Collins Aerospace, 전자기계 시스템용 통합형 테스트 아키텍처 개발로 시간, 비용, 노동 절감 달성

Scott Christensen, Collins Aerospace

“우리는 전체 테스트 실험실이 일련의 공통 모바일 프런트엔드 상에서 구동할 수 있도록 지원하는 아키텍처를 완성하였습니다. 이러한 방식으로, 하나의 기계적 테스트 베드를 위해 단일 기능으로 설계된 고정된 전자 장치의 노화 문제를 해결하였습니다.”

- Scott Christensen, Collins Aerospace

과제:

Collins Aerospace가 개발하려던 전자기계 시스템용 "cradle to grave (요람에서 무덤까지)" 테스트 아키텍처는 신규 및 기존 프로그램의 전체 제품 개발주기에서 다양한 항공 우주 컨트롤러 및 부품 테스트에 사용 가능하도록 충분한 유연성을 확보해야 했습니다.

해결책:

NI PXI 및 CompactRIO 하드웨어 플랫폼과 LabVIEW 소프트웨어를 활용한 표준화를 진행하여, 쉽게 설정, 맞춤화 및 유지 관리가 가능한 모듈형 테스트 아키텍처를 제공했습니다. 소프트웨어 부문에서는 NI 얼라이언스 파트너인 Wineman Technology와 협력하였고, 계측 및 작동 부문에서는 Sierra Peaks와 협력했습니다.

 

Collins Aerospace는 약 42,000명의 직원을 보유하고, 연간 매출액 규모가 140억 달러에 달하는 기업으로, 선진 기술력을 갖춘 세계 최대 첨단 항공우주 및 국방 제품 공급업체 중 하나입니다. 액츄에이션 시스템 사업부는 사업용, 상업용 및 군용 항공기용 하이 리프트 액츄에이션 시스템을 설계 및 제조합니다.  


항공우주 테스트 요구 사항

항공우주 현장교환품 (LRU), 부품과 컨트롤러는 엄격한 테스트를 요구하며, Collins Aerospace와 같은 항공우주 회사는 비즈니스 제트기, 상업용 항공기 및 군용기에 이르는 다양한 OEM 운송기 프로그램에 사용할 수 있도록 특정 부품의 다양한 설정 및 변형을 테스트해야 합니다. Collins Aerospace는 항공기 비행 시스템에 사용되는 많은 부품을 설계합니다. 액츄에이션 그룹은 조종석 제어 명령을 모든 선행 및 후행 에지 제어 표면 (플랩, 슬랫)의 움직임으로 변환하는 시스템을 설계합니다. 이 시스템은 슬랫 및 플랩 전자제어 유닛 (SFECU), 중앙 전력 구동 장치 (PDU)와 토크 튜브 및 기어 박스 같은 관련 동력 전달 요소로 구성됩니다. 이러한 모든 시스템 구성 요소는 시스템 및 항공기 수준에서 개별적으로, 그리고 조합하여 테스트되어야 합니다.

 

전통적인 테스트 접근 방식의 문제점

구성요소별 설계와 테스트 방법은 비교적 유사합니다. 그러나 액츄에이션 그룹은 개발, 자격 인증, 생산 및 수리를 포함한 다양한 유형의 LRU 테스트를 위해 다수의 테스트 스탠드를 운영하고 있었습니다. 또한 재구성에 많은 시간과 비용이 소요되는 대형 테스트 시스템 (내부용 및 고객용 둘 다)에서 유압 부하를 사용하여 작업하고 있었습니다. 제품 개발 주기 전반에 걸쳐 다양한 테스트를 실행하기 위해 아키텍처와 절차를 다시 만드는 데 시간이 소모되고 있었습니다.

 

예를 들어, 기존 스탠드는 기계적 LRU 테스트에서 유압 부하를 사용했습니다. 테스트 전반에 걸쳐 비슷한 재작업을 확인했습니다. 테스트 시스템을 재구성할 때마다 유압 시스템의 배관을 다시 연결하고 배선 작업도 다시 해야 했습니다. 심지어 전자식 테스트의 경우에도 실제 비행 하드웨어용 테스트 스탠드가 필요했기 때문에, 테스트 솔루션은 경직되고 유연하지 못했습니다. 자동화된 테스트는 미미했으며, 여러 구성에 대한 지원도 제한적이었습니다. "전통적인 테스트 접근법"은 많은 비용과 시간을 필요로 했습니다. 빡빡한 일정과 한정된 자원 문제로, 날로 증가하는 요구 사항을 충족하도록 기존의 조각난 아키텍처를 그에 맞춰 빨리 적응시킬 여력도 부족했습니다. 또한 Collins Aerospace는 향후 프로그램을 수주할 수 있도록 비용을 절감하고 시간을 단축하는 데 필요한 경쟁력을 확보해야 했기 때문에 새로운 테스트 아키텍처를 개발할 열의를 가지고 있었습니다.

 

 

 

 

설계 주기에 걸친 공통 테스트 플랫폼의 이점

새로운 결정적, 동적 분산 (D3) 아키텍처에 투입된 선행적인 노력 및 투자는 앞으로 다가올 미래를 내다본 충분히 가치있는 접근이었습니다. 부품의 전체 설계 주기에서 진행되는 모든 테스트에 적용되는 공통 테스트 아키텍처를 표준화함으로써, 테스트를 최적화할 수 있다는 것을 확인할 수 있었습니다. 우리는 D3 아키텍처로 MIL (model-in-the-loop), SIL (software-in-the-loop) 및 HIL (hardware-in-the-loop) 테스트, 하드웨어 및 소프트웨어 검증 및 확인 (V&V) 테스트 (오류 삽입), 수명 주기 내구성 시험, 시스템 통합 실험실 (아이언 버드) 테스트, 항공기 레벨 시스템 통합 테스트, 항공기 레벨 물리적 시스템 테스트를 포함하는 하이 리프트 시스템 테스트 장비 (HLSTR), 성능, 내구성 및 피로 시험을 포함한 시스템 테스트 장비 (STR), 소프트웨어 개발, fly-the-box, 소프트웨어 기능, 회귀, 시스템 및 자동 생산 (ATP) 테스트를 포함하는 슬랫/플랩 컨트롤러 장비 (SFCR), 좌측 총 하중에 기반한 단일 날개와 "우측" 에뮬레이션 테스트를 포함한 물리적 테스트를 구현했습니다.

 

우리는 몇 가지 목표를 달성했습니다. 첫째, "요람에서 무덤까지" 테스트 아키텍처 및 다용도 테스터를 제공하는 단일 공통 테스트 플랫폼을 구축했습니다. 개발, ATP, 아이언 버드 테스트, 시스템 통합 테스트 스탠드 (SITS) 테스트, 완전 생산 전자식 컨트롤러 테스트 및 완전 생산 기계식 하드웨어 테스트를 포함하는 전체 설계 "V" 과정에서 동일한 SFECU 장비를 사용했습니다. 둘째, 유지보수 및 재구성이 용이한 모듈형 하드웨어를 채택했습니다. 이제는 쉽게 시스템을 확장하고, 다른 시스템용으로 재구성하고, 시스템 구성 요소를 연결하는데 물리적 배선이나 배관 작업을 하지 않아도 됩니다. 셋째, 통합하기 쉬운 개방형 소프트웨어 아키텍처를 갖췄습니다. 반사 메모리 아키텍처는 메모리 읽기와 쓰기로 테스트 스탠드를 완벽하게 제어할 수 있도록 지원합니다. 이 아키텍처는 별도로 사용하거나 더 큰 테스트 시스템에 통합할 수 있으며, 시스템이 확장됨에 따라 더 많은 처리가 가능한 분산 제어를 구현할 수 있습니다.

 

D3 아키텍처 세부 정보

D3 아키텍처는 적응성이 뛰어난 모듈식 다용도 테스트 솔루션으로, 업계의 증명된 기술에 최소한의 새로운 설계를 추가하여 통합합니다. 이 기술에는 NI CompactRIO 및 FPGA 하드웨어의 확장 기능을 기반으로 하는 분산 제어, NI C 시리즈 드라이브 인터페이스 모듈과 Kollmorgen AKD 서보 드라이브 및 AKM 서보 모터를 사용하는 서보-전기 로드 제어용 다이렉트 인터페이스 등이 포함됩니다.

 

SFECU 테스트 장비는 모든 실제 컨트롤러 또는 실제 및 시뮬레이션 컨트롤러 조합을 포함하는 랙 마운트형 플랫폼입니다. 컨트롤러가 하나만 설치된 경우 CAN 버스를 통해 다른 컨트롤러를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 시스템을 사용하여 항공기를 구성하는 전자 기계 구성 요소를 시뮬레이션합니다. 자사의 시뮬레이션 도구를 사용하면 항공기 장애 모드를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 장비는 자동화된 듀티 사이클 또는 특정 기능 테스트를 제공할 수 있도록 완전히 프로그래밍 가능합니다. 모든 경우에 시뮬레이션 하드웨어를 실제 하드웨어로 또는 그 반대로 교체할 수 있습니다.

 

이 테스트 랙 내의 하드웨어는 테스트 랙의 하위 섀시에 포함된 실제 항공기 하드웨어 또는 시뮬레이션된 트렌스듀서로의 전환을 지원합니다. 테스트 랙에는 또한 이산, 아날로그 및 전원 전압, 전류와 더불어 항공기 컨트롤러와 교신하는 신호를 모니터링하는 하드웨어가 포함되어 있습니다. 특히 이 테스트 랙은 AC 및 DC 전원 제어와 모니터링 섀시, 브레이크 로드 시뮬레이션, 스위칭 및 모니터링 섀시, 내부 DC 전원, 리졸버 시뮬레이션, 스위칭 및 모니터링 어셈블리, 이산 시뮬레이션, 스위칭 및 모니터링 어셈블리, ARINC 429 및 CAN 송수신 어셈블리, 비상 정지 제어 및 모니터링 어셈블리, 신호 브레이크아웃 어셈블리, 데이터 수집 어셈블리, 범용 LRU 인터페이스에서 맞춤형 LRU로의 어댑터 어셈블리, 무정전 전원 공급 장치가 있는 Windows 기반 PC를 갖추고 있습니다.

 

이 테스트 랙은 또한 전력 품질 테스트를 지원하기 하기 위해 공유 데스크톱 작업 공간 (휴먼 머신 인터페이스), 실제 비행 하드웨어 인터페이스, 외부 ARINC 429 소스 및 싱크와 외부 AC/DC 전원 어셈블리에 외부 전기 인터페이스를 제공합니다.

 

우리는 LabVIEW 기반 소프트웨어를 사용하여 SFECU 테스트 장비를 작동하여, 테스트 스탠드를 수동 및 자동으로 설정하고 작동할 수 있습니다. 또한 결정성 반사 메모리 데이터 버스를 통해 테스트 스탠드 기능을 제어하고 모니터링할 수 있습니다.

 

다양한 GUI 및 스탠드 구성 사용 예

다양한 GUI 및 스탠드 구성을 지원하도록 소프트웨어를 맞춤화, 저장 및 재구성할 수 있습니다. 예를 들어, 슬랫 및 플랩 ECU SITS를 이용하면 코어 테스트 스탠드에서 PDU 모델을 실행하여 모든 트렌스듀서와 이산 신호를 완벽하게 시뮬레이션할 수 있습니다. SITS 조종석 (비행 하드웨어)과 시뮬레이션을 사용하여 슬랫 플랩 제어 레버 명령을 슬랫과 플랩 ECU와 모델에 전송하여 시스템 역전, 과속도, 저속도 및 기타 표면 결함을 테스트할 수 있습니다. 슬랫과 플랩 ECU에 오류를 주입하여 엔진 표시와 승무원 경고 시스템 (EICAS) 논리를 검증할 수 있으며, 모든 통신, 부하, 이산 신호 및 트렌스듀서를 시뮬레이션할 수 있으므로 슬랫 및 플랩 ECU에 부착된 장비로 유지 관리 화면을 테스트할 수 있습니다. 슬랫 및 플랩 ECU ATP의 경우 SFCR을 사용하여 생산 시설의 구성과 동일하게 ATP를 실행할 수 있습니다. 회로 별, 또는 비행 소프트웨어를 이용한 전체 시뮬레이션 (Fly-the-Box 테스트)을 포함한 다양한 ATP 방법 중에서 선택할 수 있습니다. 또한 맞춤형의 최소 GUI와 Python 스크립트를 실행하는 테스트 시퀀서를 활용하여 테스트를 자동화할 수도 있습니다.

 

게다가 D3 아키텍처는 통합형 시스템 테스트 인증 장비 (ISTCR), 슬랫 및 플랩 ECU 반환 서비스 (예: 래치 오류를 유발하는 오류 조건 진단), 로깅 및 표시 (반사 메모리 데이터 로깅 구성 유틸리티를 이용해 반사 메모리의 값을 200Hz 속도로 기록 가능), CAN 및 ARINC 데이터 로깅, 데이터 디스플레이 (항공기 GUI는 각 리졸버, 전류, 전압 등에 대한 판독값을 표시하며, 표준 사용자 정의 블록 구성 요소를 기반으로 GUI를 구현, 사용자 정의하고 저장할 수 있음) 및 자동화 (소켓 및 JSON 직렬화를 통한 TestStand, Python 등 언어로의 스크립팅, RFM 접근을 통한 외부 어플리케이션/시스템에서의 자동화, 사용자 정의 LabVIEW 코드로 컨트롤러를 실행하기 위한 자극 프로파일, 매크로 저장 및 실행, 자동화 소프트웨어 기능 및 자동화된 ATP)를 제공합니다.


 

Collins Aerospace의 비용, 시간 및 노동 절감

NI의 분산 측정 및 제어 제품을 사용하여 테스트 재구성 시간을 수주에서 수일로 단축할 수 있었습니다. D3 아키텍처는 다목적 (시스템, ATP 및 아이언 버드에서 동일한 로드 테이블 사용, 개발, ATP, 아이언 버드, SITS, ESIM에서 동일한 SFECU 장비 사용)이고, 모듈식 (배선 연결 또는 배관 작업 없음, 소프트웨어 및 하드웨어는 여러 항공기에 공통적으로 적용되는 설계에 따라 구축됨)이며, 통합이 용이 (개방형 소프트웨어 아키텍처, 모든 언어로 스크립트 작성 가능, 테스트 스탠드를 분리 또는 통합 모드로 실행하도록 지원하는 검증된 RFM 아키텍처)하고, 유지 보수가 가능 (인쇄배선기판을 광범위하게 사용하여 전통적인 장비 배선 작업 제거)하며, 미래지향적 (특허 가능한 설계 보유)입니다.

 

다양한 프로젝트 및 항공기 아키텍처의 HIL, V&V, 시스템 통합 및 생산 테스트 요구 사항을 해결하기 위한 공통 테스트 플랫폼을 개발함으로써, 테스트 장비 개발 시간을 단축하고 미래의 요구 사항 (디지털 테스트 실험실 등)에 대처할 수 있게 되었습니다. 새로운 플랫폼을 활용함으로써, 수개월의 개발 시간을 단축하고 수십만 달러의 비용을 절감하는 것은 물론, 테스트 실험실 노동 시간도 줄일 수 있었습니다. 우리는 전체 테스트 실험실이 일련의 공통 모바일 프런트엔드 상에서 구동할 수 있도록 지원하는 아키텍처를 완성하였습니다. 이러한 방식으로, 하나의 기계적 테스트 베드를 위해 단일 기능으로 설계된 고정된 전자 장치의 노화 문제를 해결하였습니다. 이제 우리는 이렇게 완성된 아키텍처를 일상 기술 및 비즈니스 시스템에 접목하여, 완전히 자동화된 테스트 실험실을 완성하기 위해 노력하고 있습니다. 완전 자동화된 테스트 랩에서는 인건비 등에 대해 걱정하는 일은 없을 것이고, 결과적으로 혁신을 위한 투자가 가속화될 것입니다.

 

작성자 정보:

Scott Christensen
Collins Aerospace

그림 1. Collins Aerospace 하이 리프트 액츄에이션 시스템
그림 2. 액츄에이션 시스템 연결 및 통신
그림 3. 물리적 시스템 테스트에 사용되는 LabVIEW 개발 시스템 테스트 장비 및 GUI
그림 4. Collins Aerospace 시스템 테스트 장비가 로드 제어에 NI 하드웨어 및 소프트웨어를 사용합니다.
그림 5. 이 테스트 솔루션은 물리적 테스트와 시뮬레이션을 모두 수행 가능합니다. 동일한 컨트롤러 및 소프트웨어를 사용하여 설계주기 전반에 걸쳐 제품을 테스트합니다.
그림 6. 일반적인 2채널 SFECU 테스트 장비
그림 7. 이 유연한 아키텍처 그림은 시뮬레이션된 하드웨어와 실제 하드웨어간에 전환을 지원하기 위한 아키텍처를 어떻게 구성했는지 보여줍니다. 각 모듈은 반사 메모리를 통해 다른 모듈과 통신합니다.
그림 8. 이 테스트 설정과 GUI 관리 화면에서는 이 공통 아키텍처로 처리할 수 있는 다양한 테스트 대상 장치와, 하위 시스템 수준에서 어플리케이션을 설정하는 방법을 보여줍니다.
그림 9. 항공기 GUI 예

UTC Aerospace Systems, 더 우수한 시스템 테스트 아키텍처 구축

비디오 1. NI Principal Solutions 관리자 Nate Holmes가 시뮬레이션에서 하드웨어 검증, 인증과 MRO에 이르는 엔드 투 엔드 프로그램 테스트 요구 사항을 포괄하는 Collins Aerospace (전 사명 United Technologies Aerospace Systems (UTAS))의 결정성 있는 동적 분산 (D3) 테스트 아키텍처에 대해 설명합니다.