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), cat si primul vehicul hibrid reincarcabil bazat pe celule de combustibil din lume (Ford Edge cu HySeries Drive).

Autor(-i): 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 unitati de control electronic (ECU) pentru un sistem cu celule de combustibil pentru automobile, in masura sa demonstreze un progres semnificativ pentru realizarea unui proiect viabil din punct de vedere comercial, a unui sistem cu celule de combustibil care sa fie competitiv cu sistemele conventionale de transmisie bazate pe motoare cu ardere interna.

Solutia: Proiectarea si implementarea unui sistem de control in timp real incorporat pentru un sistem auto cu celule de combustibil, utilizand modulele NI LabVIEW Real-Time, LabVIEW FPGA si controlerul NI CompatRIO, si verificarea sistemului utilizand LabVIEW si sistemul in timp real de tip HIL (hardware-in-the-loop) bazat pe sasiul PXI.

"Ford si NI au un trecut profesional indelungat, si am utilizat LabVIEW pentru a dezvolta diferitele aspecte ale fiecarui vehicul electric bazat pe celule de combustibil pe care il producem si pentru a proiecta si implementa cu succes un sistem de control in timp real incorporat pentru un sistem auto cu celule de combustibil”. 

In fruntea inovatiei

Din 1992, Compania Ford Motor s-a dedicat activitatilor de cercetare-dezvoltare in domeniul tehnologiei FCS, bazata pe celule de combustibil. In ciuda progreselor noastre semnificative, au existat mai multe deficiente, care au impiedicat FCS-urile sa devina o tehnologie viabila din punct de vedere comercial, care sa fie competitiva cu sistemele conventionale de transmisie bazate pe motoare cu ardere interna. Incercarea noastra de a elimina aceste deficiente a inceput sa inregistreze imbunatatiri semnificative in aspecte legate de durata de viata si pornirea la rece a sistemului.

In tandem cu designul FCS inovator, am dezvoltat un nou sistem de control folosind o metoda rapida de creare de prototipuri. Schimbarile au avut loc in timpul dezvoltarii, in timp ce echipa de proiectare a rafinat designul printr-o metoda iterativa de verificare, dupa modelul V de inginerie a sistemelor. Aceste modificari de proiectare au afectat adesea interfetele intre componentele subsistemelor precum modulul de control al compresorului de aer si modulul de control ale celulelor de combustibil. Desi unitatile de control electronic (ECU) au avut un mare succes pentru vehiculele produse in serie, exista variante mai bune pentru realizarea rapida a prototipurilor de sisteme de control. In loc de a modifica circuitele I/O ale unitatilor ECU pentru a se adapta la schimbarile de la nivelul interfetei, am folosit CompactRIO pentru a crea rapid prototipul unitatii de control a combustibilului (FCU). Utilizand CompactRIO, ne-am adaptat rapid la schimbarile de proiectare si am experimentat cu noii senzori si actuatori pentru a dezvolta solutii de proiectare inedite.

Am implementat un sistem HIL, compus dintr-un controler NI PXI-8186 intr-o combinatie  NI PXI-1010 de sasiuri PXI/SCXI cu carduri de I/O asociate cu PXI si SCXI si incluzand o magistrala CAN (Controller Area network) pentru a verifica functionalitatea strategiei de control integrate in controlerul CompactRIO. Acest sistem HIL, implementat impreuna cu LabVIEW Real-Time, are o interfata grafica cu utilizatorul (GUI), care asigura stimuli de intrare manuala sau automata la nivel ECU pentru a valida functionarea strategiei de control concomitent cu afisarea feedback-ului I/O de la CompactRIO pe monitorul HIL. Sistemul de validare HIL a inregistrat un foarte mare succes, fiind necesare doar cateva modificari minore la nivelul strategiei, dupa ce CompactRIO a inceput sa controleze adevarata uzina FCS.

Performante in timp util

Controlul transmisiei automate necesita performante in timp real. Pentru a oferi determinismul necesar pentru executia in timp real, modulul LabVIEW Real-Time ofera un sistem comercial de operare in timp real (RTOS) pentru controlerul selectat. Cand am trecut de la utilizarea NI cRIO-9002, la controlerul incorporat in timp real NI cRIO-9012 pentru a imbunatati performantele, modulul LabVIEW Real-Time a comutat automat de la un RTOS Pharlap la un sistem de operare in timp real VxWorks. Intrucat produsele NI actionau direct si in detaliu asupra implementarii sistemelor de operare in timp real, echipa noastra s-a putut axa strict pe realizarea sistemului cu celule de combustibil.

Controlerul FCS primeste input-uri diferite de la senzori, mecanisme de actionare, controlere si de la alte sisteme din interiorul unui vehicul. O magistrala CAN, care este acum omniprezenta in toate conceptele auto, transmite si primeste o majoritate semnificativa de I/O din interiorul si in afara FCS-ului. In 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 retelei CAN cu controlerul FCS de tip „slave”. Din aceste motive, sprijinul magistralei CAN CompactRIO este esentiala pentru aplicatiile auto FCS. Cand am avut nevoie de un grad mai ridicat de performanta pentru implementarea protocolului CAN, NI ne-a oferit in cel mai scurt timp o metoda recent dezvoltata pentru integrarea magistralei CAN pe platformele mai rapide, bazate pe VxWorks, precum cRIO-9012. In plus, pentru a permite utilizarea API (Application Programming Interface) la nivelul magistralei CAN, noua biblioteca CAN de conversie a cadrelor in canale a fost chiar mai rapida decat inainte, reducandu-ni-se astfel timpul de dezvoltare.

Produsele NI au fost intotdeauna renumite pentru capacitatea de integrare a unei arhitecturi de sisteme deschise. Software-ul MAX (Measurement & Automation Explorer) de la NI a importat cu usurinta bazele de date cu mesaje de la magistrala CAN intr-un instrument dezvoltat de un alt producator de retele CAN. Aceasta caracteristica ne-a permis sa efectuam schimbul pachetelor de date, fara traducerea sau recodificare bazelor de date cu mesaje CAN.

Integrare tehnologica perfecta

In acest proiect, am implementat strategia de control cu ajutorul sistemului profesional de dezvoltare LabVIEW, impreuna cu doua module suplimentare. In primul rand, am folosit modulul LabVIEW Real-Time ca sa implementam software-ul in timp real pentru a programa controlerul real-time. Apoi, am implementat software-ul bazat pe FPGA, utilizand modulul  LabVIEW FPGA Module pentru comanda toate I/O, inclusiv magistrala CAN. Ambele module aditionale s-au integrat perfect in mediul de dezvoltare LabVIEW, iar diferentierea grafica a fost una dintre caracteristicile fundamentale ale LabVIEW pe care le-am utilizat.

In plus, Toolkit-ul Real-Time Execution Trace de la NI a devenit rapid un instrument esential care ajuta la rezolvarea problemelor de precizie cronometrica. Prin utilizarea acestui set de instrumente am gasit zone ale codului incorporate in executia in timp real, care nu functionau conform asteptarilor, dupa care am optimizat codul pentru a asigura o executie corecta a parametrilor intr-un timp determinist. Fara un produs ca si NI Real-Time Execution Trace Toolkit, ar fi fost necesare niste echipamente de testare externe foarte scumpe, precum emulatoarele in-circuit si analizoarele logice.

In timp ce unii dezvoltatori intampina dificultati in implementarea controlului versiunilor, datorita integrarii excelente a LabVIEW cu programul de control al versiunilor Microsoft Visual SourceSafe, pe care l-am utilizat in timpul dezvoltarii software, am reusit sa integram perfect controlul versiunilor. Cu un simplu click dreapta pe icoana aferenta sursei I.V., in cadrul ferestrei de proiectare LabVIEW, putem afisa o lista de functii, precum intrarile si iesirile de fisiere. Software-ul usor de utilizat este esential pentru a obtine suportul dezvoltatorilor in materie de „version management software”.

LabVIEW pretutindeni – Motivatia noastra pentru utilizarea LabVIEW

Am dezvoltat strategia de control in proiectarea interna a primului nostru FCS cu ajutorul LabVIEW din mai multe motive. In primul rand, numarul necesar de dezvoltatori pentru a implementa procesul standard de dezvoltare software a depasit resursele disponibile. Cu toate acestea, utilizand LabVIEW, am avut la dispozitie mai multe resurse, deoarece cativa dintre ingineri utilizasera deja LabVIEW, iar altii fusesera instruiti in acest sens. In al doilea rand, datorita sinergiei naturale dintre software-ul controlerului dezvoltat pentru crearea rapida de prototipuri si facilitatile de testare, care fusesera deja dezvoltate cu ajutorul LabVIEW, I.V.-urile puteau fi impartite, in conditiile in care mediile de dezvoltare erau aceleasi, iar platforma hardware era similara.   

In al treilea rand, datorita faptului ca instrumentele virtuale (I.V.) LabVIEW sunt compatibile cu versiunile anterioare, am reutilizat I.V.-urile care fusesera dezvoltate in urma cu 10 ani, ca si fundament pentru sistemul nostru HIL. In plus, sistemul nostru de testare de laborator, bazat pe hardware-ul NI si LabVIEW a stocat cu usurinta datele in fisierul de test in format TDMS (Technical Data Management Streaming) pentru a fi analizate cu ajutorul software-ului NI DIAdem de gestiune a datelor. Odata cu vizualizarea datelor normale, am utilizat DIAdem pentru a cauta rapid si in mod automat anomalii de performanta in fisierele de date multiple si pentru a le multiplica cu adnotari. In cele din urma, suportul tehnic al echipei NI - un criteriu cheie pentru succes - a fost intotdeauna cel mai bun din industrie.

Ford si NI au un trecut profesional indelungat, si am utilizat LabVIEW pentru a dezvolta diferitele aspecte ale fiecarui vehicul electric bazat pe celule de combustibil pe care il producem si pentru a proiecta si implementa cu succes un sistem de control in timp real incorporat pentru un sistem auto cu celule de combustibil.

Informatii despre autor:
Kurt Osborne
Ford Motor Company
1201 Village Rd
Dearborn, MI 48121
Tel: 313-322-3202
kosborn1@ford.com

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

Comenteaza aici