Collins Aerospace​社、​エ​レ​ク​トロ​メカニカル​システム​向け​統合​テスト​アーキテクチャ​の​開発​により、​時間、​コスト、​工数​を​削減

Collins Aerospace社、​Scott Christensen氏

「当社​は​一連​の​モバイル​共通​フロント​エンド​上​で​実験​室​全体​を​運用​できる​アーキテクチャ​を​完成​さ​せ​ま​した。 これ​により、​1​つ​の​機能​の​ため​に​1​つのメカニカルテストベッドに構築された、​老朽​化​し​てい​く​固定​電子​機器​の​問題​を​解消​でき​ます」

- Collins Aerospace​社、​Scott Christensen氏

課題:

Collins Aerospace​社​は、​新規​や​既存​プログラム​の​製品​開発​サイクル​において、​さまざま​な​航空​宇宙​分野​の​コントローラ​や​コンポーネント​の​テスト​に​柔軟​に​対応​する​こと​が​できる、​エ​レ​ク​トロ​メカニカル​システム​向け​の​「ゆりか​ご​から​墓場​まで」​式​テスト​アーキテクチャ​を​作成​する​必要​が​あっ​た。

ソリューション:

NI​の​ハードウェア​プラットフォーム​で​ある​PXI​や​CompactRIO​と​LabVIEW​ソフトウェア​を​土台​として​標準化​を​行い、​簡単​に​構成、​カスタマイズ、​保守​が​できる​モジュール​式​テスト​アーキテクチャ​を​実現​した。​ソフトウェア​について​は​NI​ア​ライアン​ス​パートナー​で​ある​Wineman Technology​社、​計測​器​と​アクチュエータ​について​は​同じく​Sierra Peaks​社と共同で開発を行った。

 

Collins Aerospace​社​は、​最先端​技術​を​活用​した​航空​宇宙/​防衛​製品​を​提供​する​世界​有数​の​企業​です。 約​42,000​人​の​従業​員​を​有​し、​年間​収益​は​140​億​ドル​を​超​え​ます。​作動​システム​ビジネス​ユニット​では、​ビジネス​用/​商用/​軍用​航空機​向け​の​高揚​力​作動​システム​の​設計​や​製造​を​行​って​い​ます。 


航空​宇宙​テスト​の​ニーズ

航空​宇宙​向け​の​LRU (列​線​交換​ユニット)、​コンポーネント、​コントローラ​は、​厳密​な​テスト​が​必要​です。 そのため​Collins Aerospace​社​の​よう​な​航空​宇宙​関連​企業​では、​ビジネス​用​の​ジェット機​から​民間​航空機、​軍用​機​に​いたる​まで、​各種​OEM​輸送​機器​プログラム​の​1​種類​の​部品​について、​さまざま​な​構成​や​バージョン​を​テスト​し​なく​て​は​なり​ま​せん。​Collins Aerospace​社​は​航空​飛行​システム​で​使用​さ​れる​多く​の​コンポーネント​を​設計​し​てい​ます。​作動​グループ​では、​コックピット​の​制御​コマンド​を、​前​縁​や​後​縁​の​操縦​翼​面 (フラップ、​スラット) の​動き​に​変換​する​システム​の​設計​を​行​って​い​ます。​この​システム​は、​スラット/​フラップ​電子​制御​ユニット (SFECU)、​中央​パワー​ドライブ​ユニット (PDU)、​関連​する​トル​ク​チューブ​や​ギア​ボックス​など​の​動力​伝達​要素​で​構成​さ​れ​ます。​この​よう​な​システム​コンポーネント​は​すべて、​システム​や​航空機​レベル​で​の​個別​テスト​と​組み合わせ​テスト​の​実施​が​必要​です。

 

従来​型​の​テスト​方式​の​課題

設計​や​テスト​の​方法論​は​コンポーネント​間​で​比較的​似​てい​ます。​しかし、​作動​グループ​では、​開発、​適格​性​確認、​製造、​修理​といった​さまざま​な​種類​の​LRU​テスト​向け​に​多く​の​テスト​スタンド​を​運用​し​てい​ま​した。​さらに、​大規模​な​テスト​システム (社内​用、​顧客​用​の​両方) では、​再​構成​に​コスト​も​時間​も​かかる​油圧​負荷​方式​を​使用​し​てい​ま​した。​製品開発サイクル全体で別のテストを実行するためにアーキテクチャと手順を再構築しなければならず、​この​方法​では​時間​が​かかり​ます。

 

たとえば、​既存​の​スタンド​では​油圧​負荷​を​使用​し​て​機械​的​な​LRU​テスト​を​実施​し​てい​ま​した。​テスト​システム​を​再​構成​した​い​場合​は​油圧​システム​を​つなぎ​直し​て​再び​配線​する​必要​が​あり、​テスト​全体​で​こう​い​っ​た​同じ​よう​な​変更​作業​が​頻繁​に​行​われ​てい​ま​した。​電子​テスト​です​ら​実際​の​航空機​ハードウェア​を​必要​と​した​ため、​テスト​ソリ​ュ​ー​ション​は​柔軟性​に​欠ける​もの​で​した。​自動化​さ​れ​た​テスト​は​最小限​で、​複数​構成​へ​の​対応​に​は​限界​が​ありま​した。​「従来​型​の​アプローチ」​による​テスト​は​コスト​と​時間​が​かかり​ます。​厳しい​スケジュール​と​リソース​制限​という​課題​に​直面​し、​断片​化​さ​れ​た​既存​の​アーキテクチャ​では​増え​続ける​要件​を​迅速​に​満たす​こと​が​でき​ま​せん​で​した。​また、​Collins Aerospace​社​は​コスト​削減​や​スケジュール​の​短縮​を​実現​し​て​将来​の​プログラム​で​他の​サプライヤ​の​優位​に​立つ​必要​が​あり、​そのため​に​も​新しい​テスト​アーキテクチャ​の​開発​を​目指​しま​した。

 

 

 

 

設計​サイクル​全体​で​共通​テスト​プラットフォーム​を​使用​する​こと​の​メリット

新しい​D3 (確定​的、​分散​型、​ダイナミック) アーキテクチャ​に対して​将来​を​見越し​て​行​っ​た​作業​や​投資​は、​今後​数​年​で​回収​さ​れ​ます。​コンポーネント​の​設計​サイクル​で​実施​さ​れる​すべて​の​テスト​において、​共通​の​テスト​アーキテクチャ​の​標準化​を​行う​こと​で、​テスト​を​大幅​に​最適​化​できる​と​考え​ま​した。​D3​アーキテクチャ​に対して​実装​した​テスト​タイプ​は​次​の​とおり​です。 MIL (model-​in-​the-​loop) テスト/​SIL (software-​in-​the-​loop) テスト/​HIL (hardware-​in-​the-​loop) テスト、​ハードウェア​と​ソフトウェア​の​検証/​妥当​性​確認 (V&V: Verification and Validation) テスト (欠陥​生成)、​ライフサイクル​耐久性​テスト、​システム​統合​の​ラボ​テスト (Iron Bird)、​航空機​レベル​の​システム​統合​テスト、​航空機​レベル​の​物理​システム​テスト​を​含む​HLSTR (high-​lift system test rig)、​性能​テスト/​耐久性​テスト/​疲労​テスト​など​を​含む​STR (system test rig)、​ソフトウェア​開発​テスト/​fly-​the-​box​テスト/​ソフトウェア​機能​テスト/​ソフトウェア​回帰​テスト/​システム​テスト/​自動​生産 (ATP: 受入​テスト​手順) テスト​など​を​含む​SFCR (slat/​flap controller rig)、​シングル​ウィン​グ​テスト​や​左側​の​総​負荷​に​基づく​「右側」​の​エミュレート​テスト​など​の​物理​テスト。

 

そして、​複数​の​目標​を​達成​する​こと​が​でき​ま​した。​まず、​「ゆりか​ご​から​墓場​まで」​式​テスト​アーキテクチャ​と​多目的​テスタ​を​提供​する、​単一​の​共通​テスト​プラットフォーム​を​作成​しま​した。​開発、​ATP、​Iron Bird​テスト、​SITS (system integration test stand) テスト、​完全​な​生産​段階​の​エレクトロニクス​コントローラ​テスト、​完全​な​生産​段階​の​メカニカル​ハードウェア​テスト​といった、​「V​字​モデル」​の​各​段階​で​同じ​SFECU​リ​グ​を​使用​しま​した。​2​番目​に、​保守​性​が​高​く​再​構成​可能​な​モジュール​式​ハードウェア​を​組み込み​ま​した。​これ​により、​大規模​な​システム​適格​性​確認​テスト​用​に​拡張​した​り、​別​の​システム​用​に​再​構成​した​り​する​こと​が​簡単​に​できる​よう​に​なり、​システム​コンポーネント​の​接続​の​ため​に​配線、​配管​を​する​必要​が​なく​なり​ます。​3​番目​に、​簡単​に​統合​可能​な​オープン​ソフトウェア​アーキテクチャ​を​実現​しま​した。​リ​フ​レ​ク​テ​ィ​ブ​メモリ​アーキテクチャ​では、​メモリ​の​読み書き​により​テスト​スタンド​を​完全​に​制御​する​こと​が​でき​ます。​この​アーキテクチャ​は、​個別に​使用​した​り、​大型​の​テスト​システム​に​統合​し​て​使用​した​り​する​こと​が​可能​です。 また、​分散​制御​により、​システム​の​拡張​に​応​じ​て​処理​能力​を​高める​こと​が​でき​ます。

 

D3​アーキテクチャ​の​詳細

D3​アーキテクチャ​は、​適応​性​に​優​れ​た​モジュール​式​の​多目的​テスト​ソリ​ュ​ー​ション​です。 新​設計​を​最小限​に​抑え、​業界​の​成熟​技術​を​取り入れ​てい​ます。​この​技術​に​は、​NI​の​CompactRIO​と​FPGA​ハードウェア​の​拡張​機能​を​ベース​と​した​分散​制御​機能​と、​NI​の​C​シリーズ​ドライブ​インタフェース​モジュール、​Kollmorgen AKD​サーボ​ドライブ、​AKM​サーボ​モータ​を​使用​した​サーボ​電気​負荷​制御​へ​の​ダイレクト​インタフェース​が​含​まれ​ます。

 

SFECU​テストリグ​は、​すべて​実際​の​コントローラ、​または​実際​の​コントローラ​と​シミュレーション​コントローラ​の​組み合わせ​を​備え​た、​ラック​マウント​型​プラットフォーム​です。​コントローラ​を​1​台​だけ​設置​した​場合、​CAN​バス​を​介​し​て​もう​1​台​の​コントローラ​を​シミュレーション​でき​ます。​この​システム​を​使用​し​て、​航空機​を​構成​する​電気​機械​部品​を​シミュレーション​し​ます。​独自​の​シミュレーション​ツール​により、​航空機​の​障害​モード​を​シミュレーション​する​こと​が​でき​ます。​この​リグ​は、​自動​デ​ュ​ー​ティー​サイクル​や​特定​の​機能​テスト​を​すべて​プログラム​で​設定​可能​です。​いかなる​場合​でも、​シミュレーション​さ​れ​た​ハードウェア​を​実際​の​ハードウェア​に​置き換える​こと​が​でき​ます。 また​その​逆​も​可能​です。

 

これらの​テスト​ラック​内​の​ハードウェア​は、​テスト​ラック​の​サブ​シャー​シ​内​に​ある​航空機​ハードウェア​の​実機​と​トランスデューサ​の​シミュレーション​と​を​切り替える​こと​が​でき​ます。​また​テスト​ラック​に​は、​航空機​コントローラ​と​の​間​の​信号​と​一緒​に、​ディスク​リート、​アナログ、​電力​の​電圧​と​電流​を​監視​する​ハードウェア​も​含​まれ​ます。​具体​的​に​は、​AC/​DC​電源​制御/​監視​シャー​シ、​ブレーキ​負荷​シミュレーション/​切り替え/​監視​シャー​シ、​内部​DC​電源、​リゾルバ​シミュレーション/​切り替え/​監視​アセンブリ、​離散​シミュレーション/​切り替え/​監視​アセンブリ、​ARINC 429/​CAN​送受信​アセンブリ、​緊急​停止​制御/​監視​アセンブリ、​信号​ブレーク​アウト​アセンブリ、​データ​収集​アセンブリ、​一般​LRU​インタフェース​から​カスタム​LRU​アダプタ​の​アセンブリ、​無​停電​電源​装置​を​備え​た​Windows PC​を​搭載​し​てい​ます。

 

また、​テスト​ラック​は​共有​デスク​トップ​ワーク​スペース (ヒューマン​マシン​インタフェース)、​実際​の​航空機​ハードウェア​インタフェース、​外部​ARINC 429​ソース/​シンク、​外部​AC/​DC​電源​アセンブリ​と​の​外部​接続​インタフェース​を​搭載​し​て​おり、​電力​品質​テスト​を​サポート​し​てい​ます。

 

LabVIEW​ベース​の​ソフトウェア​を​使用​し​て​SFECU​テストリグ​を​動作​さ​せ​て​いる​ため、​手動​や​自動​で​テスト​スタンド​を​設定、​操作​でき​ます。​また、​確定​的​な​リ​フ​レ​ク​テ​ィ​ブ​メモリ​データバス​を​介​し​て​テスト​スタンド​機能​を​制御、​監視​する​こと​も​可能​です。

 

さまざま​な​GUI​や​スタンド​構成​で​の​使用

ソフトウェア​を​カスタマイズ、​保存、​再​構成​し​て、​さまざま​な​GUI​や​スタンド​構成​を​サポート​する​こと​が​でき​ます。​たとえば、​スラット/​フラップ​ECU SITS​では、​テスト​スタンド​で​実行​し​て​いる​PDU​モデル​で​コア​テスト​スタンド​を​使用​し、​あらゆる​トランスデューサ​や​不連続​な​信号​を​完全​に​シミュレーション​する​こと​が​でき​ます。​SITS​コックピット (航空機​ハードウェア) と​シミュレーション​を​使用​し​て、​スラット/​フラップ​制御​レバー​コマンド​を​スラット/​フラップ​ECU​や​モデル​に​送信​し​て、​システム、​オーバー​スピード、​アンダー​スピード、​表面​の​欠陥​など​を​リバース​でき​ます。​スラット/​フラップ​ECU​に​エラー​を​適用​し​て、​エンジン​表示​と​クルー​アラー​ト​システム (EICAS) ロジック​を​検証​し、​スラット/​フラップ​ECU​に​追加​さ​れ​た​リ​グ​を​使用​し​て​メンテナンス​画面​を​テスト​する​こと​が​可能​です。 これ​は、​すべて​の​通信、​負荷、​不連続​信号、​トランスデューサ​を​シミュレーション​できる​ため​です。​スラット/​フラップ​ECU ATP​について​は、​SFCR​を​使用​し​て​製造​施設​で​実行​し​て​いる​の​と​同じ​ATP​を​実行​でき​ます。​サーキット​バイ​サーキット​手法​や​航空機​ソフトウェア​による​フル​シミュレーション (fly-​the-​box​テスト) など、​さまざま​な​ATP​メソッド​から​選択​でき​ます。​また、​最小限​の​カスタム​GUI​や​Python​スクリプト​を​実行​する​テストシーケンサ​により、​テスト​を​自動化​する​こと​も​可能​です。

 

この​他​に​も、​D3​アーキテクチャ​は​次​の​構成​を​提供​し​ます。 統合​システム​テスト​認証​リグ (ISTCR)、​スラット/​フラップ​ECU​の​再​稼働 (ラッチ​エラー​を​引き​起​こ​した​故障​状態​の​診断​など)、​ロギング​と​表示 (リ​フ​レ​ク​テ​ィ​ブ​メモリ​データ​ロギング​構成​ユーティリティ​を​使​って、​リ​フ​レ​ク​テ​ィ​ブ​メモリ​から​200 Hz​で​値​を​記録)、​CAN​と​ARINC​の​データ​ロギング、​データ​表示 (航空機​の​GUI​に​は​各​リゾルバ、​電流、​電圧などの計測値が表示され、​標準​の​カスタム​ブロック​の​構成​単位​に​基​づ​い​て​GUI​を​構築、​カスタマイズ、​保存​可能)、​自動化 (TestStand、​Python、​その他​ソケット​や​JSON​の​シリア​ライ​ゼ​ー​ション​による​言語​を​用​い​た​スクリプト​作成、​RFM​に​アクセス​可能​な​外部​アプリケーション/​システム​から​の​自動化、​カスタム​LabVIEW​コード​で​コントローラ​を​実行​する​ため​の​刺激​プロファイル、​マクロ​の​記録​と​再生、​自動​ソフトウェア​機能、​自動​ATP)。


 

Collins Aerospace​社​による​コスト、​時間、​工数​の​削減

NI​の​分散​型​計測/​制御​製品​を​使用​する​こと​で、​テスト​の​再​構成​に​要する​時間​を​数​週間​から​1​日​に​短縮​する​こと​が​でき​ま​した。​D3​アーキテクチャ​は、​多目的 (システム、​ATP、​Iron Bird​で​同じ​負荷​テーブル​を​使用、​開発、​ATP、​Iron Bird、​SITS、​ESIM​で​同じ​SFECU​リ​グ​を​使用)、​かつ​モジュール​式 (ハード​の​配線​や​配管​接続​なし、​ソフトウェア​と​ハードウェア​は​複数​の​航空機​に​共通​の​設計​で​構築) で、​簡単​に​統合​でき (オープン​ソフトウェア​アーキテクチャ、​さまざま​な​言語​による​スクリプト​作成、​テスト​スタンド​を​分離​モード​または​統合​モード​で​実行​できる​実績​の​ある​RFM​アーキテクチャ)、​保守​し​や​すく (プリント​配線​板​を​広​く​使用​し、​従来​型​の​ハーネス​構成​を​除去)、​将来​を​見​据​え​た​設計 (特許​を​取れる​設計) に​な​って​い​ます。

 

HIL、​V&V、​システム​統合、​製造​テスト​の​ニーズ​に​対応​する​共通​の​テスト​プラットフォーム​を、​さまざま​な​プロジェクト​や​航空機​アーキテクチャ​で​開発​した​こと​により、​テスト​装置​の​開発​時間​を​短縮​し、​デジタル​実験​室​の​増加​といった​将来​の​ニーズ​に​対応​できる​よう​に​なり​ま​した。​新しい​プラットフォーム​を​使用​する​こと​で​開発​時間​を​数​か​月​短縮​し、​数​十万​ドル​の​コスト​削減​と​実験​室​の​工数​削減​に​成功​しま​した。​当社​は​一連​の​モバイル​共通​フロント​エンド​上​で​実験​室​全体​を​運用​できる​アーキテクチャ​を​完成​さ​せ​ま​した。 これ​により、​1​つ​の​機能​の​ため​に​1​つのメカニカルテストベッドに構築された、​老朽​化​し​てい​く​固定​電子​機器​の​問題​を​解消​でき​ます。​現在、​この​新しい​アーキテクチャ​を​日常​の​技術​や​ビジネス​システム​に​統合​し、​完全​に​自動化​さ​れ​た​実験​室​を​実現​できる​よう​努力​し​てい​ます。 これが実現すれば、​人件​費​に​悩​まさ​れる​こと​なく、​将来​の​革新​に​向け​て​自由​に​設備​投資​できる​よう​に​なり​ます。

 

著者​情報:

Scott Christensen
Collins Aerospace

図​1. ​ ​Collins Aerospace​社​の​高揚​力​作動​システム ​
図​2. ​ ​作動​システム​の​接続​と​通信 ​
図​3. ​ ​物理​システム​テスト​で​使用​する、​LabVIEW​で​開発​した​システムテストリグ​と​GUI ​
図​4. ​ ​Collins Aerospace​社​の​システム​テスト​リ​グ​では、​負荷​制御​に​NI​の​ハードウェア​と​ソフトウェア​を​使用。 ​
図​5. ​ ​この​テスト​ソリ​ュ​ー​ション​は​物理​テスト​と​シミュレーション​の​両方​に​対応。​設計​サイクル​全体​で​同じ​コントローラ​と​ソフトウェア​を​使用​し​て​製品​の​テスト​を​行う。 ​
図​6. ​ ​一般​的​な​2​チャンネル​の​SFECU​テストリグ ​
図​7. ​ ​シミュレーション​ハードウェア​と​実際​の​ハードウェア​の​切り替え​を​可能​に​する​柔軟性​に​優​れ​た​アーキテクチャ。​各​モジュール​は​リ​フ​レ​ク​テ​ィ​ブ​メモリ​を​介​し​て​通信​を​行う。 ​
図​8. ​ ​この​テスト​構成​と​GUI​管理​画面​は、​この​共通​アーキテクチャ​で​扱える​検査​対象​デバイス​と、​サブシステム​レベル​で​アプリケーション​を​構成​する​方法​を​示し​て​いる。 ​
図​9. ​ ​航空機​GUI​の​例 ​

UTC Aerospace Systems​社、​優​れ​た​システム​テスト​アーキテクチャ​を​構築

ビデオ​1.NI​の​プリン​シ​パ​ル​ソリ​ュ​ー​ション​マネージャ​で​ある​Nate Holmes​が、​シミュレーション​から​ハードウェア​の​検証、​適格​性​確認、​MRO (保守、​修理、​オーバーホール) まで、​エンドツーエンド​の​プログラム​テスト​ニーズ​に​対応​する、​Collins Aerospace​社 (元​United Technologies Aerospace Systems (UTAS) 社) の​D3 (確定​的、​分散​型、​ダイナミック) テスト​アーキテクチャ​について​説明​する。