Las herramientas mantienen a Ford a la vanguardia de la innovación

Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

"Ford tiene una larga historia con NI y hemos usado LabVIEW para desarrollar varios aspectos de cada vehículo eléctrico de celda de combustible que producimos y para diseñar e implementar con éxito un sistema de control embebido en tiempo real para un FCS automotriz."

- Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

El desafío:

Desarrollar una unidad de control electrónico (ECU) para un sistema de celda de combustible automotriz capaz de demostrar un progreso significativo para lograr un diseño de sistema de celda de combustible comercialmente viable que es competitivo con los trenes de potencia convencionales basados en combustión interna.

La solución:

Diseñar e implementar un sistema de control embebido en tiempo real para un sistema de celda de combustible automotriz usando los módulos NI LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA y un controlador NI CompactRIO, y verificar el sistema con LabVIEW y un sistema de hardware-in-the-loop (HIL) de chasis PXI en tiempo real.

A la vanguardia de la innovación

Desde 1992, Ford Motor Company se ha dedicado a la I&D del sistema de celda de combustible (FCS). A pesar de nuestro progreso significativo, varias deficiencias han impedido que los FCSs se conviertan en una tecnología comercialmente viable que sea competitiva con los trenes de potencia convencionales basados en combustión interna. Nuestro intento de eliminar estas deficiencias comenzó demostrando mejoras significativas en áreas como la vida útil del sistema y el arranque por congelación.

 

Junto con nuestro innovador diseño FCS, desarrollamos un nuevo sistema de control utilizando una rápida generación de prototipos. Los cambios ocurrieron durante el desarrollo mientras el equipo de diseño refinaba iterativamente el diseño a través de la verificación, siguiendo el modelo V de ingeniería de sistemas. Estos cambios de diseño afectaron las interfaces entre los componentes del subsistema, como el módulo de control del compresor de aire y el módulo de control de la celda de combustible. Aunque las ECUs han tenido un gran éxito para los vehículos de producción, existen mejores opciones para los sistemas de control de rápida generación de prototipos. En lugar de modificar los circuitos de E/S de la ECU de producción para adaptarlos a los cambios de interfaz, utilizamos CompactRIO para generar rápidamente un prototipo de nuestra unidad de control de combustible (FCU). Con CompactRIO, nos adaptamos rápidamente a los cambios de diseño y experimentamos con nuevos sensores y actuadores para obtener soluciones de diseño novedosas.

 

Implementamos un sistema HIL compuesto por un controlador NI PXI-8186 en un chasis de combinación PXI/SCXI NI PXI-1010 con tarjetas de E/S PXI y SCXI asociadas, incluyendo una red de controladores área (CAN), para verificar la funcionalidad de la estrategia de control embebido en el controlador CompactRIO. Este sistema HIL, implementado con LabVIEW Real-Time, tiene una interfaz de usuario gráfica (GUI) que proporciona estímulos de entrada manuales y automáticos a la ECU para validar la operación de la estrategia de control y muestra la retroalimentación de E/S CompactRIO en el monitor HIL. La validación del sistema HIL fue muy exitosa y solo tuvimos que hacer cambios menores en la estrategia después de que CompactRIO comenzó a controlar la planta del FCS real.

 

Rendimiento cuando lo necesita

El control del tren de potencia automotriz exige un rendimiento en tiempo real. Para proporcionar el determinismo requerido para el rendimiento en tiempo real, el Módulo LabVIEW Real-Time ofrece un sistema operativo comercial en tiempo real (RTOS) para el controlador seleccionado. Cuando cambiamos de usar un NI cRIO-9002 a un controlador NI cRIO-9012 en tiempo real embebido para aumentar el rendimiento, LabVIEW Real-Time cambió automáticamente de un Pharlap RTOS a un VxWorks RTOS. Con los productos de NI trabajando para dar soporte a la implementación del RTOS, nuestro equipo se centró en ofrecer un sistema de control de celda de combustible en lugar de los detalles del RTOS.

 

El controlador del FCS recibe varias entradas de sensores, actuadores y otros controladores y sistemas dentro de un vehículo. Un CAN, ahora omnipresente en los diseños automotrices, transmite y recibe una mayoría significativa de las E/S dentro y fuera del FCS. Durante las pruebas de laboratorio, simulamos el control del vehículo maestro mediante un extenso banco de pruebas basado en LabVIEW, que se comunicaba a través de CAN con el controlador esclavo del FCS. Por estas razones, el soporte de CompactRIO CAN es fundamental para las aplicaciones automotrices del FCS. Cuando necesitábamos más rendimiento para nuestra implementación de CAN, NI rápidamente proporcionó un método desarrollado recientemente para dar soporte a CAN en las plataformas más rápidas basadas en VxWorks, como el cRIO-9012. Además de permitir el uso de la API del canal CAN, la nueva biblioteca de conversión del canal de marco CAN fue incluso más rápida que antes, reduciendo así nuestro tiempo de desarrollo.

 

Los productos de NI siempre han sido bien conocidos por brindar soporte a una arquitectura de sistema abierto. NI Measurement & Automation Explorer (MAX) importó fácilmente las bases de datos de mensajes CAN desarrolladas en una herramienta por otro fabricante de CAN. Esta característica nos permitió intercambiar bases de datos sin traducir o recodificar las bases de datos de mensajes CAN.

 

 

 

Perfecta integración de la tecnología

Para este proyecto, implementamos la estrategia de control con el Sistema de Desarrollo Profesional de LabVIEW en conjunto con dos módulos complementarios. Primero, usamos el Módulo LabVIEW Real-Time para implementar el software en tiempo real para programar el controlador en tiempo real. Luego, implementamos el software basado en FPGA usando el Módulo LabVIEW FPGA para realizar todas las E/S incluyendo CAN. Estos módulos complementarios de LabVIEW se integraron perfectamente en el entorno de desarrollo de LabVIEW, y la diferenciación gráfica fue una de las características esenciales de LabVIEW que usamos.

 

Además, el NI Real-Time Execution Trace Toolkit rápidamente se convirtió en una herramienta importante para ayudar a resolver problemas cronométricos. Con este toolkit, encontramos áreas del código embebido en tiempo real que no funcionaban como se esperaba y luego optimizamos el código para garantizar un rendimiento correcto en tiempo real. Sin un producto como el NI Real-Time Execution Trace Toolkit, hubiéramos necesitado equipos costosos de pruebas externas, como emuladores en circuito y analizadores lógicos.

 

Si bien algunos desarrolladores tienen una experiencia difícil al implementar el control de versiones, debido a la excelente integración de LabVIEW con el programa de control de versiones Microsoft Visual SourceSafe, que usamos durante el desarrollo de software, integramos de manera exitosa y sin problemas el control de versiones. Con un simple clic derecho en el ícono del VI fuente en la ventana del proyecto de LabVIEW, podemos visualizar una lista de funciones como registro de entrada o salida de archivos. El software fácil de usar es fundamental para obtener el soporte de los desarrolladores para el software de administración de versiones.

 

LabVIEW Everywhere – Nuestra motivación para usar LabVIEW

Desarrollamos el sistema de control para nuestro primer FCS diseñado internamente usando LabVIEW por varias razones. Primero, las ganancias de productividad por la programación gráfica intuitiva y la integración con el hardware nos ayudaron a completar el proyecto con menos recursos que el software que usamos anteriormente. En segundo lugar, dado que la tecnología de NI abarca muchas aplicaciones que incluyen pruebas, medidas y control embebido, pudimos aprovechar el mismo entorno de desarrollo de LabVIEW y hardware similar en varios proyectos de ingeniería. En tercer lugar, dado que los VIs de LabVIEW son modulares y tienen una representación de diagrama de flujo intuitiva, los desarrolladores pueden desarrollar, mantener y comprender el código fácilmente. Debido a esto, pudimos reutilizar los VIs desarrollados hace más de 10 años como base para nuestro sistema HIL.

 

 

 

Además, nuestro sistema de pruebas de laboratorio, basado en LabVIEW y hardware de NI, almacenó fácilmente datos de prueba en el formato de archivo Technical Data Management Streaming (TDMS) para su análisis en el software de administración de datos NI DIAdem. Junto con la visualización normal de datos, usamos DIAdem para buscar de manera rápida y automática en varios archivos de datos para encontrar cualquier anomalía de rendimiento y graficarlas con anotaciones. Finalmente, el soporte técnico de NI, un criterio clave para el éxito, siempre ha sido el mejor en la industria. Ford tiene una larga historia con NI y hemos usado LabVIEW para desarrollar varios aspectos de cada vehículo eléctrico de celda de combustible que producimos y para diseñar e implementar con éxito un sistema de control embebido en tiempo real para un FCS automotriz.

 

Información del autor:

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

Nuestro compromiso con la investigación del sistema de celda de combustible (FCS) dio como resultado vehículos como el primer automóvil de celda de combustible (P2000) de tamaño completo y rendimiento completo del mundo y el primer híbrido enchufable de celda de combustible del mundo (Ford Edge con HySeries Drive).
Usamos CompactRIO para controlar el innovador diseño del sistema de celda de combustible.
En el diagrama de bloques, el controlador CompactRIO en tiempo real del FCS interactúa con un sistema HIL en tiempo real utilizado para realizar la verificación del software.
Una GUI simple y limpia oculta el VI en tiempo real del sistema HIL