As ferramentas da NI mantêm a FORD na vanguarda da inovação

Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

"A Ford tem uma longa história com a NI, e nós usamos o NI LabVIEW para desenvolver vários aspectos de toda célula de combustível dos veículos elétricos que nós produzimos e com sucesso projetamos e implementamos um sistema de controle embarcado em tempo real para um FCS automotivo."

- Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

O desafio:

Desenvolver uma unidade de controle eletrônico (ECU) para um sistema automotivo de célula de combustível capaz de demonstrar progressos significantes para torná-lo comercialmente viável e que seja competitivo com os sistemas de transmissão convencionais baseados em combustão interna.

A solução:

Projetar e implementar um sistema de controle embarcado em tempo real para um sistema automotivo de célula de combustível usando o NI LabVIEW Real-Time e os módulos LabVIEW FPGA e uma controladora NI CompactRIO e verificar o sistema com o NI LabVIEW e um sistema hardware-in-the-loop (HIL) com o chassi PXI de tempo real.

Na vanguarda da inovação

Desde 1992, a Ford Motor Company tem se dedicado ao desenvolvimento e pesquisa para um sistema de célula de combustível (FCS). Apesar do nosso progresso significante, várias deficiências impediram os FCSs de se tornarem uma tecnologia comercialmente viável que seja competitiva com os sitemas de transmissão baseados em cobustão interna. Nosso esforço em eliminar estas deficiências começa demonstrando melhorias significantes em áreas como o tempo de vida do sistema e partida a frio.

 

Em conjunto com nosso projeto inovador FCS, nós projetamos um novo sistema de controle usando prototipagem rápida. Mudanças ocorreram durante o desenvolvimento enquanto a equipe de projeto melhorava o projeto através da verificação de regras de sistemas de engenharia modelo V. Estes projetos mudam frequentemente afetando a interface entre os componentes do subsistema, como os módulos de controle dos compressores de ar e os módulos de controle das células de combustíveis. Apesar das ECUs terem sido amplamente sucedidas para produção de veículos, existem melhores escolhas para sistemas de controle de prototipagem. Em vez de modificar a produção dos circuitos de E/S da ECU para adaptar as mudanças de interfaces, nós usamos o CompactRIO para prototipar rapidamente nossa unidade de controle de combustível (ECU). Com o CompactRIO, nós adaptamos rapidamente estas mudanças de projeto e experimentamos novos sensores e atuadores para novas soluções de projeto.

 

Nós implementamos um sistema HIL composto de uma controladora NI PXI-8186 em um NI PXI-1010 combinando o chassi PXI/SCXI com placas de E/S PXI e SCXI associadas, incluindo uma rede controller area network (CAN), para verificar a estratégia de funcionalidade de controle embarcado na controladora CompactRIO. Este sistema HIL, implementado com o LabVIEW Real-Time, tem uma interface gráfica direcionada ao usuário (GUI) que fornece um estímulo de entrada manual e automática para a ECU para validar a operação de controle de estratégia enquanto exibe um aviso do CompactRIO no monitor HIL. A validação do sistema HIL era muito bem sucedida , e nós tinhamos que fazer apenas pequenas mudanças na estratégia após o CompactRIO começar a controlar a atual planta FCS.

 

Desempenho garantido

Controle de sistemas de transmissão automotivos demandam desempenho em tempo real. Para fornecer um determinismo necessário para um desempenho em tempo real, o módulo LabVIEW Real-Time fornece um sistema de operação em tempo real (RTOS) comercial para uma determinada controladora. Quando nós mudamos a utilização de um NI cRIO-9002 para uma controladora embarcada de tempo real NI cRIO-9012 para aumentar o desempenho, o LabVIEW Real-Time automaticamente transfere de um Pharlap RTOS para um VxWorks RTOS. Com os produtos NI operando para suportar aplicações RTOS, nossa equipe focou em fornecer um sistema de controle de célula combustível ao invés de focar em detalhes do RTOS.

 

O controlador FCS recebe várias entradas de sensores, atuadores, outros controladores e sistemas dentro do veículo. Com o CAN agora presente no projeto automotivo, transmite e recebe uma quantia significativa de E/S interna ou externa do FCS. Durante o teste de laboratório, nós simulamos o controle mestre do veículo em um teste de desempenho baseado no LabVIEW, que se comunicou via CAN com a controladora slave do FCS. Por estes motivos , o CompactRIO CAN suporta aplicações críticas para um FCS automotivo. Quando necessitamos de mais desempenho para nossa aplicação CAN, a NI nos forneceu rapidamente um recente método de desenvolvimento para suportar o CAN em maior velocidade nas plataformas baseadas em VxWorks, assim como o cRIO-9012. Adicionalmente para permitir o uso da canal API do CAN, a nova biblioteca CAN de conversão de canal era tão rápida quanto antes, e assim reduziu nosso tempo de desenvolvimento.

 

Os produtos da NI sempre foram bem conhecidos por oferecer um sistema de arquitetura aberta. O NI Measurement & Automation Explorer (MAX) importou facilmente mensagens CAN da base de dados desenvolvidas em uma ferramenta fabricada por outro CAN. Esta característica nos permitiu trocar a base de dados sem decodificar ou gravar mensagens CAN da base de dados.

 

Perfeita Integração Tecnológica

Para este projeto, nós implementamos uma estratégia de controle com o NI LabVIEW Professional Development System em conjunto com dois módulos add-on. Inicialmente, nós usamos o módulo LabVIEW Real-Time para implementar o software em tempo real para programar a controladora de tempo real. Depois, nós implementamos o software baseado em FPGA usando o LabVIEW FPGA Module para conduzir todas as E/S, incluindo o CAN. Cada um destes módulos add-on do NI LabVIEW foram perfeitamente integrados no ambiente de desenvolvimento NI LabVIEW , e o NI LabVIEW tem como diferencial a visualização gráfica que foi uma das característas essenciais que nós usamos.

 

Adicionalmente, o NI Real-Time Execution Trace Toolkit rapidamente se tornou uma ferramenta importante de ajuda para solucionar problemas cronométricos. Usando esta ferramenta gráfica, nós encontramos áreas no código embarcado de tempo real que não tinham o desempenho desejado, e também, otimizamos o código para garantir um desempenho adequado em tempo real. Sem um produto como o NI Real-Time Execution Trace Toolkit, nós precisaríamos de um equipamento de teste caro, como um emulador de circuitos e analizadores lógicos.

 

Enquanto alguns desenvolvedores tem dificuldades ao implementar controle de versão, no NI LabVIEW é diferente , devido à excelente integração do NI LabVIEW com o programa de controle de versão Microsoft Visual SourceSafe, nós usamos durante o desenvolvimento do software, com sucesso e sem problemas integramos o controle de versão. Com um simples clique no botão direito do mouse na origem do ícone do VI na janela de projeto no NI LabVIEW, nós podemos exibir uma lista de funções como verificação de arquivos na entrada e saída. É um software de fácil utilização e fundamental para ganhar apoio para o desenvolvedor de software de gerenciamento de versão.

 

LabVIEW em todos os lugares - Nossa motivação para utilizar LabVIEW

Nós desenvolvemos o controle estratégico para nosso primeiro projeto de FCS usando o LabVIEW por várias razões. Primeiro que, o número de desenvolvedores necessários para implementação no nosso processo padrão de desenvolvimento de software excedeu os recursos disponíveis. No entanto, usando o NI LabVIEW, nós tivemos um maior número de recursos por que vários engenheiros já tinham experiência em LabVIEW e os demais foram treinados. Segundo que, com a sinergia natural entre o desenvolvimento do software para o controlador de prototipagem rápida e bancadas de testes , que já estavam desenvolvidas usando o LabVIEW, as VI podiam ser compartilhadas, os ambientes de desenvolvimento são os mesmos, e os hardwares são similares.

 

Terceiro que, por causa dos VIs modulares do NI LabVIEW que eram compatíveis à versões anteriores, nós reutilizamos VIs que foram desenvolvidos há mais de 10 anos atrás como base de nosso sistema HIL. Adicionalmente, nosso sistema de teste de laboratório, baseado no hardware NI e no LabVIEW, armazenou facilmente os dados de teste no formato de arquivos technical data management streaming (TDMS) para análise no NI DIAdem data management software. Junto com a visualização de dados normal , nós usamos o DIAdem para procurar rapidamente e automaticamente através de múltiplos arquivos de dados para encontrar alguma anomalia de desempenho e plotá-las nos gráficos com observações. E finalmente, o suporte técnico da NI - a chave do sucesso – que sempre foi o melhor da indústria.

 

A Ford tem uma longa história com a NI , e nós temos utilizado o NI LabVIEW para desenvolver os vários aspectos de célula de combustível elétricas automotivas que nós produzimos e com sucesso projetamos e implementandos um controle de sistema embarcado para um FCS automotivo.

 

Informações sobre o autor:

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

Our commitment to fuel cell system (FCS) research resulted in vehicles such as the world's first full-size, full-performance fuel cell car (P2000) and the world's first fuel cell plug-in hybrid (Ford Edge with HySeries Drive).
We used CompactRIO to control the groundbreaking fuel cell system design.
In the block diagram, the real-time CompactRIO FCS controller interfaces to a real-time HIL system used to perform software verification.
A Simple, Clean GUI Hides the Real-Time VI of the HIL System