Collins Aerospace ahorra tiempo, dinero y mano de obra al desarrollar una arquitectura de pruebas unificada para sistemas electromecánicos

Collins Aerospace es uno de los proveedores más grandes del mundo de productos aeroespaciales y de defensa tecnológicamente avanzados, con aproximadamente 42,000 empleados e ingresos anuales superiores a $14 billones. La unidad de negocio de sistemas de actuación diseña y fabrica sistemas de actuación de gran altura para aeronaves comerciales, militares y de negocios.  

Necesidades de pruebas aeroespaciales

Las unidades aeroespaciales reemplazables de línea (LRU), componentes y controladores requieren pruebas rigurosas, y las compañías aeroespaciales como Collins Aerospace deben probar una amplia variedad de configuraciones y variantes de un tipo de pieza para una variedad de programas de vehículos OEM, desde aeronaves de negocios hasta aeronaves comerciales y aeronaves militares. Collins Aerospace diseña muchos de los componentes utilizados en los sistemas de vuelo de las aeronaves. El grupo de actuación diseña sistemas que traducen los comandos de control de la cabina en movimiento de todas las superficies de control de borde de ataque y de salida (timones, alerones). Estos sistemas se componen de unidades de control electrónico de slat y flap (SFECUs), unidades de accionamiento de potencia central (PDU) y elementos de transmisión de potencia asociados, como tubos de torsión y cajas de engranajes. Todos estos componentes del sistema deben probarse individualmente y en combinación a nivel del sistema y de la aeronave.

Desafíos de un enfoque de pruebas tradicional

La metodología de diseño y pruebas de un componente a otro es relativamente similar. Sin embargo, aquellos de nosotros en el grupo de actuación estábamos operando muchos bancos de pruebas para varios tipos de pruebas LRU, incluyendo desarrollo, calificación, producción y reparación. Además, estábamos operando con carga hidráulica en grandes sistemas de pruebas (tanto para uso interno como para clientes) que requerían mucho tiempo y eran costosos de reconfigurar. Perdíamos tiempo recreando arquitecturas y procedimientos para ejecutar diferentes pruebas a lo largo del ciclo de desarrollo del producto.

Por ejemplo, los soportes existentes usaban carga hidráulica para la prueba mecánica de LRU. Estábamos viendo una gran cantidad de reelaboración similar en las pruebas; necesitábamos volver a conectar los sistemas hidráulicos y volver a cablear cada vez que quisiéramos reconfigurar nuestra prueba. Incluso para las pruebas electrónicas, los bancos de pruebas requerían hardware de vuelo real, lo que hacía que las soluciones de prueba fueran rígidas e inflexibles. Las pruebas automatizadas fueron mínimas y el soporte para múltiples configuraciones fue limitado. El "enfoque tradicional" para realizar pruebas era costoso y requería mucho tiempo. Nuestro grupo enfrentó estrictas restricciones de cronograma y limitaciones de recursos que simplemente no nos permitieron adaptar la arquitectura fragmentada existente lo suficientemente rápido para cumplir con los crecientes requisitos. Además, Collins Aerospace aún necesitaba una ventaja competitiva sobre otros proveedores para reducir costos y cronogramas para ganar programas futuros, por lo que se vio impulsado a desarrollar una nueva arquitectura de pruebas.

Los beneficios de una plataforma de pruebas común a lo largo del ciclo de diseño

El trabajo inicial y la inversión que pusimos en nuestra nueva arquitectura distribuida, determinística y dinámica (D3) fue un enfoque con visión de futuro que dará sus frutos en los próximos años. Vimos un gran potencial para optimizar las pruebas al estandarizar una arquitectura de pruebas común para todas las pruebas a lo largo del ciclo de diseño de un componente. Implementamos los siguientes tipos de pruebas con la arquitectura D3: pruebas de model-in-the-loop (MIL), software-in-the-loop (SIL) y hardware-in-the-loop (HIL); prueba de validación y verificación (V&V) de hardware y software (inserción de fallas); prueba de durabilidad del ciclo de vida; prueba de laboratorio de integración de sistemas (iron bird); prueba de integración de sistemas a nivel de aeronave; equipo de pruebas del sistema de gran altura (HLSTR) que incluye la prueba del sistema físico a nivel de aeronave; equipo de pruebas del sistema (STR) que incluye pruebas de rendimiento, resistencia y fatiga; equipo de controlador slat/flap (SFCR) incluyendo desarrollo de software, fly-the-box, funcional de software, regresión de software, sistema y pruebas de producción automatizada (procedimientos de prueba de aceptación o ATP); y pruebas físicas que incluyen pruebas de emulación de una sola ala y del "lado derecho" basadas en la carga total en el lado izquierdo.

Logramos varios objetivos. Primero, creamos una sola plataforma de pruebas común que proporciona una arquitectura de pruebas "de principio a fin" y un probador de usos múltiples. Usamos el mismo equipo de SFECU en todo el diseño "V" para desarrollo, ATP, prueba iron bird, prueba de banco de pruebas de integración de sistemas (SITS), prueba de controlador electrónico de producción completa y prueba de hardware mecánico de producción completa. En segundo lugar, incorporamos hardware modular que se puede mantener y reconfigurar. Ahora podemos expandirnos fácilmente para calificaciones de sistemas más grandes, reconfigurar para diferentes sistemas y evitar cableado para conectar los componentes del sistema. Tercero, tenemos una arquitectura de software abierta que es fácil de integrar. La arquitectura de memoria reflectiva nos permite controlar completamente nuestros bancos de pruebas con lecturas y escrituras de memoria. Podemos usar esta arquitectura por separado o integrarla en sistemas de pruebas más grandes, y podemos lograr un control distribuido que permite una mayor potencia de procesamiento a medida que el sistema crece.

Detalles de la arquitectura D3

La arquitectura D3 es una solución de pruebas altamente adaptable, modular y de usos múltiples que incorpora tecnología bien desarrollada de la industria con un diseño nuevo mínimo. Esta tecnología incluye control distribuido basado en las capacidades de expansión del hardware NI CompactRIO y FPGA y una interfaz directa para el control de carga servo-eléctrica usando un módulo de interfaz de drive de la serie C y servo drives Kollmorgen AKD y servo motores AKM.

El equipo de pruebas de SFECU es una plataforma montada en rack que contiene todos los controladores reales o una combinación de controladores reales y simulados. Si solo se instala un controlador, podemos simular el otro a través de CANbus. Usamos el sistema para simular los componentes electromecánicos que componen la aeronave. Las herramientas de simulación patentadas nos permiten simular los modos de falla de las aeronaves. El equipo es completamente programable para ofrecer cualquier ciclo de trabajo automatizado o prueba funcional específica. En todos los casos, podemos reemplazar el hardware simulado con hardware real o viceversa.

El hardware dentro de estos racks de pruebas proporciona conmutación a hardware de aeronave real o transductores simulados que están contenidos dentro del subchasis de los racks de pruebas. Los racks de pruebas también contienen hardware para monitorear voltajes y corrientes discretos, analógicos y de potencia junto con señales hacia y desde el controlador de la aeronave. Específicamente, estos racks de pruebas alojan chasis de monitoreo y control de potencia AC y DC; chasis de monitoreo, conmutación y simulación de carga de freno; fuentes de alimentación DC internas; ensambles de simulación, conmutación y monitoreo del resolvedor; ensambles discretos de simulación, conmutación y monitoreo; ensambles de transmisión y recepción ARINC 429 y CAN; un ensamble de monitoreo y control de parada de emergencia; ensambles de arranque de señales; ensambles de adquisición de datos; interfaz LRU genérica para ensambles de adaptador LRU personalizados; y una PC basada en Windows con una fuente de alimentación ininterrumpida.

Los racks de pruebas también proporcionan interfaces eléctricas externas para el espacio de trabajo compartido (interfaces humano-máquina), interfaces de hardware de vuelo real, fuentes y receptores ARINC 429 externos y ensambles de alimentación AC/DC externos para soportar la prueba de calidad de la energía.

Usamos software basado en LabVIEW para ejecutar el equipo de pruebas de SFECU para que podamos configurar y operar el banco de pruebas de forma manual y automática. También podemos controlar y monitorear las funciones del banco de pruebas a través de un bus de datos de memoria reflexiva determinística.

Usos para diferentes GUIs y configuraciones de soporte

Podemos personalizar, guardar y reconfigurar el software para soportar diferentes GUIs y configuraciones de soporte. Por ejemplo, con el slat and flap ECU SITS, podemos usar el banco de pruebas principal con un modelo de PDU que se ejecuta en el banco de pruebas y simular completamente todos los transductores y señales discretas. Podemos revertir el sistema, sobrevelocidades, subvelocidades y otras fallas superficiales utilizando la cabina SITS (hardware de vuelo) y la simulación para enviar el comando de la palanca de control de slat flap a la ECU y al modelo de slat y flap. Podemos aplicar fallas a la ECU de slat y flap para validar la lógica del sistema de alerta de tripulación e indicación del motor (EICAS), y podemos probar las pantallas de mantenimiento con el equipo conectado a la ECU de slat y flap porque podemos simular todas las comunicaciones, cargas, señales discretas y transductores. Para slat y flap ECU ATP, podemos usar el SFCR para ejecutar el mismo ATP que ejecuta la instalación de producción. Podemos elegir entre una variedad de métodos ATP, incluyendo circuito por circuito o simulación completa con software de vuelo (prueba fly-the-box). También podemos automatizar las pruebas con una GUI minimalista y personalizada y un secuenciador de pruebas que ejecuta scripts de Python.

Además, la arquitectura D3 ofrece configuraciones para el equipo de certificación de pruebas del sistema integrado (ISTCR), devolver a servicio la ECU de slat y flap (por ejemplo, para diagnosticar condiciones de falla que causaron una falla bloqueada), registro y visualización (utilidad de configuración de registro de datos de memoria reflectiva para ayudar a registrar valores de la memoria reflectiva a una velocidad de 200 Hz), registro de datos CAN y ARINC, visualización de datos (la GUI de la aeronave muestra las lecturas para cada uno de los resolvedores, corrientes, voltajes, etc.; podemos construir, personalizar, y guardar GUIs basadas en los bloques de construcción de bloques personalizados estándares) y automatización (escritura a través de TestStand, Python o cualquier lenguaje a través de socket y serialización JSON; automatización desde aplicaciones/sistemas externos con acceso al RFM; perfiles de estímulo para ejercitar el controlador a través del código personalizado de LabVIEW ; grabación y reproducción de macros; funcionalidad de software automatizada; y ATP automatizado).

Ahorro en costos, tiempo y mano de obra en Collins Aerospace

Al usar los productos de medidas y control distribuidos de NI, pudimos reducir los tiempos de reconfiguración de las pruebas de semanas a un día. Nuestra arquitectura D3 es multipropósito (las mismas tablas de carga utilizadas para el sistema, ATP e iron bird; mismo equipo SFECU utilizado para desarrollo, ATP, iron bird, SITS, ESIM), modular (sin cableado para conectar; software y hardware son basado en diseños comunes a múltiples aeronaves), fácil de integrar (arquitectura de software abierta; escritura de scripts en cualquier lenguaje; arquitectura RFM comprobada que permite que el banco de pruebas se ejecute en modo aislado o integrado), fácil de mantener (elimina la construcción tradicional mediante el uso extensivo de tarjetas de circuito impreso) y con visión de futuro (nuestro equipo tiene diseños patentables).

Al desarrollar una plataforma de pruebas común para abordar nuestras necesidades de HIL, V&V, integración de sistemas y pruebas de producción en una variedad de proyectos e incluso arquitecturas de aeronaves, pudimos reducir el tiempo de desarrollo de nuestros equipos de pruebas y posicionarnos para abordar mejor las necesidades futuras, incluyendo un laboratorio de pruebas más digital. Hemos ahorrado meses de tiempo de desarrollo y cientos de miles de dólares en nuevas plataformas, al operar con menos mano de obra en el laboratorio de pruebas. Hemos perfeccionado una arquitectura en la que todo un laboratorio de pruebas puede ejecutarse en una serie de frentes móviles comunes, lo que elimina el problema de la electrónica estacionaria y envejecida diseñada para una sola función en un solo banco de pruebas mecánicas. Ahora nos esforzamos por completar la integración de esta nueva arquitectura en nuestros sistemas técnicos y comerciales diarios para lograr un laboratorio de pruebas completamente automatizado donde las preocupaciones sobre las tarifas de mano de obra son cosa del pasado, lo que libera la inversión para una mayor innovación.

Información del autor:

Scott Christensen
Collins Aerospace