柯​林​斯​宇航​通过​开发​机电​一体化​测试​架构,​节省​了​时间、​金钱​和​人力

Scott Christensen,Collins Aerospace

“我们​开发​了​一个​完美​的​架构,​所有​测试​实验​可以​在​一系列​移动​公共​前端​上​运行,​从而​无​需​再​使用​单​个​机械​测试​台上​针对​单​个​功能​而​构​建​且​逐步​老化​的​固定​电子​设备。”

- Scott Christensen, Collins Aerospace

挑战:

柯​林​斯​宇航​(Collins Aerospace)​需要​为​机电​系统​创建​一个​涵​盖​全​生命​周期​的​测试​架构,​该​架构​应​足够​灵活,​可​用于​新​项目​和​现有​项目​产品​开发​过程​中的​各种​航空​航天​控制器​和​组​件​测试。

解决​方案:

我们​利用​NI PXI​和​CompactRIO​硬件​平台​以及​LabVIEW​软件​实现​了​标准​化,​能​提供​可​轻松​配置、​自​定义​和​维护​的​模​块​化​测试​架构。​我们​与​NI​联盟​合作​伙伴​Wineman Technology​合作​开发​了​软件,​并与​Sierra Peaks​合作​开发​了​仪表​和​作​动​系统。

 

柯​林​斯​宇航​是​全球​最大​的​国防​和​航天​航空​先进​技术​产品​供应​商​之一,​拥有​约​42,000​名​员工,​年​收入​超过​140​亿​美元。​作​动​系统​业务​单元​负责​为​民用、​商用​和​军用​飞机​设计​和​制造​高升​力作​动​系统。 


航空​航天​测试​需求

航空​航天​线路​可​更换​单元​(LRU)、​组​件​和​控制器​都​需要​经过​严格​的​测试,​对于​公务​机、​商用​客机​及​军用​飞机​的​各类​OEM​机​载​项目,​柯​林​斯​宇航​等​航空​航天​公司​需要​针对​一个​类型​的​部件​测试​其​各种​配置​及​型号。​柯​林​斯​宇航​设计​了​许多​用于​航空​器​飞行​系统​的​组​件。​作​动​小组​设计​的​系统​用于​将​驾驶​舱​控制​命令​转换​为​所有​前​缘​和​后​缘​控制​平面​(襟翼、​缝​翼)​的​运动。​这些​系统​包括​缝​翼​和​襟翼​电子​控制​单元​(SFECU)、​中央​动力​驱动​单元​(PDU)​以及​相关​的​动力​传输​元件,​如​扭矩​管​和​变速箱。​所有​这些​系统​组​件​都​需要​分别​进行​系统​级别​测试​和​航空​器​级别​测试。

 

传统​测试​方法​带来​的​挑战

组​件​之间​的​设计​和​测试​方法​比较​类似。​然而,​作​动​小组​的​人员​需要​操作​针对​不同​类型​LRU​测试​而​设计​的​多个​测试​台,​包括​开发、​认证、​生产​和​维修。​此外,​我们​在​大型​测试​系统​(包括​内部​和​客户​使用​的​系统)​上​使用​液压​负载​进行​操作,​每次​配置​这些​系统​都​非常​耗​时,​而且​成本​高昂。​为了​在​整个​产品​开发​周期​中​运行​不同​的​测试,​我们​浪费​了​很多​时间​在​重新​创建​架构​和​测试​步骤​上。

 

例如,​现有​的​测试​台​使用​液压​负载​进行​机械​LRU​测试。​测试​中有​很多​类似​的​工作;​每次​重新​配置​测试​设置​时,​我们​需要​重新​安装​液压​系统​并​进行​重新​连接。​即使是​电子​测试,​测试​台​也​需要​使用​真实​的​飞行​硬件,​这​使得​测试​解决​方案​很​呆板,​灵活​性差。​自动​化​测试​非常​少,​而且​对​多种​配置​的​支持​有限。​传统​的​测试​方法​既​昂贵​又​耗​时。​我们​团队​面临​着​紧迫​的​时间​期限​和​资源​限制,​这些​限制​使​我们​无法​快速​调整​现有​的​分散​式​架构​来​满足​不断​增长​的​需求。​此外,​柯​林​斯​宇航​仍然​需要​比​其他​竞争​对手​更​具​优势,​通过​降低​成本​和​缩短​周期​时间​来​赢得​未来​的​项目,​所有​这些​压力​推动​了​新​测试​架构​的​出现。

 

 

 

 

整个​设计​周期​均​适用​的​通用​测试​平台​的​优势

我们​在​全新​分布​式​确定​性​和​动态​(D3)​架构​上​的​前期​工作​和​投资​是​一种​前瞻性​的​投入,​将​在​未来​几年​得到​回报。​我们​看到​了​在​组​件​设计​周期​内​使用​标准​化​的​通用​测试​架构​进行​所有​测试​所​带来​的​巨大​潜力。​我们​使用​D3​架构​实现​了​以下​测试​类型:​模型​在​环​(MIL)、​软件​在​环​(SIL)​和​硬件​在​环​(HIL)​测试;​硬件​和​软件​确认​与​验证​(V&V)​测试​(故障​插入);​生命​周期​耐久性​试验;​系统​集成​实验​(铁​鸟)​测试;​航空​器​级​系统​集成​测试;​高升​力​系统​试验​台​(HLSTR),​包括​航空​器​级​物理​系统​试验;​系统​试验​台​(STR),​包括​性能、​耐久性​和​疲劳​试验;​缝​翼/​襟翼​控制器​装置​(SFCR),​包括​软件​开发、​软件​功能、​软件​回归、​系统​和​自动​化​生产​(验收​测试​程序​或​ATP)​测试;​以及​物理​测试,​包括​基于​左翼​总​负载​的​单翼​和“右翼”仿真​测试。

 

我们​实现​了​几个​目标。​首先,​我们​开发​了​一个​通用​测试​平台,​提供​了​整个​生命​周期​均​适用​的​测试​架构​和​多​用途​测试​系统。​在​整个​设计“V”中,​我们​使用​相同​的​SFECU​装置​进行​开发、​ATP、​铁​鸟​测试、​系统​集成​测试​台​(SITS)​测试、​批量​生产​电子​控制器​测试​和​批量​生产​机械​硬件​测试。​其次,​我们​采用​了​可​维护​且​可​重​配置​的​模​块​化​硬件。​现在,​我们​可以​轻松​扩展​系统,​针对​不同​的​系统​进行​重新​配置,​并​避免​硬​连​线​或​管道​来​连接​系统​组​件。​第三,​我们​开发​了​一个​易​于​集成​的​开放​式​软件​架构。​反射​内存​架构​允许​我们​通过​内存​读写​完全​控制​测试​台。​我们​可以​单独​使用​这种​架构​或​将​其​集成​到​更大​的​测试​系统​中,​而且​我们​可以​实现​分布​式​控制,​从而​随着​系统​的​扩大​提供​更​强大​的​处理​能力。

 

D3​架构​详图

D3​架构​是​一种​高度​自​适应​模​块​化​多​用途​测试​解决​方案,​融合​了​业界​精心​研发​的​技术​和​小巧​的​新​设计。​该​技术​包括​基于​NI CompactRIO​和​FPGA​硬件​扩展​功能​的​分布​式​控制,​以及​使用​NI C​系列​驱动​器​接口​模​块​及​Kollmorgen AKD​伺服​驱动​器​和​AKM​伺服​电机​进行​伺服​电​动​负载​控制​的​直​连接​口。

 

SFECU​测试​台​是​一个​机​架​安装​式​平台,​包含​所有​真实​控制器​或​真实/​仿真​控制器​的​组合。​如果​只​安装​了​一个​控制器,​我们​可以​通过​CANbus​仿真​另​一个​控制器。​我们​使用​该​系统​来​仿真​构成​航空​器​的​机电​组​件。​专有​的​仿真​工具​使​我们​能够​模拟​飞机​故障​模式。​该​测试​台​完全​可​编​程,​可​提供​任何​自动​化​占​空​比​或​特定​功能​测试。​在​所有​情况​下,​我们​可以​用​实际​硬件​替换​仿真​硬件,​反之亦然。

 

这些​测试​机​架​内的​硬件​提供​了​测试​机​架子​机​箱​内​真实​飞机​硬件​和​仿真​换​能​器​之间​的​切换。​测试​机​架​还​包含​用于​监测​离散、​模拟​与​电源​电压​和​电流​以及​飞机​控制器​输入​输出​信号​的​硬件。​具体​来说,​这些​测试​机​架​可​容纳​交流​和​直流​电源​控制​和​监测​机​箱;​制动​负载​仿真、​开关​和​监测​机​箱;​内部​直流​电源;​旋转​变压器​仿真、​开关​和​监测​组​件;​离散​仿真、​开关​和​监测​组​件;​ARINC 429​和​CAN​发射​和​接收​组​件;​紧急​停止​控制​和​监测​组​件;​信号​分​路​组​件;​数据​采集​组​件;​连接​定制​LRU​适​配​器​组​件​的​通用​LRU​接口;​以及​基于​Windows​的​PC​和​不​间​断​电源。

 

测试​机​架​还为​共享​桌面​工作​区​(人​机​界面)、​真实​飞行​硬件​接口、​外部​ARINC 429​源​和​接收​器​以及​外部​AC/​DC​电源​组​件​提供​外部​电气​接口,​以​支持​电能​质量​测试。

 

我们​使用​基于​LabVIEW​的​软件​来​运行​SFECU​测试​台,​这样​就​可以​手​动​和​自动​配置​和​操作​测试​台。​我们​还​可以​通过​确定​性​反射​内存​数据​总​线​来​控制​和​监测​测试​台​功能。

 

应用​于​不同​的​GUI​和​测试​台​配置

我们​可以​自​定义、​保存​和​重新​配置​软件,​来​支持​许多​不同​的​GUI​和​测试​台​配置。​例如,​对于​缝​翼​和​襟翼​ECU SITS,​我们​可以​使用​核心​测试​台​及其​上​运行​的​PDU​模型,​来​完全​模拟​所有​换​能​器​和​离散​信号。​我们​可以​使用​SITS​飞行​舱​(飞行​硬件)​和​仿真,​将​缝​翼/​襟翼​控制​杆​命令​发送​到​缝​翼​和​襟翼​ECU​和​模型,​来​重现​系统、​超速、​欠​速​和​其他​表面​故障。​我们​可以​将​故障​应用​于​缝​翼​和​襟翼​ECU,​以​验证​发动​机​指示​和​机组​警报​系统​(EICAS)​的​逻辑,​并且​使用​连接​到​缝​翼​和​襟翼​ECU​的​测试​台​来​测试​维护​屏幕,​因为​我们​可以​模拟​所有​通信、​负载、​离散​信号​和​换​能​器。​对于​缝​翼​和​襟翼​ECU ATP,​我们​可以​使用​SFCR​运行​与​生产​设施​上​相同​的​ATP。​我们​可以​选择​各种​ATP​方法,​包括​逐​个​电路​仿真​或​使用​飞行​软件​进行​全面​仿真​(飞行​盒​测试)。​我们​还​可以​使用​运行​Python​脚本​的​自​定义​GUI​和​测试​序列​生成​器​自动​进行​测试。

 

此外,​D3​架构​还​提供​集成​系统​测试​和​认证​试验​台​(ISTCR)、​缝​翼​和​襟翼​ECU(例如,​诊断​导致​锁定​故障​的​故障​条件)、​记录​和​显示​(反射​内存​数据​记录​配置​实用​程序​以​200 Hz​的​速率​记录​反射​存储​器​中的​值)、​CAN​和​ARINC​数据​记录、​数据​显示​(飞机​GUI​显示​每​个​旋转​变压器​的​读​数、​电流、​电压​等;​我们​可以​基于​标准​自​定义​块​的​构​建​块​来​构​建、​自​定义​并​保存​GUI),​以及​自动​化​(通过​套接​字​和​JSON​序列​化​使用​TestStand、​Python​或​任何​语言​编写​脚本;​通过​外部​应用​程序/​系统​访问​RFM​实现​自动​化;​通过​自​定义​LabVIEW​代码​和​激励​配置​文件​运行​控制器;​宏​录​制​和​回​放;​自动​化​软件​功能;​以及​自动​化​ATP)。


 

柯​林​斯​宇航​节省​了​成本、​时间​和​人工

借助​NI​的​分布​式​测量​和​控制​产品,​我们​将​测试​重新​配置​时间​从​数​周​缩短​至​一天。​我们​的​D3​架构​具有​以下​优点:​多​用途​(系统、​ATP​和​铁​鸟​均​使用​相同​的​负载​表;​开发、​ATP、​铁​鸟、​SITS、​ESIM​均​使用​相同​的​SFECU​测试​台)、​模​块​化​(无​需​硬​连​线​或​管道​连接;​软件​和​硬件​均​基于​多​架​飞机​通用​的​设计)、​易​于​集成​(开放​式​软件​架构;​可​使用​任何​语言​编写​脚本;​成熟​的​RFM​架构,​允许​测试​台​以​隔离​或​集成​模式​运行)、​可​维护​(通过​大量​使用​印刷​接​线​板​避免​使用​传统​线​束),​以及​前瞻性​(我们​团队​的​设计​可​申请​专利)。

 

通过​开发​通用​测试​平台​来​满足​我们​在​各种​项目​甚至​飞机​架构​中的​HIL、​确认​与​验证、​系统​集成​和​生产​测试​需求,​我们​能够​缩短​测试​设备​开发​时间,​同时​更好​地​满足​未来​需求,​包括​更多​数字​测试​实验。​新​平台​帮助​我们​节省​了​数​月​的​开发​时间​和​数​十万​美元​的​成本,​同时​减少​了​测试​实验​的​工作​量。​我们​完善​了​架构,​使​所有​测试​试验​可在​一系列​移动​通用​前端​上​运行,​进而​减少​了​过去​使用​不可​移动​且​逐年​老化​的​电子​设备​带来​的​问题,​且​此类​设备​往往​设计​受限于​单​机械​测试​台、​单​功能。​现在,​我们​正在​努力​将​这种​新​架构​整合​到​日常​技术​和​业务​系统​中,​以​实现​一个​全​自动​化​的​测试​实验​室,​这样​我们​无​需​再​为​劳动​力​担心,​也​为​后​续​创新​腾​出了​更多​资金。

 

作者​信息:

Scott Christensen
Collins Aerospace

图​1. ​ ​柯​林​斯​宇航​高升​力作​动​系统 ​
图​2. ​ ​作​动​系统​连接​和​通信 ​
图​3. ​ ​适用​于​物理​系统​测试​且​使用​LabVIEW​开发​的​系统​测试​台​和​GUI ​
图​4. ​ ​柯​林​斯​宇航​系统​测试​台​使用​NI​硬件​和​软件​进行​负载​控制。 ​
图​5. ​ ​该​测试​解决​方案​既​可以​进行​物理​测试​和​仿真,​还​可以​使用​相同​的​控制器​和​软件​完成​整个​设计​周期​的​所有​产品​测试。 ​
图​6. ​ ​典型​的​2​通道​SFECU​测试​台 ​
图​7. ​ ​该​视图​显示​了​我们​如何​构​建​灵活​的​架构,​实现​仿真​硬件​和​真实​硬件​间​的​切换。​每​个​模​块​通过​反射​内存​与​其他​模​块​进行​通信。 ​
图​8. ​ ​此​测试​配置​和​GUI​管理​屏幕​显示​了​可以​使用​此​通用​架构​处理​的​各种​待​测​设备,​以及​如何​在​子​系统​级别​配置​应用​程序。 ​
图 9. ​ ​飞机​GUI​示例 ​

UTC Aerospace Systems​构​建​更好​的​系统​测试​架构

视频​1.NI​首席​解决​方案​经理​Nate Holmes​介绍​了​柯​林​斯​宇航​(此​前​为​美国​联合​技术​航空​航天​系统​-​UTAS)​的​分布​式​确定​性​和​动态​(D3)​测试​架构,​该​架构​可​满足​从​仿真​到​硬件​验证、​认证​和​MRO​的​端​到​端​项目​测试​需求。