La défense du territoire national et les opérations extérieures de l'armée française en Afghanistan, au Liban, en Côte d'Ivoire pour n'en citer que les plus médiatiques, s'appuient sur des moyens aériens, maritimes et terrestres qui ne doivent en aucun cas souffrir de la moindre panne pour l'accomplissement des opérations et la sécurité des militaires. Il s'agit également d'équipements de pointe, en nombre d'exemplaires très limités, et donc extrêmement chers (de l'ordre de plusieurs dizaines de millions d'euros).Au sein de l'armée de l'air, c'est le Service industriel de l'aéronautique (SIAé ; voir encadré Le SIAé en quelques mots ) à qui est dévolu le rôle du maintien en condition opérationnelle (MCO) des matériels aéronautiques. Parmi les cinq ateliers industriels de l'aéronautique (AIA) du SIAé,celui de Bordeaux (33) est en charge de la révision et de la réparation des turboréacteurs équipant les avions de chasse Mirage F1 et Super-Étendard (moteur Atar), Alphajet (Larzac), Mirage 2000 (M53) et Rafale (M88) ainsi que celles des turbomoteurs que l'on retrouve sur l'avion Hercules C-130 (T56-A15), sur les hélicoptères Lynx (Gem 42-1) et Tigre (MTR 390).

Une attention particulière a été portée au câblage, depuis le banc jusqu'à l'armoire (à gauche) rassemblant toutes les voies de mesure, afin d'éviter les problèmes de bruit, de parasites, etc. Après la partie connectique, on trouve un frontal temps réel dont le rôle est d'assurer les fonctions d'acquisition et de génération de signaux, la prise en compte de la sécurité, les calculs et la communication avec le PC de supervision.

Après chaque procédure de maintenance et/ ou de réparation, tous les turboréacteurs et turbomoteurs sont testés et leurs performances sont réglées le cas échéant.« Pour vous donner une idée de la charge de travail au niveau du site, nous avons réalisé 325 essais en 2010 et 504 l'année suivante. Cela représente environ 6 000 heures de fonctionnement sur les bancs et 1 000 heures de rotation moteur… pour une quantité totale de carburant de près de 1,23 million de litres », indique ChristianValade, responsable informatique de l'annexe de Croix d'Hins qui est le centre d'essais de l'AIA de Bordeaux.Au milieu de l'année 2012, le site avait déjà réalisé 189 essais, soit 2500 heures d'immobilisation et 370 heures de fonctionnement. Et la liste des caractéristiques impressionnantes continue lorsque l'on s'intéresse aux bancs d'essais eux-mêmes.

Prenons le banc numéro 4 pour les turbomoteurs et les groupes auxiliaires de puissance, le banc d'essais que l'AIA de Bordeaux a décidé de rénover après une quinzaine d'années de bons et loyaux services. Installé sur un bâti pour faciliter les opérations de chargement, de déchargement et de transport, le turbomoteur –il faut savoir que le principe de réacteur thermique permet de disposer du couple maximum sur l'arbre pour une température minimale en sortie– est connecté du côté de l'hélice à un frein à eau, d'une puissance de 5000 chevaux-vapeur (ch) et dont le rôle est de simuler la charge lors de l'essai, et du côté de l'échappement à une tuyère donnant sur l'extérieur. Pour abaisser la température de l'eau issue du frein, qui se trouve à une température comprise entre +30 et +60°C en sortie, la procédure fait intervenir trois tours de refroidissement et une piscine d'un volume de 50m ³ d'eau.

En ce qui concerne la partie instrumentation, chaque moteur est déjà équipé de capteurs et il suffit de connecter l'ensemble des câbles venant de ces capteurs de température, de pression, de tension, de vitesse, de vibrations et de couple sur le bornier du bâti et d'associer chaque capteur à une voie physique lors de l'initialisation du banc d'essais. Au total, ce ne sont pas moins de 360 voies physiques et calculées qui sont à acquérir et à surveiller. « Le système comprend en effet, pour la partie acquisition de données, 50 entrées analogiques (signaux à des fréquences de 10 Hz,100 Hz et 10 kHz pour les vibrations), 60 TOR [Tout-Ou-Rien, NDR], 5 entrées de comptage et une voie numérique pour une communication série RS-232. Du côté de la génération des signaux, on compte 10 sorties analogiques et 45 TOR », précise Christian Valade (AIA de Bordeaux). A cette liste, il faut encore ajouter 122 voies calculées et 75 autres “opérateurs”, ce qui ne nécessite toutefois qu'une capacité de stockage totale moyenne de 1Go par essai.

Après chaque procédure de maintenance et/ou de réparation, tous les turboréacteurs et turbomoteurs équipant les avions de chasse et les hélicoptères de l'Armée française sont testés et leurs performances sont réglées le cas échéant. C'est le rôle de l'Atelier industriel de l'aéronautique de Bordeaux qui s'appuie pour cela sur plusieurs bancs d'essais, comme le banc numéro 4 pour les turbomoteurs.

Etre capable de décrire la solution technique

Lorsque l'appel d'offres a été lancé pour la rénovation du banc numéro 4, l'AIA de Bordeaux a bien insisté sur deux autres exigences que la société d'ingénierie allait devoir prendre en compte. « C'est une installation avec de nombreuses contraintes de sécurité et où la principale complexité réside dans la compréhension des gammes d'essais moteurs et leur interprétation », rappelleThierry Pugliesi, responsable commercial de la jeune société française Nérys qui a remporté l'appel d'offres. Les aspects de sécurité sont évidemment essentiels vis-à-vis du personnel et des bâtiments, compte tenu des risques potentiels inhérents au fonctionnement même d'un turbomoteur (alimentation en carburant, éjection des gaz de combustion, frein à eau…).

En ce qui concerne les gammes d'essais, les ingénieurs de Nérys ont travaillé en étroite collaboration avec l'équipe de l'AIA de Bordeaux afin de comprendre parfaitement le fonctionnement des turbomoteurs et le déroulement des gammes d'essais moteurs. L'objectif était de traduire les gammes d'essais en séquences à enchaîner au sein d'un scénario constitué, lui-même, d'un enchaînement de procédures décrites séquentiellement. « Si la société Nérys a été retenue,c'est parce qu'elle a été capable de réaliser l'étude du banc existant,indispensable pour une très bonne compréhension des gammes d'essais (les deux autres critères étant les délais et le prix), en plus de la conception proprement dite du nouveau système et de la livraison de la partie contrôle-commande (matérielle et logicielle) câblée du banc », explique Christian Valade (AIA de Bordeaux).

Le travail préalable de compréhension des gammes moteurs et de leur fonctionnement a permis de bénéficier des fonctionnalités et des atouts de la suite logicielle Vasco, développée par Nérys ( voir Mesures n° 828 ) et qui a été mise en œuvre pour l'architecture du banc d'essais. « Vasco est basé sur l'environnement de développement graphique LabView [de l'américain National Instruments, NDR] et sur un système de gestion de base de données MySQL. Comme de nombreuses fonctions standard éprouvées répondaient déjà aux besoins, nous avons pu gagner en temps de développement, d'intégration et de validation. Ce qui s'est donc également traduit par un coût inférieur à celui d'une offre commerciale classique », constateThierry Pugliesi (Nérys). Le progicielVasco, qui s'appuie sur une conception modulaire, est composé d'un module Configuration, installé sur le PC utilisé pour le développement à l'AIA de Bordeaux, d'un module Essais, situé au niveau du PC de supervision, et d'un troisième module (Exploitation) pour le post-traitement des valeurs depuis n'importe quel PC. Les fonctions d'acquisition de données, de pilotage et de sécurité sont quant à elles déportées sur un contrôleur temps réel.

Intéressons-nous d'abord à l'acquisition de données et au contrôle déporté.L'architecture matérielle repose sur un châssis 3U PXI1042 et un contrôleur embarqué double cœur cadencé à 2,16 GHz PXI-8106 de National Instruments, constructeur imposé par le cahier des charges pour le matériel. Le rôle du frontal est évidemment d'assurer les fonctions d'acquisition et de génération de signaux (entrées et sorties analogiques et logiques), ainsi que la communication bidirectionnelle avec le PC de supervision, via le protocole Ethernet TCP/IP. « Comme la partie câblage est très importante,c'est pour cela aussi que nous avons travaillé avec notre partenaire, la société bordelaise AMCpi [voir encadré A propos d'AMCPI et de Nérys],afin d'éviter d'éventuelles perturbations liées au bruit, aux parasites, etc., et pour faciliter la lecture lorsque l'on se branche directement au niveau des câbles, les signaux issus des capteurs sont transformés en 4-20 mA, 0-5 V ou 0-10 V… même si cette solution est plus luxueuse que des cartes pour les thermocouples par exemple »,précise Christian Valade (AIA de Bordeaux).

Grâce à un écran de conduite (liste des actions à faire, des événements en train de se faire…) et/ou à l'ajout d'autant de fonctions nécessaires sans pénaliser les performances du système, le metteur au point et l'opérateur disposent d'une manière simple de toutes les informations pertinentes. Ils ont ainsi une meilleure aptitude à suivre les essais, à valider pas à pas les différentes étapes.

Le contrôleur embarqué prend également en charge les calculs puisque les critères de réception sont sur des critères calculés et non des mesures. Principaux avantages de la solution: autonomie (le programme démarre automatiquement à la mise sous tension) et déterminisme d'un système temps réel. Les informations brutes et calculées étant sur la même trame de temps, leur synchronisation permet de retrouver les valeurs. « Le contrôleur temps réel répartit par ailleurs la charge du programme sur deux systèmes différents, à savoir le frontal d'acquisition de données et le PC de supervision. Un autre de ses atouts réside dans l'intégration d'une carte FPGA », explique Thierry Pugliesi (Nérys).

La carte PXI-7831R de National Instruments intervient ici dans la gestion de la régulation du frein à eau et des différentes sécurités du moteur et de l'installation. « Les fonctions de gestion des asservissements (frein, carburant, huile) et des servitudes (eau du frein) sont ainsi assurées dans une boucle déterministe, indépendante du fonctionnement du contrôleur temps réel et du PC de supervision… du moment que la carte FPGA est alimentée. Un niveau élevé de sécurité est ainsi atteint. De plus, en cas de rupture dela liaison avec le PC de supervision, le frontal d'acquisition de données tentera automatiquement de se reconnecter à chaud. Les tâches d'acquisition, de génération, de régulation et de sécurité ne doivent pas en effet être interrompues », poursuit ChristianValade (AIA de Bordeaux).

n PC pour la configuration es essais

Un essai est principalement défini par une configuration moteur, qui regroupe le type de moteur, son numéro de série, le type d'essais, le modèle de procès-verbal (PV) et bien d'autres informations, une configuration des voies de mesure et de pilotage, ainsi que des paramètres opérateur, des voies calculées qui correspondent à une ou plusieurs voies physiques, “opérateurs” ou même calculées en paramètres d'entrée. A cela s'ajoute également un scénario constitué d'un enchaînement de procédures décrites séquentiellement. Le PC de développement, sur lequel est installé le module Configuration de Vasco, autorise donc la configuration complète de l'environnement des essais. « Nous avons la main pour modifier toutes les interfaces, pour ajouter une carte d'acquisition de données, en fait pour tout modifier. Et l'ensemble des fonctions disponibles rendent possible l'automatisation complète d'un essai, sachant que les procédures sont basées sur l'utilitaire Vasco-Script », explique ChristianValade (AIA de Bordeaux).

Concrètement, les scénarii créés, à raison d'un par moteur,sont composés en moyenne de 2500 lignes d'instructions élémentaires, et tout ou partie des fichiers correspondants peuvent ensuite être transférés au poste de supervision, pour éviter des modifications non autorisées. « En ce qui concerne les paramètres de sécurité,notamment ceux relatifs au frein à eau,lesVI [ Virtual Instruments ou instruments virtuels, objets de base dans LabView, NDR] correspondants peuvent être activés sur la carte FPGA, le contrôleur PXI temps réel ou le PC de supervision. Lorsque la carte ou le contrôleur déclenche une alarme, elle est aussitôt envoyée au PC de supervision. Il lance alors l'exécution d'une procédure spécifique, en fonction du niveau de l'alarme », ajouteThierry Pugliesi (Nérys). La modification de VI de calcul et de sécurité est suivie via la sauvegarde des versions antérieures et l'incrémentation d'un numéro d'ordre, en utilisant les fonctionnalités existantes de LabView. Plus généralement, le PC de configuration transfère les informations correspondantes vers le PC de supervision et le serveur où elles sont sauvegardées.

Un PC pour la supervision des essais

Revenons maintenant à la procédure classique d'un essai. Une fois le moteur installé et connecté et les voies physiques affectées, les deux utilisateurs, à savoir le metteur au point et l'opérateur, gèrent la suite de l'essai grâce au module Vasco-Essais installé sur le PC de supervision. A ce niveau, les principales fonctionnalités sont l'établissement de la communication avec le contrôleur PXI temps réel, le chargement du moteur d'exécution des procédures, du module d'enregistrement, des interfaces homme machine (IHM) standard et spécifiques. Les IHM standard, que sont le compte-tours, le bargraph, les graphiques temporels et XY, l'indicateur numérique et le tableau, assurent la visualisation des données.

Le nouveau banc d'essais a été développé à partir de la suite logicielle Vasco de Nérys, qui s'appuie sur une conception modulaire : un module Configuration, installé sur le PC utilisé pour le développement, un module Essais, situé au niveau du PC de supervision, et un troisième module (Exploitation) pour le post-traitement des données. Les fonctions d'acquisition de données, de pilotage et de sécurité sont déportées sur un contrôleur temps réel et une carte FPGA au format PXI de National Instruments.

« Lors des essais, nous utilisons également d'autres IHM standard,comme le journal de bord,le sélecteur de voies,le suivi des alarmes,l'enregistreur et l'indicateur d'informations générales. Des synoptiques spécifiques ont par ailleurs été développés pour la conduite d'essais (un par moteur), pour les circuits d'eau, d'huile et de carburant, ainsi que pour la sélection et la lecture de points de fonctionnement », précise Thierry Pugliesi (Nérys). Tous les paramètres sont affichés sur le même “top” temps réel et un menu offre le choix entre différentes pages d'écran. Il existe par ailleurs un essai de type “étalonnage”, avec une IHM et un scénario particuliers. Défini de manière similaire à un essai moteur mais paramétré différemment, cet essai autorise l'étalonnage des voies de mesure ou la détermination des écarts sur les voies par rapport à un étalonnage précédent. A l'issue de l'étalonnage, le module Vasco-Configuration est mis à jour et un PV est généré.

« L'écran de conduite d'essais permet principalement de suivre le déroulement des procédures automatiques, de visualiser et de commenter le journal de bord, de lancer des procédures, de prendre des points de mesure, qui seront utilisés lors de la synthèse des rapports d'essais, et de gérer les écrans de surveillance », ajoute Christian Valade (AIA de Bordeaux). L'écran tactile de pilotage a été pensé pour que les deux personnes puissent utiliser simultanément deux pages de la même application, l'un via la souris et l'autre de manière tactile.

Ensuite, les différents fichiers de données enregistrées au cours de l'essai sont transférés du PC de supervision vers le serveur général de l'AIA de Bordeaux pour archivage. « Un enregistrement ante mortem peut être déclenché automatiquement en cas d'alarme », indique ChristianValade (AIA de Bordeaux). Enfin, à l'arrêt du module Vasco-Essai, trois possibilités se présentent au metteur au point et à l'opérateur: l'accès à l'interface d'édition des PV et de génération des rapports sur PC, la suspension temporaire de l'essai (l'arrêt du banc le soir et la reprise de l'essai en l'état le lendemain matin, par exemple) ou la fin de l'essai. Dans ce dernier cas, les rapports d'essais sont imprimés et les fichiers sont transférés sur le serveur général.

Christian Valade (à gauche), responsable informatique de l'annexe de Croix d'Hins de l'Atelier industriel de l'aéronautique (AIA) de Bordeaux : « Si la société Nérys [représentée ici par Thierry Pugliesi (à droite), responsable commercial, NDR] a été retenue, c'est parce qu'elle a été capable de réaliser l'étude du banc existant, indispensable pour une très bonne compréhension des gammes d'essais, en plus de la conception proprement dite du nouveau système et de la livraison de la partie contrôle commande câblée du banc. »

L'obsolescence de l'ancien banc a été réglée

Depuis la livraison et la mise en œuvre opé-rationnelle du nouveau banc à l'été 2011, l'AIA de Bordeaux a pu constater un retour d'expérience positif sur deux points importants. « Ce nouveau banc d'essais nous a réglé l'obsolescence de l'ancien système, sachant en plus qu'il n'était plus maintenu par les constructeurs Hewlett-Packard et Siemens. Sans compter que, depuis son installation en 1996, les connaissances du personnel en interne se perdaient, suite notamment à des départs en retraite », explique ChristianValade (AIA de Bordeaux). Second avantage, le nouveau banc d'essais offre une bien plus grande souplesse. Il a non seulement repris toutes les fonctions existantes de l'ancien système, mais d'autres fonctionnalités supplémentaires ont aussi été ajoutées. « Nous disposons désormais d'une traçabilité totale, durant toute la vie du moteur, de toutes les données enregistrées pendant le processus, que ce soit aux niveaux de la maintenance et des essais via un journal de bord (toutes les procédures,les alarmes…) », poursuit ChristianValade (AIA de Bordeaux). Par ailleurs, les IHM apportent une facilité de lecture et des informations pertinentes au metteur au point et à l'opérateur. La solution permet en effet de configurer le processus de manière à ce que l'utilisateur soit parfaitement guidé via un écran de conduite (liste des actions à faire, des événements en train de se faire…) et/ou l'ajout d'autant de fonctions nécessaires (tableaux, courbes de performances, graphiques temporels, PV de synthèse, etc.) sans pénaliser les performances du système. « Le metteur au point et l'opérateur ont ainsi une meilleure aptitude à suivre les essais,à valider pas à pas les différentes étapes via les graphiques visuels. L'autre grande force de la solution est de pouvoir passer au mode administrateur en cas de problème, ce qui permet de tout faire. Tout cela se traduit in fine par une augmentation de la productivité (l'archivage d'un très grand nombre de paramètres pour la réalisation de statistiques et donc d'aller plus loin dans le diagnostic) et également une maintenance facilitée via une homogénéisation des pièces installées et une meilleureconnais-sance par les opérateurs », conclut Christian Valade (AIA de Bordeaux).