I/O distribuito per il controllo del banco prova Accessory Drive Gearbox DFZI-100 del velivolo Eurofighter Typhoon

Author(s):
R. Visca - REM
P. Tomasicchio - AVIO PROPULSIONE

Industry:
Government/Defense, Aerospace/Avionics

Products:
FieldPoint, LabWindows/CVI

The Challenge:
Realizzare un impianto basato su interfaccia grafica e strumentazione virtuale per eseguire la prova PAT di attitude funzionale secondo specifiche del costruttori Dowty Aerospace e Avio Propulsione Aerospaziale per la gearbox DFZI-100 AMAD (Aircraft Mounted Accessory Drive) del velivolo Eurofighter Typhoon

The Solution:
integrare un sistema di I/O distribuito Field Point ed un software appositamente sviluppato in LabWindows/CVI per il controllo e la supervisione dei moduli funzionali che costituiscono la cella e l’esecuzione guidata dei passi di prova.

Applicazione
La gearbox AMAD permette la trasmissione di potenza dello starter al propulsore in fase di accensione e da questo ai sistemi ausiliari del velivolo in fase di volo. L’impianto descritto esegue la prova di PAT, attitude funzionale, per verificare il corretto assemblaggio della scatola ingranaggi simulandone il funzionamento (meccanico, idraulico, elettrico ed elettronico) in assetto di volo.

In particolare è necessario riprodurre a banco due modalità operative:
PTO interface mode (presa di moto simulato dal motore): 75KW@18500 rpm
ATS/M interface mode (presa di moto simulato dallo starter): 10.5KW@24000 rpm

Banco di prova
Il banco prova si compone di una struttura di supporto in profilo di acciaio elettrosaldato atta a consentire l’ancoraggio delle GBX e dei vari accessori e ad effettuarne il trascinamento. Rigidezza e smorzamento della struttura sono calcolati per garantire il raggiungimento delle prestazioni richieste senza innescare fenomeni parassiti di risonanza che interferiscano con i rilievi strumentali. Il trascinamento della GBX lato PTO è attuato tramite motore asincrono ad alta efficienza controllato in loop chiuso da inverter vettoriale Control Techniques, abbinato ad un moltiplicatore di giri ad ingranaggi cilindrici elicoidali ed ad un albero di trasmissione accoppiato ad una coppia di giunti flector. L’albero di uscita del moltiplicatore e la GBX sono allineati a ±0.02 mm e garantiscono la ripetibilità delle tolleranze al montaggio di ogni GBX senza necessità di verifica.
Il trascinamento lato ATS/M è attuato tramite elettromandrino da 10.5KW, calettato direttamente sulla GBX tramite albero scanalato, con dentatura a doppio modulo.

Durante la prova occorre garantire, tramite impianti esterni, una circolazione di olio di lubrificazione all’interno della GBX. L’olio, del tipo MIL-L23699, deve essere controllato in termini di pressione/portata (0
20bar, 0-12 lt/min) e temperatura (20-135°C ±0.5) per verificare, oltre il corretto funzionamento degli ingranaggi interni, che non vi siano perdite. L’impianto di microfiltraggio e riempimento della gearbox è in grado di garantire il raggiungimento della classe 5 NAS 1638. Tale requisito, compreso nel protocollo di prova, viene verificato con un contatore laser di particelle Pall PCF200 compreso in fornitura.
Le centraline oleodinamiche di condizionamento del circuito olio sono strutture autonome realizzate con tubazioni in AISI 304 saldate a TIG e raccordi SAE 37°. Ogni centralina ha a bordo l’unità elettrica di controllo locale ed è predisposta al funzionamento automatico subordinato al sistema di supervisione generale del banco prova.

Le attrezzature descritte sono installate all’interno di due cabine insonorizzate realizzate con materiale fonoassorbente in classe 0 di reazione al fuoco. Le cabine sono dotate di impianto di aspirazione e abbattimento fumi con unità di filtrazione elettrostatica.
La cella prova, nella parte anteriore, ospita il banco per il montaggio, l’allestimento e la strumentazione della GBX in configurazione di prova, un paranco a tre assi per la movimentazione della GBX stessa ed una serie di accessori ausiliari.
La contigua cella servizi contiene le centraline idrauliche per lubrificazione moltiplicatore, microfiltraggio e riempimento olio, termoregolazione. Gli impianti fluidici ed elettrici sono posati in cavidotti sottopavimento, così come le vasche di raccolta stillicidi, convogliate ad un impianto pompante centralizzato di rilancio degli esausti.

Sistema di controllo distribuito
La parte di comando e controllo degli impianti e quella relativa all’acquisizione dati durante la prova è affidata ad un sistema hardware e software National Instruments così composto:
• blocco Field Point per il comando e controllo degli impianti
• blocco Field Point per l’acquisizione dati scatola
• software di controllo/acquisizione/comando sviluppato su piattaforma LabWindows/CVI
La prima sezione, installata all’interno del quadro elettrico generale, supervisiona tramite una serie di moduli DI-301 e DO-401 il corretto funzionamento degli impianti acquisendo eventuali stati di allarme. Un modulo per uscite analogiche 0-10V AO-300 pilota gli inverter dei motori elettrici PTO e AST/M ed i dispositivi di termoregolazione dell’olio scatola.
Il secondo blocco FIeld Point, installato direttamente all’interno di una junction-box elettrica sotto il banco della cella prova, si occupa specificamente dell’acquisizione delle grandezze analogiche significative rilevate sulla GBX in prova:
• 3 velocità tramite ruota fonica con pick-up (modulo CTR-502);
• 2 vibrazioni tramite accelerometri Endevco e relativi condizionatori (modulo AI-110)
• 6 pressioni olio tramite trasmettitori 4-20mA (modulo AI-110)
• 8 temperature con termocoppia K (modulo TC-120)
• segnali digitali stato funzionamento GBX (chip-detector, pressure switch, thermostat, oil level)

I blocchi I/O remoto Field Point sono collegati via ethernet tramite moduli di comunicazione FP-1000 al Personal Computer di controllo collocato all’interno della consolle di comando.
L’interfaccia utente sfrutta la possibilità di collegamento del PC a due monitor (dual head VGA) ed è sviluppata mantenendo distinte ma contemporaneamente accessibili le funzioni di controllo degli impianti e della PAT sulla GBX.

Il primo gruppo di pannelli svolge funzioni tipicamente riconducibili ad una interfaccia operatore di PLC: pannello di accesso , visualizzazione stato I/O digitali, impostazione e controllo limiti di funzionamento degli impianti, gestione allarmi, taratura e linearizzazione canali analogici…

Il monitor di gestione della PAT permette il controllo real-time dello stato dei parametri descrittivi della prova GBX. Le grandezze sono rappresentate efficacemente tramite grafici ad istogramma a morfologia condizionale che variano l’aspetto in funzione dei limiti prescritti dal protocollo di prova per il passo in esecuzione. Un estratto della norma di prova corrispondente al passo in corso viene automaticamente riprodotto in un text-box; in questo modo l’operatore è guidato step by step nelle operazioni e può agevolmente valutare l’esito della prova durante il suo svolgimento. Un unico grafico del tipo plot chart al centro del pannello può essere personalizzato aggiungendo o eliminando le singole curve delle grandezze rilevate tramite appositi pulsanti.
Completano le funzioni software una serie di tools quali cronometri di prova, log file e report automatici, pannelli di configurazione ambiente.

L’architettura basata su moduli decentrati ha permesso di razionalizzare i cablaggi tra i vari componenti ed in particolare, per la sezione DAQ, di minimizzare l’esposizione dei canali di misura a possibili fonti di disturbo. Per contro l’estrema versatilità e potenza della piattaforma di sviluppo hanno garantito, grazie alle librerie e funzioni specifiche (TCP, multithreading, PID toolkit, ) e recuperando significative porzioni di codice ANSI C scritte precedentemente, di realizzare un software di controllo di una certa complessità e varietà di funzioni (PLC, supervisione impianti, DAQ, reporting) in tempi particolarmente contenuti.

Il banco rappresenta un interessante esempio di applicazione REM nel campo delle forniture “chiavi in mano” di impianti prova dedicati alle trasmissioni meccaniche ed idrauliche di potenza ad alta velocità.

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R. Visca
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