manager di NI, Nate Holmes, descrive l'architettura di test distribuita, deterministica e dinamica (D3) di UTAS che copre le esigenze di test del programma end-to-end, dalla simulazione fino a convalida, qualifica e MRO dell'hardware.