Mise en oeuvre de dispositifs d’enregistrement des contraintes environnementales sur des équipements électroniques Implementation of time stress measurement devices on-board electronic equipment *

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Bruno Foucher*, Vincent Rouet , Bernard Sutra**, Michel Burtin**, Serge Barbagelata , *** **** **** ***** Valérie Le Dortz , Jean-Marc Alec , Michaël Mardirossian , Michel Bertrand * ** EADS CCR - Suresnes, THALES Systèmes Aéroportés - Elancourt, ***

EUROCOPTER - Marignane, **** MBDA - Châtillon, ***** EADS LV - Les Mureaux

Résumé La connaissance des cycles de vie réels des équipements est primordiale pour l’évaluation de leur fiabilité : les marges de conception, les spécifications de fiabilité, les besoins en pièces de rechange et la sécurité sont tous fortement affectés par cette connaissance. Corrélée aux retours de faits techniques, cette connaissance apportera également des améliorations dans l’identification des modes de défaillance et, plus généralement, une diminution possible des défauts non confirmés ou NFF (No Fault Found). Cet article présente les premiers résultats d’un programme de recherche visant à la mise en œuvre de dispositifs commerciaux d’enregistrement des contraintes environnementales ou « Time Stress Measurement Device (TSMD) » à bord d’hélicoptères et de postes de tir missile. Abstract The knowledge of real life cycle of equipment is of utmost importance as far as reliability is concerned: limits of design, reliability requirements, spare part level and safety level are all highly impacted. Related to field failure analysis, this will also bring improvements in the knowledge of failure modes as well as an expected decrease in NFF (No Fault Found) rate. This paper will present the first results of an on-going research programme dedicated to the implementation of a commercial Time Stress Measurement Device (TSMD) onboard helicopters and firing posts for a one-year field use.

1. INTRODUCTION Ce programme vise à décrire les cycles de vie réellement subis par un équipement et à collecter toutes les données accessibles pendant le déploiement (surcharges, défaillances, …). Pour cela, les partenaires ont travaillé suivant le plan de la figure 1.

Figure 1: plan de travail Astelab 2003

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Mise en œuvre de dispositifs d’enregistrement des contraintes environnementales sur des équipements électroniques Nous allons d’abord décrire le plan de travail et les résultats attendus. Ensuite, nous examinerons les différentes entrées nécessaires : les défaillances (génériques ou dépendantes de l ‘application), l’analyse des contraintes, et l’analyse de l’état-de-l’art. Le produit TSMD, choisi sur étagère et adapté à nos besoins, sera présenté ainsi que son intégration à bord des systèmes porteurs. Nous conclurons avec les premiers résultats.

2.

PLAN DE TRAVAIL

2.1.

Résultats attendus

La connaissance des différentes phases de vie subies par un équipement constitue la principale sortie d’un tel déploiement. Cette fonction « livre de bord » peut être élargie à d’autres informations : analyses des surcharges, des NFF, corrélation avec des événements environnementaux, analyse des modes de défaillance (et étude des modèles de défaillance), etc. Il convient toutefois d’être attentif car ces informations complémentaires sont recueillies par un produit défini d’abord pour satisfaire une fonction « livre de bord ». Même si la partie matérielle est identique selon les fonctions, la fonction logicielle adaptée à chaque fonction est forcément différente. Toutefois, d’autres résultats peuvent également être atteints : • Le besoin d’adapter un TSMD commercial à deux applications différentes permet d’obtenir un TSMD bas coût adaptable à beaucoup d’autres applications courantes, • Le déploiement par l’utilisateur final permet d’accroître la connaissance de ces produits : leur utilisation, le recueil des données, leur analyse, le choix des paramètres environnementaux critiques, etc.

2.2.

Description des tâches

La figure 1 décrit les différentes tâches. Les premières étapes sont constituées de quatre tâches : • Analyser les applications potentielles et, ainsi, lister et analyser leurs caractéristiques environnementales, identifier les besoins en capteurs adaptés, écrire les premières spécifications techniques, • Analyser les chiffres des retours de faits techniques génériques et dépendants des applications pour identifier et choisir les équipements sensibles et ainsi compléter la liste des capteurs nécessaires, • Analyser le plan de maintenance pour comprendre et lister les contraintes liées à l’utilisation des données recueillies dans ce plan, • Analyser le marché des TSMD existants, capables de répondre à nos besoins et nos applications. Tout cela conduit à la définition d’une Spécification Technique de Besoin identique pour toutes les applications et, en particulier, pour les deux déploiements prévus. A partir de là, le choix d’un TSMD est fait parmi les produits disponibles sur le marché. Ce dernier est ensuite adapté à notre besoin, comme par exemple la compatibilité électromagnétique. Une Spécification Technique du produit final est alors écrite. Un logiciel associé d’analyse des données est également développé. Des mesures permettent de vérifier que les produits (matériel et logiciel) répondent bien à la spécification. L’étape suivante est l’intégration de quelques-uns uns de ces TSMD à bord des équipements retenus chez l’utilisateur final. La formation des équipes de l’utilisateur sur ces produits est également prévue. Des mesures sont également faites pour caractériser le produit et vérifier son fonctionnement et son innocuité vis à vis de son environnement. L’étape suivante est le déploiement qui dure de plusieurs mois à un an. L’analyse finale compare les résultats aux attentes.

3.

ANALYSE DES BESOINS ET DES APPLICATIONS

3.1.

Analyse des environnements des applications

Quatre systèmes différents sont étudiés, ce qui détermine les contraintes suivantes : • L’environnement dépend fortement de l’emplacement de l’équipement sur/dans le système ; la connaissance d’un tel environnement local nécessite un TSMD très petit ou des capteurs déportés, • L’autonomie (aucune interaction avec l’alimentation du système), • L’innocuité (l’équipement ne doit pas être perturbé). Selon l’analyse des applications, voici ce qu’il est nécessaire de mesurer : • Vibrations et chocs, • Humidité et température, Astelab 2003 16 - 2

Mise en œuvre de dispositifs d’enregistrement des contraintes environnementales sur des équipements électroniques • Alimentation. La foudre et la compatibilité électromagnétique sont aussi examinées, mais le besoin pour ces grandeurs est bien moins important.

3.2.

Besoins liés à l’intégration dans un plan de maintenance

Des systèmes militaires et civils sont étudiés dans leurs composantes système de test intégré et analyse des retours de faits techniques. Dans les conclusions, il apparaît que les données récupérables sont importantes pour : • La fonction « livre de bord » pour les phases « mémoire » et « apprentissage/analyse», • La fonction « boîte noire » pour les phases « enregistrement » et « expertise », Cette étude a aussi mis en avant les contraintes suivantes si le TSMD doit être mis en œuvre avec les structures de test intégré existantes : • L’autonomie du TSMD est en contradiction avec le recueil des données au travers du Système Logistique Intégré (SLI), • Le format des données et les bus doivent être compatibles avec le système de test intégré, • L’horloge de référence du système et celle du TSMD doivent être synchrones.

3.3.

Analyse des retours de faits techniques

Une analyse des données bibliographiques sur les retours de faits techniques est présentée en figure 2. La conclusion principale concerne les trois groupes principaux de défaillances : EOS/ESD, NFF et contraintes environnementales en ordre décroissant d’importance. D’autres analyses faites sur quatre équipements électroniques pour l’aéronautique pendant une période de 10 ans montrent de 49 % à 60 % de NFF, et pour les 51 % à 40 % restant, la moitié est due aux contraintes environnementales. Ceci montre que l’analyse doit se concentrer sur les liens possibles entre les modes défaillances (NFF, EOS) et les événements environnementaux (chocs mécaniques ou électriques, …). Ces chiffres sont également utiles pour confirmer les choix des capteurs nécessaires à nos applications (par exemple, ceux pour les chocs électriques).

Figure 2: analyse bibliographique des défaillances L’analyse des défaillances connues des systèmes prévus pour le déploiement identifie les équipements les plus sensibles pour lesquels des défaillances ou des événements peuvent se produire pour des durées d’utilisation raisonnables : • Sur l’application sur poste de tir, deux radars et une alimentation (tous à bord d’un même poste de tir), • Sur l’application hélicoptère, seront surveillés différents équipements à bord de deux types de machines. Astelab 2003

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3.4.

Analyse du marché

Au cours de cette phase, 34 brevets sont étudiés et 16 produits « sur étagère » sont retenus qui répondent à nos besoins en première analyse. Globalement, ces produits ont les caractéristiques suivantes : • Aucun n’est durci, • La gamme de température spécifiée est de - 40/+ 85 °C, • L’autonomie est supérieure à 6 mois, • La masse vaut entre 300 et 400 g, • 3 à 5 capteurs sont inclus ou raccordables (température, humidité, pression et des accéléromètres trois axes), • Les dimensions sont d’environ 150 x 100 x 50 mm, • Les quantités produites avoisinent quelques centaines par an (par modèle), • Les prix varient de 1,5 à 3 k€, • Il y a très peu de nouveau produit chaque année, • La taille habituelle de mémoire est de 128 k Bytes, • Les piles sont des piles Lithium, • Le taux d’échantillonnage en fréquence est inférieur à 1200 Hz. Une feuille d’évaluation est établie qui permet de retenir le produit Waveshock de Sensorex pour base de notre produit. Cette matrice d’évaluation indique également quelles améliorations et adaptations sont nécessaires. Plus généralement, des travaux technologiques ou même de recherche sont identifiés pour les évolutions futures de ces produits portant sur l’autonomie ou l’intégration des capteurs et de l’électronique sur une même puce.

4.

SPECIFICATION DU TSMD ET ADAPTATIONS

A partir du travail effectué dans la première phase du programme, une Spécification Technique de Produit a été établie. La figure 3 montre le produit final après que les adaptations nécessaires sont faites sur le modèle Waveshock. Les caractéristiques du produit final sont : • Mesure déportée de température : gamme - 20/50 ± 1°C et - 40/85 ± 5°C, dimensions 6 x 20 x 10 mm, toutes les minutes (jusqu’à toutes les 4 heures), les dernières 16384 valeurs en mémoire et les valeurs min/max, • Mesure d’humidité : 5/95 ± 5 %RH entre – 40 °C et 70 °C, • 3 accéléromètres mono-axes déportés : ± 10g (± 50g possible) bande passante 200 Hz et une fréquence d’échantillonnage de 3,7 kHz, masse 50g chacun, dimensions 15 X 30 X 25 mm, enregistrement des 128 premières ondes de chocs (1024 points/onde/axe) ou les 128 ondes les plus importantes au-dessus d’un seuil défini par l’utilisateur (le nombre de chocs au-dessus du seuil est alors également enregistré), • Mesure de tension : DC (0 à 32 V) et transitoire (128 chocs, inférieur à 100 V et au-dessus d’un seuil donné avec une sensibilité de ± 3V autour de la valeur nominale), bande passante 15 Hz à 2 kHz, fréquence d’échantillonnage 10 kHz, • 3 entrées « tout ou rien » : une pour compter la mise en route de l’alimentation 0-28 V (seuil 9 V, 1024 changements d’état sont gardés en mémoire par entrée), • Masse 1 kg, dimensions 70 x 160 x 110 mm, • Déchargement des données par un bus RS232 relié à un PC, • Alimenté par une pile SAFT LS26500 assurant 6 mois d’autonomie, • Tous les événements sont datés en h/min/s et en ms pour les ondes de chocs, la déviation maximale est de 50 s/mois, le t 0 est donné par le PC ou introduit à la main.

Figure 3: le TSMD final Astelab 2003

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Le logiciel de mise en oeuvre permet les opérations suivantes : • La configuration (horaire, seuils,...), • La récupération des données (37,5 kbauds, moins de 10 min, 7 Mo sont exportés vers un fichier Excel), • Le traitement des données sur fichiers Excel (13 MB après export et 40 MB sur Excel), un fichier pour chacune des informations suivantes : • 128 accélérations maximales (3 axes dans le même fichier) • 128 chocs électriques maxima, • Chaque onde de choc mécanique (trois axes) ou électrique, • Température, • Humidité, • Chaque entrée « tout ou rien ». Tous les prototypes mis en ligne sont testés et satisfont aux exigences suivantes de tenue à l’environnement : • Gamme de température : en stockage - 55/85 °C et en fonctionnement - 40/85 °C, • Humidité relative : 5-95 % RH, • IP65, • Choc demi-sinus, 30g, 6 ms, • Vibrations aléatoires : 10 à 300 Hz, 0,02g²/Hz, • Compatibilité ElectroMagnétique : • Susceptibilité : quelques V/m pour la gamme 10 kHz-20 MHz et 50 V/m pour la gamme 2 MHz-1 GHz, • Emission : de 14 kHz à 400 MHz, selon la MIL-STD-461 (10 µV/m à 100 µV/m), • Résistance vers la masse < 2,5 mΩ

5.

MISE EN OEUVRE ET TESTS

Les prototypes ont été intégrés à bord de quatre hélicoptères différents et d’un poste de tir. La figure 4 montre l’une de ces implantations. La figure 5 est un exemple de mesure en température qui met en évidence une mise sous tension d’un radar. Des tests sont également conduits pour vérifier l’innocuité des produits (notamment pour les phases de vol) et la résistance à l’environnement spécifié.

Figure 4: intégration d’un prototype

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Figure 5: détection en température d’une mise sous tension En conclusion des premières mesures, les TSMD sont : • Faciles d’utilisation avec une interface conviviale, • Dotés d’une bonne autonomie et de bonnes capacités mémoire, • Fiables dans la récupération des données. Toutefois, les points faibles principaux sont : • La valeur minimale du seuil pour les chocs mécaniques paraît trop forte (1,5 g), • La compatibilité électromagnétique n’est pas suffisante pour fonctionner dans l’environnement immédiat d’un radar. Il est important de noter que le déploiement se fait chez l’utilisateur final (en environnement réel) et que les employés de maintenance y sont formés.

6.

CONCLUSION

Un Dispositif d’enregistrement des contraintes a été développé pour des applications multiples. Il a été adapté à nos besoins, caractérisé et intégré à bord de cinq systèmes pour surveiller 7 équipements.

REMERCIEMENTS Nous remercions la Délégation Générale à l'Armement (programme référence DGA/DSP/STTC 98.34.393) pour le support qu’ils ont apporté à ce programme.

REFERENCES [SRN-95/03]: Semiconductor Reliability News, vol. VII, number 2, pp.5-6, March 1995 [SRN-97/06]: Semiconductor Reliability News, vol. IX, number 6, p.3, June 1997 [SRN-99/08]: Semiconductor Reliability News, vol. XI, number 8, p.1, August 1999

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