Apparati Automatici di Test e Simulazione per Sistemi Subacquei

Author(s):
V. Priore - WASS - WHITEHEAD ALENIA SISTEMI SUBACQUEI

Industry:
Government/Defense, Aerospace/Avionics

Products:
Data Acquisition, Serial, Toolkits, LabVIEW, Switches, Data Acquisition, PXI/CompactPCI, Digital Multimeters

The Challenge:
Standardizzare e rendere modulare (hardware e software) gli apparati di Test per sistemi subacquei e rendere flessibile la simulazione di sistemi complementari all’unità sotto test.

The Solution:
Suddividere in moduli funzionali l’apparato di test ed associare ad ogno modulo custom o commerciale un driver LabVIEW per rendere uniforme l’architettura software e scegliere le opportune schede PXI per ottenere sia il controllo in termini di comando dei moduli sia effettuare misure e simulazioni contemporanee.

In un contesto industriale articolato come quello della WASS (Whitehead Alenia Sistemi Subacquei) che realizza, principalmente, Sistemi Subacquei per la difesa, nasce l’esigenza di poter collaudare internamente il prodotto, sia per esigenze di produzione, sia per creare un feedback di progettazione. Una ulteriore esigenza è fornire al cliente finale uno strumento che permetta di effettuare la verifica periodica, necessaria al corretto funzionamento del sistema.

Prima di entrare nello specifico dell’applicazione, occorre fare delle precisazioni sui sistemi sottoposti a collaudo (UUT) e una classificazione degli Apparati di Test (AdT), per meglio comprenderne l’evoluzione e le problematiche ad essi legate.

Un Sistema d’Arma Subacqueo si compone di più parti, dette Prime Items, funzionalmente indipendenti, che, dopo essere stati collaudati separatamente, vengono assemblati per realizzare il sistema completo; si comprende quindi che, per il collaudo dei Prime Items, l’AdT deve sia eseguire test elettrici e funzionali, sia essere provvisto di simulatori, che dovranno essere in grado di simulare le parti mancanti, cioè quelle collegate al Prime Item sotto test nel sistema completo, mentre per il collaudo del sistema completo, l’AdT deve sia eseguire test elettrici e funzionali, sia essere provvisto di simulatori che devono essere in grado di ricreare l’ambiente marino esterno (per es. pressione dell’acqua).

Gli AdT in generale si suddividono in tre categorie:
• ETS, apparati di produzione, che eseguono i test su un singolo Prime Item, effettuando misure elettriche e test funzionali abbastanza profondi fino a livello componente;
• DTE, apparati da officina che collaudano sia i Prime Items che il sistema completo, verificandone le funzionalità nel corso dell’assemblaggio finale; la profondità dei test non è eccessivamente spinta, nel senso che i test funzionali verificano la funzionalità degli oggetti in collaudo, ma non si scende a livello di componente;
• AdT portatili, eseguono la manutenzione ordinaria dei Sistemi eseguendo test GO/noGO per verificare le funzioni operative.

Questa classificazione giustifica il discreto numero di apparati di test da realizzare, per cui si è resa necessaria una standardizzazione e successiva modularizzazione sia dell’hardware che del software per: ridurre i tempi di progettazione e realizzazione; utilizzare moduli comuni a più AdT; abbattere i costi dei materiali; ridurre la percentuale di elettronica custom; e affrontare il problema della obsolescenza della strumentazione commerciale.

L’applicazione che descriveremo è l’ultima, in termini temporali, degli AdT progettati e prodotti da WASS, è identificato come ETS111A, ed effettua il collaudo del Nuovo Sistema di Controllo e Guida del siluro leggero MU90.

L’architettura hardware dell’AdT è concepita in modo modulare, nel senso che l’apparato è diviso in moduli funzionali, alcuni commerciali, altri di produzione interna, ma comunque standard rispetto agli AdT, e da una parte custom che specializza l’applicazione data la particolarità dell’UUT. I moduli sono tutti connettorizzati per favorire la costruzione e il relativo collaudo di produzione fuori dall’AdT.

I bus di comunicazione usati nell’apparato sono: PXI, GPIB, RS232, Ethernet.
Tutti i moduli del sistema, sia quelli commerciali che quelli custom, sono controllati dal sistema centrale attraverso uno dei bus sopra elencati.
In particolare considerando solo il rack strumentazione si possono distinguere tre sezioni fondamentali:
• Sezione controllo-stimolo-misura, costituita da
o Chassis PXI-1050
 Controller PXI-8186, che rappresenta il sistema centrale, sul quale risiede il software di sistema, il controller GPIB, il controller del sistema di instradamento;
 Digital I/O PXI-6527, linee digitali isolate per la compatibilità elettrica con UUT;
 Counter/Timer PXI-6602, segnali di clock e sincronizzazione;
 Digitizer PXI-5114, oscilloscopio;
 Multimeter PXI-4060, multimetro;
 Seriali PXI-8420, comunicazioni con i moduli interni e controllo dei sistemi di simulazione;
 Multifunction PXI-6251, linee digitali di comando interno e simulazioni analogiche;
 Analog Output SCXI-1124, stimoli di precisione per la simulazione dei sensori;
 Switch SCXI-1161, switch di comando diretti all’UUT
o Moduli di Interconnessione - Instradamento
 Moduli di interconnessione, che rappresentano il cuore del sistema, composti: da matrici di relè bipolari, monopolari e switch, completamente realizzati da WASS; dall’interfaccia verso l’interno dell’AdT e dall’interfaccia verso l’UUT; questi moduli rappresentano uno standard aziendale e la loro parte custom rappresenta la specializzazione dell’AdT rispetto ai sistemi da testare;
 Modulo Misure Isolamento, che rappresenta il sistema di instradamento per le misure di isolamento, non collegato al sistema di misura centrale, per motivi di sicurezza elettrica;
o Megaohmetro, per misure di isolamento tra segnali.
• Sezione controllo alimentazioni, costituita da
o Modulo Controllo Alimentazioni, che presiede al sezionamento ed al controllo, delle alimentazioni in continua fornite dagli alimentatori alle UUT, e delle alimentazioni in alternata per l’AdT;
o Alimentatori commerciali, che alimentano i vari UUT, i quali richiedono tensioni diverse e indipendenti tra di loro.
• Sezione interfaccia UUT, costituita dai moduli che eseguono l’interfaccia elettrica e meccanica con gli UUT:
o Modulo Collaudo Alimentatori interni del sistema Controllo e Guida;
o Modulo Collaudo del sistema controllo timoni;
o Modulo Collaudo e Carico per il sistema di Controllo e Guida completo;
o Modulo Collaudo della scheda che gestisce e controlla i segnali interni del Prime Item;
o Sistemi meccanici di interfaccia con i UUT.

L’architettura software è costituita da due livelli, uno di Configurazione e uno di Esecuzione.
Il sistema operativo usato è Windows XP Professional Edition, l’ambiente di sviluppo LabVIEW, con NI-DAQmx 8.0; è stato usato il Database Connettivity Toolset, per la gestione dei report dei test con Microsoft Office 2003.
A partire dai driver software, forniti con le schede e con gli strumenti, sono stati costruiti i driver dei singoli moduli costituenti l’apparato, così il software di test considera allo stesso modo gli strumenti commerciali e i moduli custom, per cui è stato sviluppato un primo applicativo, che indicheremo come Configuratore, che permette di combinare in maniera sequenziale le operazione che ogni singolo test deve eseguire, una sorta di TestStand, ma limitato alle operazioni che normalmente vengono effettuare nelle nostre apparecchiature di test, questo ci permette di seguire, in parte, le evoluzioni del sistema da collaudare senza modificare in maniera profonda l’hardware. Una volta confezionato il test, questo viene inserito nella sequenza di test dell’UUT da collaudare.
Si è fatto un largo uso delle strutture ad Eventi per la codifica del software.

Il secondo applicativo, l’Esecutore, che rappresenta il vero software di test, esegue le sequenze di test prestabilite, con le normali regole di selezione singola o totale, e gestisce i report, attraverso un database interno in Excel.
L’operatore, dopo aver selezionato l’UUT, seleziona quali test eseguire su di esso: viene mostrata la sequenza dettagliata delle misure e in tempo reale vengono visualizzate le misure effettuate e i valori corrispondenti. Le regole di propedeuticità di alcune misure rispetto alle altre sono insite nella sequenza di test precedentemente generata.
I report vengono generati utilizzando le strutture del Report Generation in HTML di LabVIEW.

L’AdT esegue un autotest funzionale della strumentazione e dei moduli custom, ed esegue i test di continuità e isolamento dei collegamenti da e verso le UUT, per verificare l’integrità degli stessi.
I test che l’AdT esegue sono di due tipologie, elettrico e funzionale. Nella prima tipologia si effettuano verifiche di continuità e isolamento, propedeutiche ai test funzionali, nei quali il sistema sotto test viene alimentato come in condizioni operative.
I test di tipo funzionale rappresentano un compromesso tra la profondità dei test di qualifica dei sistemi e le tempistiche dettate dalla produzione dei sistemi stessi. Senza entrare nel merito dei test, sia per motivi di redazione che per motivi industriali, le difficoltà emerse si possono riassumere in due categorie:
• Stimolare e misurare un discreto numero di grandezze analogiche e digitali contemporanee;
• Simulare il mondo esterno e misurare le reazioni del sistema;

Per quanto riguarda la prima categoria, si è data soluzione configurando opportunamente lo chassis PXI, utilizzando:
• la scheda PXI-6251 (16 input analogici e 24 linee di I/O digitali), per monitorare le grandezze analogiche di interesse e monitorare lo stato interno dell’AdT;
• la scheda SCXI-1124 (6 output analogici isolati) per generare le tensioni indipendenti per le simulazioni dei sensori, senza riferimenti comuni;
• la scheda PXI-6527 (24 input e 24 output digitale isolati) per monitorare lo stato del sistema UUT e per la compatibilità con l’ampiezza dei segnali digitali non standard;
• la scheda PXI-6602 (8 timer-counter) per la sincronizzazione e la generazione di clock esterni.

La seconda categoria è stata generata dalla scelta progettuale di non voler usare altri PC, oltre al controller PXI-8186; infatti per effettuare la simulazione degli Item veri del siluro sono state usate schede commerciali a microcontrollore con software scritto in C per le interfacce di comunicazione Ethernet e seriale e schede custom con CPLD a bordo per le interfacce digitali, queste hanno il compito di rispondere in maniera sincrona alle richieste del sistema sotto test; le comunicazioni seriali di controllo, da parte del software di test, per questi sistemi di simulazione real-time, sono affidate alla PXI-8420.

E’ in studio, l’evoluzione dell’AdT, che consisterà nel realizzare tutti i sistemi di simulazione esterni, usando la scheda RIO-7833, in modo da avere la stessa piattaforma per lo sviluppo del software, lo stesso bus PXI di comunicazione, e aumentare la flessibilità del sistema. L’idea è, usando LabVIEW FPGA Module, di concentrare su una unica scheda tutte le funzioni digitali e analogiche Real-Time, questo permetterà di eliminare le comunicazioni e le sincronizzazioni tra moduli di simulazione diversi.

Collaborazione : hardware - Ing. Paolo Scerbo (ISL- Altran), software - Sig. Pasquale Scotto di Vetta (CaP)

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