LA SUPERVISION INTÈGRE TOUS LES STANDARDS ... - Mesures

Solutions Reportage
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ACQUISITION DE DONNÉES
LA SUPERVISION
INTÈGRE TOUS
LES STANDARDS
DU BANC D’ESSAI
Reportage
Vu
chez
Clemessy
■ Face au succès de son activité bancs d’essais
pour applications aéronautiques et spatiales,
Clemessy a décidé de standardiser ses solutions,
essentiellement pour réduire les coûts. Si une
large souplesse est proposée au niveau des équi-
pements et logiciels d’acquisition et de contrôle du banc, la préparation
des essais, la supervision des opérations et l’archivage
des informations font appel à un standard unique : le superviseur
WinCC de Siemens, retenu notamment pour sa base de
données relationnelle intégrée et sa capacité à s’interfacer aux
logiciels d’acquisition et de contrôle…
Il y a maintenant 35 ans, Clemessy était sollicité
pour réaliser les équipements de la
centrale électrique du site du Cnes à Kourou.
Ainsi démarrait l’activité “Aéronautique
et Spatial” de Clemessy, devenu par la suite
un département à part entière de la société,
qui a connu un développement important au
fil des ans puisqu’il emploie aujourd’hui environ
220 personnes pour un chiffre d’affaires de
l’ordre de 230 MF. Une bonne partie du savoirfaire
d’ensemblier en systèmes électriques de
Clemessy est présente dans le département
“Aéronautique et Spatial” dirigé par Christian
Holder: systèmes de contrôle-commande du
segment sol, exploitation et maintenance, sécurité,
distribution d’énergie, etc. En plus de ces
activités “traditionnelles”, Clemessy a développé
une compétence en bancs d’essais, qui lui vaut
d’être aujourd’hui présent chez les principaux
opérateurs du secteur Aéronautique et Spatial
(Cnes, Arianespace, EADS-LV, Eurocopter, Astrium, Snecma,
etc.). Le marché s’est considérablement
développé ces dernières années. «Il y a au
moins deux explications à cela. La principale
tient au fait que le Spatial est devenue une véritable
industrie, avec une production en série
Clemessy
ayant de fortes exigences en qualité donc des
besoins importants en moyens de contrôle, et
particulièrement en bancs d’essais de qualification.
Autre explication, les technologies évoluent,
les bancs d’essais existants doivent être
périodiquement remis à niveau, avec de nouvelles
fonctionnalités», explique Alain Sauvage,
ingénieur technico-commercial au département
Aéronautique et Spatial à Clemessy.
Simuler électriquement les batteries ou les panneaux
solaires d’un satellite, tester des réacteurs
d’avions, contrôler l’équilibrage des pales
d’hélicoptères, tester les moteurs des lanceurs
d’Ariane ou les moteurs des satellites et de missiles:
ces quelques exemples de réalisations de
Clemessy témoignent de la diversité des besoins.
Dans ces conditions, il n’est évidemment pas
question de développer un banc d’essai standard,
que l’utilisateur paramétrerait en fonction
de son besoin. Toute application exige donc
de faire du surmesure. Avec une exigence qui
prend de plus en plus de poids: le prix! L’univers
des industries aéronautique et spatiale est
impitoyable et la réduction des coûts est devenue
un leitmotiv. Cette contrainte est présente
à tous les niveaux, jusqu’aux bancs d’essais.
«Ceci nous a conduits à rechercher de nouvelles
approches. Nous avons imaginé une
architecture générique, flexible et ouverte, c’està-dire
qui soit capable de répondre à la diversité
des besoins, tout en réduisant les développements
spécifiques», explique M. Sauvage.
Cette architecture a été baptisée SyBench,
contraction des mots anglais “Sy” (système)
Les matériels
d’acquisition et de
contrôle des bancs
d’essais SyBench
développés par
Clemessy varient
d’un banc à l’autre,
en fonction des
équipements déjà
en place ou des
besoins de l’application
(en termes
de voies, de vitesse,
de précision,
etc.). Les baies intègrent
les systèmes
d’acquisition PXI et
de conditionnement
SCXI de
National
Instruments ainsi
que le calculateur
de contrôle du
banc basé sur deux
unités centrales
Motorola PPC750
sur bus VME.
MESURES 733 - MARS 2001

et “Bench” (banc d’essais). Elle intègre
l’ensemble des processus nécessaires à l’exploitation
des moyens de tests et d’essais: spécification
puis préparation des essais, conduite et
pilotage des essais et enfin exploitation des
données (voir encadré “Les processus d’essais
intégrés dans SyBench”).
Une architecture fonctionnelle
L’architecture SyBench est hétérogène… un
peu par la force des choses. En effet, explique
M. Sauvage, «aucun fournisseur n’a une offre
complète, notamment dans le domaine de la
mesure. D’autre part, il faut aussi tenir compte
du “vécu” des industriels, qui souhaitent
préserver certains de leurs investissements
tant en matériel qu’en logiciel». Pour en tenir
compte, SyBench offre un maximum de souplesse
au niveau de la partie “contrôle et
acquisition”, afin de réaliser des configurations
allant de quelques voies d’acquisition à
plusieurs centaines, avec des fréquences
d’acquisition généralement de 100 Hz à
100 kHz et des incertitudes de 10 -2 à 2.10 -4 .
Les processus d’essais intégrés dans SyBench
■ L’architecture fonctionnelle de SyBench a
été conçue pour prendre en compte les différentes
étapes d’une procédure d’essais,
depuis la spécification jusqu’à l’exploitation
des résultats et la traçabilité des essais.
➊ Spécification des essais
Le point de départ, c’est bien sûr le cahier des
charges des essais. Le processus d’essais sera
conçu en prenant en
comp-
te les caractéristiques
techniques des moyens
d’essais disponibles, les informations sur le
spécimen de l’équipement à tester et également
les informations de l’Assurance Qualité
pour la définition de la procédure d’essais. En
combinant toutes ces informations, il est
possible de définir les moyens d’essais qui
seront utilisés et les paramètres du programme
d’essai du spécimen.
➋ Préparation des essais
SyBench fournit des outils d’aide à la configuration
du banc, aussi bien de la partie mécanique
que des chaînes de mesure et des
automatismes. Il permet à l’opérateur le
paramétrage du programme d’essais, la
configuration des traitements de données et
la validation du programme d’essais par
simulation.
L’exploitant peut ainsi se constituer une base
de données de programmes d’essais type et
capitaliser son savoir-faire.
➌ Pilotage des essais
SyBench propose plusieurs modes de
marche : automatique, manuel, pas à pas,
simulation. L’interface homme-machine,
conçue avec le superviseur WinCC de Siemens,
permet à l’opérateur de suivre le
déroulement de l’essai (avec des synoptiques
de conduite, des courbes de tendance, une
supervision des alarmes, une consignation
des événements, etc.).
Les automatismes intégrés assurent un
contrôle en temps réel du fonctionnement du
banc, assurent une datation très précise (à la
milliseconde près) des événements et gèrent
les sécurités. Le contrôle du spécimen peut
être effectué au travers d’une interface 1553.
➍ Collecte des mesures
Tous les modes d’acquisition sont proposés
(continu, transitoire, sur événement), avec
synchronisation interne ou externe. On trouve
à ce niveau les multiples fonctions nécessaires
à une acquisition de données : amplification
et filtrage, conversions en unité
physique et calculs (pour obtenir la valeur
efficace par exemple), analyse du signal en
temps réel (FFT), archivage en temps réel sur
disque, etc.
➎ Exploitation des données d’essais
Les données
enregistrées en
valeurs brutes,
électriques et
physiques peuvent
être soumises
à des traitements
complémentaires
d’analyse et de
caractérisation et
être par exemple
visualisées sous
forme graphique
2D/3D. Il est possible
de rejouer le
scénario d’essai
en changeant les
paramètres de
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Post-traitement
des données
Pour répondre à ces besoins, tout en laissant
la possibilité à l’utilisateur de conserver ses
équipements existants, SyBench peut être bâti
en faisant appel à une vaste panoplie de frontaux
de contrôle et d’acquisition. Les platesformes
matérielles peuvent être basées sur des
bus VME, VXI, CompactPCI, PXI ou PCI pilotées
par des logiciels aussi divers que VxWorks
(de WindRiver), ISaGRAF (de CJ International),
LabVIEW (de National Instruments), WinAC (de
Siemens) ou Matlab/Simulink (de The Math-
Works).
conversion et bien sûr
d’établir un rapport
d’essais stocké dans
la base de données.
➏ Traçabilité des
essais
Le stockage et
la gestion des
informations
se font dans la
base de données relationnelle.
Toutes les informations liées à
l’essai sont archivées : identification de l’essai
et du spécimen, références de la spécification
d’essai, métrologie et paramètres des chaînes
de mesure, configuration, conditions et résultats
de l’essai.
Le modèle conceptuel de la base de données
SyBench établit les relations permettant de
connaître et de restituer pour chaque essai,
les informations caractéristiques de
l’ensemble des processus en jeu. Toutes ces
informations peuvent être sauvegardées sur
support magnétique ou optique.
ARCHITECTURE FONCTIONNELLE DE SyBench
Conditionnement
SYSTÈME D’INFORMATION
CONTRÔLE COMMANDE
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MESURE
Préparation
Essais
Acquisition
Conduite
Supervision
Essais
Conduite
temps-réel
Essais

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L’architecture d’un banc SyBench se caractérise par une séparation très nette entre la partie
acquisition/contrôle et la partie supervision. Le superviseur, un WinCC de Siemens, s’interface
d’une part avec les équipements et les logiciels d’acquisition et de contrôle, quels que soient les
standards auxquels ils font appel et d’autre part avec une base de données Oracle via sa propre
base de données locale SQL-AnyWhere de Sybase.
Certains essais durent à peine quelques
secondes et supposent d’acquérir un grand
nombre de signaux de mesure, ayant parfois
des fréquences élevées (c’est le cas des mesures
de vibrations, par exemple), et avec une datation
précise. Cette partie “acquisition” est en
outre intimement couplée à la partie “contrôle”,
chargée de gérer l’enchaînement des opérations
et la surveillance des alarmes. Les
contraintes du temps réel sont souvent serrées.
De plus, l’application nécessite parfois
une puissance de calcul élevée, comme
c’est le cas par exemple des essais de
moteurs de lanceurs, qui s’opèrent avec
un modèle de simulation de vol contrôlé
Alain Sauvage
Ingénieur Technico-Commercial
Chez Clemessy
en temps réel. « Pour ces raisons, la partie
“contrôle” de SyBench est en général confiée à
un calculateur sur bus VME et opérant sous
le système d’exploitation temps réel VxWorks.
La séquence d’essais est programmée en langage
GRAFCET ce qui est une innovation dans
ce milieu plutôt habitué à la programmation
informatique», souligne M. Sauvage. Selon la
taille et les contraintes de l’essai, les parties
contrôle et acquisition peuvent être confiées à
deux ou trois cartes processeur. Les architectures
à trois cartes processeurs sont plutôt
réservées aux applications exigeantes: un processeur
est chargé du contrôle-commande,
un autre est chargé de la simulation en temps
réel et le troisième de la partie acquisition.
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ISaGRAF se voit en général confier le contrôle-commande
du banc. Il présente l’intérêt
d’utiliser le langage GRAFCET, connu des
automaticiens, facilitant la reconfiguration du
banc. Il permet aussi de simuler le fonctionnement
du banc d’essai lors de la phase de
validation du programme d’essai et de visualiser
l’état des variables durant l’essai. De plus,
ISaGRAF est indépendant de la machine
cible et du système d’exploitation
embarqué. Ceci dit, il est limité en
terme de déterminisme car fonctionnant
sur la base d’un cycle de
l’ordre de quelques millisecondes
variant selon la taille de l’application
et la puissance du processeur.
Cela impose de confier les
applications critiques en temps
Déjà quelques références
■ Les premiers pas du concept de SyBench
remontent à 1999. Depuis plusieurs installations
ont été livrées et fonctionnent ou sont
en cours de réalisation, notamment chez
Bayern-Chemie Aschau (EADS) pour les essais
de propulseurs dans le domaine de l’aéronautique
(3 bancs d’essais), Astrium Lampoldshausen
(EADS) pour les essais de propulseurs
dans le secteur du spatial (4 bancs d’essais) et
Astrium Brême (EADS) pour le banc d’intégration
des circuits fluides de Ariane 5 et du
module ATV de l’ISS.
réel, comme la surveillance des alarmes ou
des contrôles rapides, à des tâches prioritaires
écrites en C++ et directement contrôlées par
le système d’exploitation temps réel VxWorks
pour garantir des déterminismes de l’ordre
de 100 µs.
Avec SyBench, il est aussi possible de coupler
en temps réel une application d’acquisition
programmée en LabVIEW avec une application
d’automatisme résidente, soit dans le
même châssis PCI (dans le cas d’une carte
coprocesseur automate comme WinAC de Siemens),
soit dans un système VME (couplage
par bus MXI-2). Avec LabVIEW, Clemessy garantit
un déterminisme de 5 ms pour l’acquisition
et la mise à disposition pour l’automatisme
de 160 mesures.
Certains bancs SyBench comportent aussi des
automates programmables, mais ceux-ci sont
en général chargés de fonctions annexes comme
par exemple le contrôle des fluides et des
auxiliaires (carburants, vide, etc.).
WinCC supervise le banc
Pour réaliser les parties “contrôle et acquisition”
de SyBench, Clemessy a adopté une
démarche d’intégrateur de produits standards
du marché, comme elle le fait pour les applications
industrielles classiques. Le client est
en grande partie prescripteur des équipements
à utiliser compte tenu des exigences de son
cahier des charges et des standards déjà en
place sur son site.
Au niveau de la supervision, par contre, Clemessy
a été beaucoup plus directif. Dès 1999, au
moment où a été développé le concept SyBench,
elle avait décidé qu’il y aurait un système de
configuration unique, qu’elle que soit l’architecture
du système de contrôle et d’acquisition.
Clemessy connaît les principaux progiciels
de supervision du marché, qu’elle intègre dans
ses applications d’automatismes. Pour SyBench,
elle a retenu WinCC de Siemens, parce qu’il
répondait à ses exigences techniques mais aus-
Ces bancs viennent s’ajouter à la vingtaine de
bancs d’essais ou de tests déjà livrés par le
département “Aéronautique et Spatial” de
Clemessy. Les activités de ce département
sont très diversifiées : systèmes de contrôlecommande
d’équipements au sol (aéroports,
pas de tir, etc.), moyens d’exploitation (pour
environnements d’essais et de tests, et centre
de mission), salles blanches, maintenance et
exploitation, sécurité, distribution d’énergie
électrique, courants faibles…
MESURES 733 - MARS 2001

STRUCTURE DE LA BASE DE DONNÉES LOCALE SyBench
Le superviseur WinCC intègre une base de données locale dans laquelle sont stockés
l’ensemble des informations liées à l’essai, aussi bien les paramètres de configuration que les
résultats des essais. Cette base de données s’interface aux divers équipements de contrôlecommande
du banc ainsi qu’à la base de données centrale Oracle.
si aux critères concernant le fournisseur: «Nous
recherchions un partenaire réactif, autonome,
ayant une stratégie claire sur le long terme et
ayant une forte présence sur le marché européen»,
résume M. Sauvage. Une collaboration
très étroite s’est instaurée entre Clemessy et Siemens,
dans le cadre d’un “contrat intégrateur”
WinCC Professional. Siemens a mis sur pied une
structure spécifique dédiée à ce type de contrat,
afin d’offrir un maximum de réactivité. Le
constructeur peut aller jusqu’à réaliser des développements
spécifiques pour l’intégrateur.
Mais, bien entendu,
les critères techniques
ont été décisifs
dans les choix
de WinCC. Parmi
ces critères figure
le fait que
WinCC intègre
une base de
données relationnelle
standard du
marché
(SQL-
Anywhere
de
Sybase).
«Cela a été
déterminant. La base de
données nous permet de réaliser l’inté-
gration des fonctions par les données tout en
assurant la cohérence de l’information du système»,
commente M. Sauvage. Les différents
modules standards de WinCC stockent leurs
données dans la base de données: alarmes et
événements avec horodatage à la source et résolution
à la milliseconde, données des courbes
historiques et de tendances. Tout aussi important
que la base de données intégrée, il y a
l’ouverture. «WinCC est très ouvert, ce qui nous
a permis d’y intégrer de nombreuses fonctions
spécifiques», explique M. Sauvage. La fourniture
de kits de développements participe à cette
ouverture. Par exemple, le kit CDK (Channel
Development Kit) permet de personnaliser le
driver de communication et d’intégrer un pilote
pour un protocole particulier; dans SyBench,
WinCC communique avec les frontaux de
contrôle et aussi d’acquisition.
Le protocole utilisé repose sur les data-sockets de
TCP/IP et fonctionne aussi bien dans l’environnement
Windows NT que VxWorks. Dans
un système d’acquisition opérant sous Windows
NT avec LabVIEW, le driver de communication
est implémenté dans un serveur ActiveX
dont les méthodes et propriétés sont
invoquées par le programme écrit en LabVIEW.
La configuration des échanges de données entre
serveurs d’acquisition et de contrôle et clients
WinCC est transparente par rapport à la configuration
d’essais. Chaque abonné, client ou serveur,
est initialisé par la liste des tags (repères)
Solutions Reportage
et leurs attributs de communication définis
dans la base de données de SyBench et transmis
par un fichier CSV de configuration.
Du fait de serveurs de données également opérant
sous VxWorks, OPC n’a pas été implémenté
dans une première étape. «Mais pour
répondre à la demande du marché, nous prévoyons
de doter prochainement les serveurs
SyBench opérant sous Windows du protocole
OPC, WinCC étant déjà pourvu d’une prise
client OPC», précise M. Sauvage.
Autre exemple, le kit ODK (Open Development
Kit) décrit les interfaces de programmation
qui permettent aux programmes
applicatifs spécifiques à SyBench d’accéder à
la base de données de WinCC ainsi qu’aux
fonctions de la configuration et du système
exécutif de WinCC. D’autre part, la base de
données SQL-AnyWhere a été étendue pour
les besoins d’applicatifs spécifiques tels que
la configuration centralisée du système SyBench,
liste des tags, description de la configuration
matérielle (châssis-cartes-slots-voies) et
des canaux d’acquisition (fréquence d’acquisition-gain-filtre),
la préparation des essais
(paramétrage et aide à la configuration du
banc), l’aide à la calibration des chaînes de
mesure, la gestion des étalonnages des capteurs,
la traçabilité des essais, etc.
Toutes ces fonctions sont développées soit en
langage Delphi d’Inprise ou en Visual Basic et
utilisent des contrôles ActiveX intégrés avec
WinCC.
Pour l’analyse graphique et mathématique des
données, LabVIEW et les contrôles ActiveX
standards de National Instruments ou shareware
permettent de solutionner économiquement
la plupart des besoins.
L’archivage longue durée ainsi que la base de
données centrale qui consolide les informations
pour un département Essais est réalisée
généralement sur une base Oracle avec laquelle
la base de données locale SyBench (une par
banc) est connectée via des requêtes SQL.
La possibilité d’adapter l’architecture à
l’application a également plaidé en faveur
de WinCC. Dans une application simple, on
se contentera d’une station opérateur monoposte
voire d’un panel PC. Dans une application
un peu plus évoluée, on pourra avoir
une architecture client-serveur multiposte,
voire une architecture multiserveurs avec
une base de données répartie. Et lorsque
l’application l’impose, il est possible de réaliser
des applications avec serveurs redondants.
Jean-François Peyrucat
Clemessy - Département Aéronautique et Spatial
BP 2499 - 68057 Mulhouse Cedex
e-mail: a.sauvage@clemessy.fr
Tél.: 03 89 32 30 54 - Fax : 03 89 32 33 83
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