Angajamentul nostru de cercetare a sistemelor bazate pe celule de combustibil (FCS) a avut drept rezultat, primul automobil din lume cu celule de combustibil din clasa „full-size”, cu caracteristici complete (P2000), cât şi primul vehicul hibrid reîncărcabil bazat pe celule de combustibil din lume (Ford Edge cu HySeries Drive).
Autor: Kurt D. Osborne – Compania Ford Motor
Industrie: Industria Auto, Cercetare
Produse:
Execution Trace Toolkit, SCXI-1124, LabVIEW, DIAdem, cRIO-9022, FPGA Module, Real-Time Module, PXI-8186 RT, cRIO-9012, Control Design and Simulation Module, SCXI-1160, PXI-8464/1, SCXI-1162HV, PXI-1010
Provocarea:
Dezvoltarea unei unităţi de control electronic (ECU) pentru un sistem cu celule de combustibil pentru automobile, în măsură să demonstreze un progres semnificativ pentru realizarea unui proiect viabil din punct de vedere comercial, a unui sistem cu celule de combustibil care să fie competitiv cu sistemele convenţionale de transmisie bazate pe motoare cu ardere internă.
Soluţia:
Proiectarea şi implementarea unui sistem de control în timp real încorporat pentru un sistem auto cu celule de combustibil, utilizând modulele NI LabVIEW Real-Time, LabVIEW FPGA şi controlerul NI CompatRIO, şi verificarea sistemului utilizând LabVIEW şi sistemul în timp real de tip HIL (hardware-in-the-loop) bazat pe şasiul PXI.
“Ford şi NI au un trecut profesional îndelungat, şi am utilizat LabVIEW pentru a dezvolta diferitele aspecte ale fiecărui vehicul electric bazat pe celule de combustibil pe care îl producem şi pentru a proiecta şi implementa cu succes un sistem de control în timp real încorporat pentru un sistem auto cu celule de combustibil”.
În fruntea inovaţiei
Din 1992, Compania Ford Motor s-a dedicat activităţilor de cercetare-dezvoltare în domeniul tehnologiei FCS, bazată pe celule de combustibil. În ciuda progreselor noastre semnificative, au existat mai multe deficienţe, care au împiedicat FCS-urile să devină o tehnologie viabilă din punct de vedere comercial, care să fie competitivă cu sistemele convenţionale de transmisie bazate pe motoare cu ardere internă. Încercarea noastră de a elimina aceste deficienţe a început să înregistreze îmbunătăţiri semnificative în aspecte legate de durata de viaţă şi pornirea la rece a sistemului.
În tandem cu designul FCS inovator, am dezvoltat un nou sistem de control folosind o metodă rapidă de creare de prototipuri. Schimbările au avut loc în timpul dezvoltării, în timp ce echipa de proiectare a rafinat designul printr-o metodă iterativă de verificare, după modelul V de inginerie a sistemelor. Aceste modificări de proiectare au afectat adesea interfeţele între componentele subsistemelor precum modulul de control al compresorului de aer şi modulul de control ale celulelor de combustibil. Deşi unităţile de control electronic (ECU) au avut un mare succes pentru vehiculele produse în serie, există variante mai bune pentru realizarea rapidă a prototipurilor de sisteme de control. În loc de a modifica circuitele I/O ale unităţilor ECU pentru a se adapta la schimbările de la nivelul interfeţei, am folosit CompactRIO pentru a crea rapid prototipul unităţii de control a combustibilului (FCU). Utilizând CompactRIO, ne-am adaptat rapid la schimbările de proiectare şi am experimentat cu noii senzori şi actuatori pentru a dezvolta soluţii de proiectare inedite.
Am implementat un sistem HIL, compus dintr-un controler NI PXI-8186 într-o combinaţie NI PXI-1010 de şasiuri PXI/SCXI cu carduri de I/O asociate cu PXI si SCXI şi incluzând o magistrală CAN (Controller Area network) pentru a verifica funcţionalitatea strategiei de control integrate în controlerul CompactRIO . Acest sistem HIL, implementat împreună cu LabVIEW Real-Time, are o interfaţă grafică cu utilizatorul (GUI), care asigură stimuli de intrare manuală sau automată la nivel ECU pentru a valida funcţionarea strategiei de control concomitent cu afişarea feedback-ului I/O de la CompactRIO pe monitorul HIL. Sistemul de validare HIL a înregistrat un foarte mare succes, fiind necesare doar câteva modificări minore la nivelul strategiei, după ce CompactRIO a început să controleze adevărata uzină FCS.
Performanţe în timp util
Controlul transmisiei automate necesită performanţe în timp real. Pentru a oferi determinismul necesar pentru execuţia în timp real, modulul LabVIEW Real-Time oferă un sistem comercial de operare în timp real (RTOS) pentru controlerul selectat. Când am trecut de la utilizarea NI cRIO-9002, la controlerul încorporat în timp real NI cRIO-9012 pentru a îmbunătăţi performanţele, modulul LabVIEW Real-Time a comutat automat de la un RTOS Pharlap la un sistem de operare în timp real VxWorks. Întrucât produsele NI acţionau direct şi în detaliu asupra implementării sistemelor de operare în timp real, echipa noastră s-a putut axa strict pe realizarea sistemului cu celule de combustibil.
Controlerul FCS primeşte input-uri diferite de la senzori, mecanisme de acţionare, controlere şi de la alte sisteme din interiorul unui vehicul. O magistrală CAN, care este acum omniprezentă în toate conceptele auto, transmite şi primeşte o majoritate semnificativă de I/O din interiorul şi în afara FCS-ului. În timpul testelor de laborator, am simulat controlul primar al vehiculului prin intermediul unui set de teste extinse bazate pe LabVIEW, care a comunicat prin intermediul reţelei CAN cu controlerul FCS de tip „slave”. Din aceste motive, sprijinul magistralei CAN CompactRIO este esenţială pentru aplicaţiile auto FCS. Când am avut nevoie de un grad mai ridicat de performanţă pentru implementarea protocolului CAN, NI ne-a oferit în cel mai scurt timp o metodă recent dezvoltată pentru integrarea magistralei CAN pe platformele mai rapide, bazate pe VxWorks, precum cRIO-9012. În plus, pentru a permite utilizarea API (Application Programming Interface) la nivelul magistralei CAN, noua bibliotecă CAN de conversie a cadrelor în canale a fost chiar mai rapidă decât înainte, reducându-ni-se astfel timpul de dezvoltare.
Produsele NI au fost întotdeauna renumite pentru capacitatea de integrare a unei arhitecturi de sisteme deschise. Software-ul MAX (Measurement & Automation Explorer) de la NI a importat cu uşurinţă bazele de date cu mesaje de la magistrala CAN într-un instrument dezvoltat de un alt producător de reţele CAN. Această caracteristică ne-a permis să efectuăm schimbul pachetelor de date, fără traducerea sau recodificare bazelor de date cu mesaje CAN.
Integrare tehnologică perfectă
În acest proiect, am implementat strategia de control cu ajutorul sistemului profesional de dezvoltare LabVIEW, împreună cu două module suplimentare. În primul rând, am folosit modulul LabVIEW Real-Time ca să implementăm software-ul în timp real pentru a programa controlerul real-time. Apoi, am implementat software-ul bazat pe FPGA, utilizând modulul LabVIEW FPGA Module pentru comanda toate I/O, inclusiv magistrala CAN. Ambele module adiţionale s-au integrat perfect în mediul de dezvoltare LabVIEW, iar diferenţierea grafică a fost una dintre caracteristicile fundamentale ale LabVIEW pe care le-am utilizat.
În plus, Toolkit-ul Real-Time Execution Trace de la NI a devenit rapid un instrument esenţial care ajută la rezolvarea problemelor de precizie cronometrică. Prin utilizarea acestui set de instrumente am găsit zone ale codului încorporate în execuţia în timp real, care nu funcţionau conform aşteptărilor, după care am optimizat codul pentru a asigura o execuţie corectă a parametrilor într-un timp determinist. Fără un produs ca şi NI Real-Time Execution Trace Toolkit, ar fi fost necesare nişte echipamente de testare externe foarte scumpe, precum emulatoarele in-circuit şi analizoarele logice.
În timp ce unii dezvoltatori întâmpină dificultăţi în implementarea controlului versiunilor, datorită integrării excelente a LabVIEW cu programul de control al versiunilor Microsoft Visual SourceSafe, pe care l-am utilizat în timpul dezvoltării software, am reuşit să integrăm perfect controlul versiunilor. Cu un simplu click dreapta pe icoana aferentă sursei I.V., în cadrul ferestrei de proiectare LabVIEW, putem afişa o listă de funcţii, precum intrările şi ieşirile de fişiere. Software-ul uşor de utilizat este esenţial pentru a obţine suportul dezvoltatorilor în materie de „version management software”.
LabVIEW pretutindeni – Motivaţia noastră pentru utilizarea LabVIEW
Am dezvoltat strategia de control în proiectarea internă a primului nostru FCS cu ajutorul LabVIEW din mai multe motive. În primul rând, numărul necesar de dezvoltatori pentru a implementa procesul standard de dezvoltare software a depăşit resursele disponibile. Cu toate acestea, utilizând LabVIEW, am avut la dispoziţie mai multe resurse, deoarece câţiva dintre ingineri utilizaseră deja LabVIEW, iar alţii fuseseră instruiţi în acest sens. În al doilea rând, datorită sinergiei naturale dintre software-ul controlerului dezvoltat pentru crearea rapidă de prototipuri şi facilităţile de testare, care fuseseră deja dezvoltate cu ajutorul LabVIEW, I.V.-urile puteau fi împărţite, în condiţiile în care mediile de dezvoltare erau aceleaşi, iar platforma hardware era similară.
În al treilea rând, datorită faptului că instrumentele virtuale (I.V.) LabVIEW sunt compatibile cu versiunile anterioare, am reutilizat I.V.-urile care fuseseră dezvoltate în urmă cu 10 ani, ca şi fundament pentru sistemul nostru HIL. În plus, sistemul nostru de testare de laborator, bazat pe hardware-ul NI şi LabVIEW a stocat cu uşurinţă datele în fişierul de test în format TDMS (Technical Data Management Streaming) pentru a fi analizate cu ajutorul software-ului NI DIAdem de gestiune a datelor. Odată cu vizualizarea datelor normale, am utilizat DIAdem pentru a căuta rapid şi în mod automat anomalii de performanţă în fişierele de date multiple şi pentru a le multiplica cu adnotări. În cele din urmă, suportul tehnic al echipei NI – un criteriu cheie pentru succes – a fost întotdeauna cel mai bun din industrie.
Ford şi NI au un trecut profesional îndelungat, şi am utilizat LabVIEW pentru a dezvolta diferitele aspecte ale fiecărui vehicul electric bazat pe celule de combustibil pe care îl producem şi pentru a proiecta şi implementa cu succes un sistem de control în timp real încorporat pentru un sistem auto cu celule de combustibil.
Informaţii despre autor:
Kurt Osborne
Compania Ford Motor
SC National Instruments Romania SRL
B-dul Corneliu Coposu, nr. 167A, et.I, Cluj Napoca, CP 400228
Tel.: 0800 894 308
E-mail: ni.romania@ni.com
www.ni.com/romania