delbosc - astelab

Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique
"Electronique de pilotage ventilateurs"
HALT tests on in-board electronic products
"Electronic fans monitoring"
Philippe Delbosc1, Pascal Mexe2, Georges Burgaud2
1
Technofan - Toulouse, 2Adetel - Ecully
Résumé
Les essais aggravés et en particulier les essais dit "HALT" sont relativement récents en Europe. Compte tenu de la controverse qu'ils
suscitent, il est important de partager l'expérience de ceux qui se sont lancés dans leur utilisation. Cette communication se veut le
reflet d'une campagne d'essais HALT réussie. Elle a été réalisée sur un produit destiné à l'aéronautique. Cette campagne a été pour
l'entreprise Technofan l'opportunité d'acquérir la compétence dans ce domaine et elle dispose aujourd'hui d'un outil qui permet de
concevoir des produits fiables et robustes tout en minimisant la durée de développement.
Abstract
Aggravated tests and in particular HALT tests are relatively new in Europe. Because of the controversy surrounding HALT, it is
important to share the knowledge of those involved in their use. This paper is the result of a successful HALT campaign which was
carried out on a product destined for the aerospace industry. This campaign was the opportunity for the company Technofan to
obtain the necessary skills in this field, which now has at its disposal a tool allowing reliable and robust product design, while
minimising development time.
1. INTRODUCTION
Technofan, filiale du groupe Snecma et équipementier en aéronautique, accède aujourd'hui au rang de systémier. La prise
en compte de systèmes complets et les exigences accrues dans le domaine de l'aéronautique obligent à développer des
produits robustes. Pour ce faire, Technofan a investi dans les essais aggravés, plus précisément dans une campagne
d'essais HALT, avec comme objectif d'évaluer la pertinence de tels essais. L'expérimentation présentée ici est la première
réalisée par Technofan et a été parfaitement réussie grâce à la collaboration concepteur essayeur. Elle servira de base
pour la mise en œuvre de ce type d'essais sur d'autres produits.
2. LE CONTEXTE
2.1.
Le produit "ventilateur"
La nécessité de contrôle et de pilotage d'un produit tel qu'un ventilateur utilisé en aéronautique a conduit à lui intégrer
ces fonctions de contrôle et pilotage et en fait aujourd'hui un produit novateur. Le ventilateur, objet de cette campagne
d’essais, comporte en effet 2 cartes électroniques dont les fonctions principales sont :
pour la "carte puissance" de fournir les tensions d'alimentation au moteur et à la "carte commande",
pour la "carte commande" de gérer entre autres le fonctionnement du moteur, les signaux d'état et de défauts.
La particularité de cette électronique est qu'elle est située dans la veine du ventilateur, ce qui a permis d’utiliser la
circulation de l’air produit par le ventilateur pour son refroidissement, mais en contre partie la rend très exposée à la
pollution directe (humidité, poussière, brouillard salin …).
Le ventilateur est donc à un niveau important de contrainte pendant son utilisation.
2.2.
L'évolution des produits et métiers de TECHNOFAN
Technofan, dans le domaine de l'aéronautique, en tant que systémier, fournit des systèmes complets de ventilation
(programme A380) et, en tant qu'équipementier, conçoit et fabrique entre autres produits des ventilateurs.
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Au fil de l’évolution des exigences des avionneurs, les ventilateurs, dont la fonction essentielle est de fournir un débit
d’air (refroidissement), ont du intégrer des fonctions complémentaires :
gestion de vitesse (débit) : bi-vitesse, consigne variable, régulation de vitesse, …
gestion de sécurité intrinsèque : sécurité thermique, détection de sous-vitesse et de sous-tension, seuils de
courant, détection et transmission de l'information de défaut, …
Dans le cadre de la fourniture de systèmes complets de ventilation dont la disponibilité opérationnelle doit être maximale,
les ventilateurs intègrent de nouvelles fonctions :
gestion des consignes : consigne débit et/ou vitesse d’air
gestion surveillance système : surveillance débit d’air, température d’air, consommation courant…
communication : échange avec les calculateurs de l'avion.
La source d’alimentation utilisée varie en fonction de la puissance nécessaire au fonctionnement du ventilateur et
implique une adaptation des technologies (moteurs, électroniques de commande et contrôle) en fonction de la
puissance :
Pour une faible puissance absorbée, on utilise le réseau continu de 28 Volts.
Pour une puissance absorbée moyenne, on utilise le réseau monophasé (115V / 400Hz).
Pour une puissance absorbée importante, on utilise le réseau triphasé (200V/400Hz).
De plus de nouvelles exigences techniques sont également imposées par l’évolution des réseaux d’alimentation : le
programme A380 intègre un réseau à fréquence variable : 115 V / 200V 360 Hz à 800 Hz.
De par ces nouvelles exigences, et à travers l’évolution des ventilateurs Technofan, ce sont les métiers qui ont évolué.
L’électronique était quasi inexistante sur les premières générations de ventilateurs. Elle prend aujourd’hui une part
majeure dans un équipement. Aux métiers d'électromécaniciens, de mécaniciens est venu s'ajouter celui d'électronicien,
impliquant ses méthodes de travail spécifiques.
2.3.
L'évolution du marché
Le marché de l'aéronautique est aujourd'hui dans une phase très concurrentielle, qui nécessite de la part des
équipementiers et systémiers de devancer le marché et d'être prêts à relever de nouveaux défis :
techniques : nouvelles méthodologies (conception, validation), nouvelles technologies, nouveaux procédés
économiques :
•
maîtrise de tous les coûts ( conception, maintien en condition opérationnelle, réparation, …)
•
rentabilité de l'outil de production
•
juste à temps sur le marché ("time to market")
Ces deux contraintes obligent l'industriel à être toujours plus vigilent sur la qualité de ses produits, à rechercher une
fiabilité/disponibilité optimale et d’avoir de ce fait une meilleure maîtrise de l’ensemble des outils de conception et de
validation. Technofan a donc été amené à s'intéresser tout particulièrement à ce que pouvait apporter de nouveaux types
d’essais sur une nouvelle génération d’électronique de pilotage de ventilateur.
3.
3.1.
L'ENJEU
Pour le produit
Les principaux changements concernant le produit sont donc au nombre de 3 :
1. l'intégration de nouvelles fonctions qui conduit à une conception différente : architecture de
l’électronique différente, deux cartes montées en « mezzanine » pour s'adapter à un encombrement réduit,
accessibilité à des points de mesure et à des potentiomètres pour le réglage de différents paramètres,
* Ventilateurs bi-vitesse : PV petite vitesse et GV grande vitesse.
2. la prise en compte d'un profil de mission plus sévère : température ambiante de fonctionnement permanent de –40
°C à +85 °C, en non fonctionnement +100 °C / 30 min, environnement d’humidité externe (D0160D catégorie C), tenue
aux chocs, vibrations, brouillard salin…
3. des exigences de fiabilité plus élevées.
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3.1.1. Nouvelle conception
Les électroniques de pilotage "non dédiées" sont généralisées à une famille de ventilateurs alimentés par le réseau
continu 28 V: une seule référence d’électronique est donc gérée sur étagère (stock de production), elles sont réglées
individuellement en fonction du ventilateur sur lequel est montée chaque électronique. Ce produit entre
typiquement dans le cadre d’une stratégie industrielle visant à limiter le nombre de sous-ensembles à gérer sur le
parc matériel et donc à réduire les coûts d'acquisition.
Pour gagner en encombrement et en masse, l'électronique a été intégrée dans la veine d’air du ventilateur
3.1.2. Profil de mission
L'électronique est très exposée à la pollution environnementale (située dans la veine d’air du ventilateur) : humidité,
poussière, brouillard salin…
Les conditions opérationnelles sont sévères : température ambiante comprise entre –40 °C et +85 °C, chocs,
vibrations …
La durée de vie demandée est importante, typiquement 20 ans
3.1.3. Haut niveau de fiabilité
Le MTBF demandé est de plus en plus élevé (facteur 10)
L'électronique doit intégrer de plus en plus de fonctionnalités et comporte donc plus de composants. Ce qui rend le
niveau de fiabilité d'autant plus difficile à atteindre.
3.2. Pour l'entreprise
Au niveau de l'entreprise, deux aspects majeurs sont à considérer :
Les contraintes induites par le Client à travers les spécifications, les standards ou normes à appliquer, auxquels
s'ajoutent les règles de l'art à respecter.
La culture d'entreprise qui peut s'exercer dans les sens :
o négatif, lorsque la nouvelle méthodologie se heurte à des habitudes bien ancrées ;
o positif, lorsqu'elle est considérée comme un enrichissement.
3.2.1. Les contraintes induites par les Clients :
les exigences produits sont de plus en plus élevées : exigences fonctionnelles, environnementales (évolution
permanente des normes), opérationnelles (typiquement 2), de disponibilité …
la mise sur le marché : les temps de développement de plus en plus court même pour les programmes aéronautiques
importants
le coût : les produits doivent être compétitifs et rentables très rapidement, ce qui n’est plus une exception
aujourd’hui dans le secteur aéronautique.
3.2.2. La culture d'entreprise :
l’organisation de Technofan comporte un département R&D dont les activités sont tournées vers la conception de
nouveaux équipements associée à un processus qualité de développement rigoureux. Ce département intègre un
service R&T (Recherches & Technologie) dont la veille technologique constitue un axe de travail important.
de plus Technofan est, depuis longtemps, fortement attaché aux notions de satisfaction client, efficacité technique,
rentabilité….
la conformité aux exigences normatives aéronautiques (DO160, ABD100…) et militaires (MIL-STD-461…) de
l’ensemble des équipements a permis la maîtrise des essais de qualification. Ceci constitue un métier à part entière
chez Technofan, qui est géré par un service Essais très attentif aux évolutions des normes, des méthodologies et
moyens d’essais,
la personnalisation des essais est un concept parfaitement intégré et prend en compte les différents profils de
mission pour lesquels les ventilateurs Technofan sont conçus.
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4. REPONSE APPORTEE
Les bases de la problématique sont :
une meilleure connaissance des produits pour vérifier leur adaptation aux exigences accrues,
une accélération de la maturité produit pour répondre aux contraintes économiques,
un meilleur niveau de fiabilité pour satisfaire les exigences de disponibilité.
La réponse a été apportée par la mise en œuvre de la démarche dite "essais aggravés" qui s'est concrétisée par une
campagne d'essais HALT, en s'appuyant sur :
Une réflexion interne chez Technofan : acquisition de la démarche, décision d'application sur un produit nouvelle
génération pour en tirer directement les bénéfices pour ensuite une généralisation d’une méthodologie d’essais
applicable à l’ensemble des électroniques Technofan
Un apport externe : expertise d'un concepteur en électronique (ADETEL), pour la démarche d’analyse produit
(défaillances – contraintes), et pour la démarche de construction d’un programme d’essais.
Essais HALT :
La méthodologie HALT permet l’application des contraintes pouvant révéler un maximum de défaillances représentatives
des conditions opérationnelles. Certaines contraintes du type humidité ou brouillard salin ne sont pas appliquées, les
défaillances révélées par ces contraintes sont très minoritaires.
Les avantages supplémentaires du HALT sont les suivants :
• méthodologie qui se généralise notamment chez les avionneurs et commence à être reconnue
• bonne connaissance du côté des essayeurs : l’expertise de SOPEMEA permet entre autre la modification
des paramètres d’essais en temps réel.
5. MISE EN OEUVRE DU HALT
5.1. Construction d’un programme d’essais
Pour être efficaces et rentables, les essais aggravés s'appuient sur une méthodologie de mise en œuvre structurée. Cette
méthodologie doit être admise et comprise par les différents acteurs.
Il est avant tout essentiel de connaître le comportement du produit, les risques attendus et ses réactions aux contraintes
qui lui seront appliquées de façon à pouvoir statuer sur les défaillances qui seront trouvées et décider des actions à
entreprendre. Cette connaissance est en effet nécessaire pour pouvoir établir le spectre prévisionnel de défaillances et
leurs mécanismes de façon à déterminer quels seront ceux d'entre eux qu'il sera ou ne sera pas possible d'activer. On
pourra alors déterminer les contraintes les plus appropriées à cette activation de manière à les appliquer dans les essais
aggravés sous réserve de pouvoir disposer des moyens disponibles.
La démarche complète se décompose ainsi en cinq séquences principales :
l’analyse des défaillances potentielles,
la sélection des contraintes applicables,
l’élaboration du plan d’essais,
la réalisation des essais,
l’exploitation des résultats et la mise en œuvre des actions correctives.
Cette démarche conduit à une définition des essais personnalisée à chaque produit et à chaque entreprise.
L'analyse des défaillances potentielles a permis de mettre en évidence un certain nombre de défaillances possibles telles
des claquages de composants, des ruptures de soudures, des dérives de composants, ... Il a alors été facile de vérifier
que les contraintes utilisées dans les essais de type HALT étaient adaptées à l'excitation des mécanismes des
défaillances redoutées.
Le programme d'essais à pu ainsi être établi sur la base des caractéristiques des composants à risques, les résultats
d'essais précédents et l'expertise du concepteur.
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5.2.
Préparation des essais
La mise en œuvre des essais HALT nécessite de vérifier en permanence le bon fonctionnement du produit, objet de
l'essai. Pour cela, il est donc nécessaire de prévoir des outillages permettant d'assurer le fonctionnement et le contrôle du
produit. Il a donc été nécessaire de réaliser :
Un interface électrique,
Un interface mécanique,
Des boîtiers de test,
Des charges,
Des boîtiers de contrôle
L'importance des outillages est lié au fait que l’électronique est déportée de sa charge (le ventilateur). Ceci a représenté
une difficulté et un investissement en soi qui est aujourd’hui une capitalisation pour Technofan
L'agencement de ces outillages est représenté dans la figure ci-dessous.
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Table enceinte
Equipement
Interface
mécanique
Phases moteur
Carte
puissance
J6
Faisceau
avion
J5
Carte
command
e
Toron alimentation
Enceinte de test
tension phase
Boîtier de test
(simulation système)
tension
courant
Monitoring
U phase et N
ventilateur
vitesse Ventilateur
(charge)
Faisceau capteurs
0V
28V
Monitoring
I alim , U alim et
températures
équipement
Alimentation
Environnement de test de l’ONDULEUR 20A
L'autre point important de la préparation des essais a été la définition et l'instrumentation de l'échantillon. Le nombre
d’échantillons à tester doit être correctement identifié de sorte à être sur de pouvoir dérouler le programme d’essais dans
sa globalité et surtout de révéler un maximum de défaillances en fonction des contraintes qui seront appliquées.
La taille des électroniques Technofan permet en général de tester 2 équipements en même temps pour chaque essai.
Ceci a pour avantages :
de ne pas arrêter un test si une défaillance fonctionnelle ou « prématurée » intervient à gain de temps de test
de bénéficier des résultats sur une population plus large d’équipements à une meilleure confiance pour globaliser
les résultats
minimiser au maximum les réparations à pas de soucis de ressources matérielles pour effectuer des réparations et
également gain de temps de test
L’inconvénient est que les ressources de test (outillage) sont doublées.
Le nombre d’équipements prévu pour l’ONDULEUR 20A était de 8 :
2 pour les essais progressifs en température (froide et chaude)
2 pour les essais de vibration
2 pour les essais combinés
2 en réserve (rechange)
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Disposition du produit dans l'équipement d'essais Halt
7. COMMENTAIRES
7.1.
Marges de robustesses révélées
Ces essais nous apportent une meilleure connaissance des domaines de fonctionnement de l’onduleur 20A notamment
des marges de robustesse par rapport aux limites spécifiées pour chaque contrainte :
la marge de robustesse à froid de l’équipement est très satisfaisante.
la marge à chaud est moins importante mais satisfaisante.
la marge en cycle thermique est aussi très satisfaisante compte tenu des « chocs » appliqués (70 °C/min).
les essais de vibration révèlent également une bonne marge.
la marge en puissance est satisfaisante, en particulier avec une température amb iante de 90 °C.
7.2.
Fiabilité
Au vu des défaillances révélées par rapport aux défaillances suspectées, l’onduleur 20A se révèle fiable. Les marges de
robustesses observées nous confortent dans la fiabilité de l’électronique pour une utilisation dans son domaine spécifié.
Néanmoins le point le plus sensible est la contrainte de température chaude, la marge est faible compte tenu des 85 °C
spécifiées, la température ambiante boîtier doit être maintenue inférieure à 100 °C (au niveau de la carte commande) pour
conserver les performances nominales de l’électronique. La fiabilité est fortement dégradée dès que la température
augmente au delà de cette limite.
Des améliorations peuvent être faites pour renforcer la tenue mécanique de certains composants. Le durcissement des
cartes avec un enduit spécifique a démontré son efficacité pour améliorer la tenue mécanique notamment lorsque
l’électronique est soumise à des contraintes de vibration combinées à des chocs thermiques.
Egalement le renfort des torons au niveau des connecteurs pourrait être envisagé, néanmoins cette défaillance est
apparue pour un niveau de vibration de plus de 35 g, contrainte qui ne semble pas envisageable en fonctionnement
normal.
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7.3. Apports et bénéfices pour l'entreprise
Les résultats des essais sont exploitables immédiatement et/ou exploitables pour d’autres applications :
pour connaître exactement les domaines de fonctionnement de l’électronique et vérifier notamment la conformité à la
spécification technique,
pour justifier d’un niveau de fiabilité et éventuellement remettre en cause des choix de conception,
pour justifier vis à vis d’un client des marges de robustesse par rapport à une inquiétude sur un point de
fonctionnement particulier,
pour utiliser cette électronique dans un équipement la sollicitant de manière plus sévère (notamment en puissance),
pour expliquer par extrapolation des pannes constatées sur des électroniques équivalentes suite à des conditions
opérationnelles particulières (température ambiante élevée, …).
Capitalisation : cette expérience a été capitalisée à travers le suivi de ces essais (1 semaine chez SOPEMEA) mais
également par mise en place d’une instruction générale d’essais, permettant de généraliser à l’ensemble des
électroniques Technofan la méthodologie d’essais HALT qui intègre également l’ensemble des pré requis
nécessaires à la préparation des essais. La réussite de cette campagne d’essais, communiquée en interne dans la
société, doit permettre l’intégration progressive de ce type démarche dans la culture d’entreprise.
7. CONCLUSION
Technofan a pris toutes les mesures de ce que représente la mise en place d’une campagne d’essais HALT et des
bénéfices qu’elle peut en retirer.
L’expérience a été riche en retour, autant sur la phase préparatoire que pour les essais eux-mêmes et l’interprétation des
résultats. La satisfaction est globale, et génère un vif intérêt pour ce type d’essais de la part de différents acteurs au sein
même de Technofan.
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