Orodja NI pomagajo družbi Ford ohraniti svojo prednost na področju inovacij

Avtorji:
Kurt D. Osborne - Ford Motor Company

Panoga:
avtomobili, raziskave

Izdelki:
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

Izziv:
Razvoj elektronskega krmilnika (ECU) za avtomobilski sistem z gorivno celico, ki bi zmogel pokazati bistven napredek na poti do gospodarsko izvedljive zasnove z gorivno celico, ki je konkurenčna tradicionalnim pogonskim sklopom z notranjim izgorevanjem.

Rešitev:
Razvoj in izvedba vgnezdenega sistema za krmiljenje avtomobilskega sistema z gorivno celico v realnem času, ki uporablja enote NI LabVIEW Real-Time ter LabVIEW FPGA in krmilnik NI CompactRIO ter preverjanje sistema v okolju LabVIEW in v sistemu z ohišjem PXI za izvajanje v realnem času z vključeno strojno opremo (HIL).
"Družba Ford že dolgo sodeluje z družbo NI, okolje LabVIEW pa smo uporabljali za razvoj različnih vidikov vseh električnih vozil z gorivno celico, ki smo jih izdelali, nazadnje pa za uspešno zasnovo in izvedbo vgnezdenega krmilnega sistema za avtomobilski sistem FCS."
           
Prvi na področju inovacij
Od leta 1992 je družba Ford Motor Company zavezana razvoju in raziskavam sistemov z gorivnimi celicami (FCS). Kljub bistvenemu napredku je več pomanjkljivosti preprečilo, da bi sistemi FCS postali gospodarsko izvedljivi in konkurenčni običajnim pogonskim sklopom z notranjim izgorevanjem. Naši poskusi odpravljanja pomanjkljivosti so se začeli s prikazom bistvenih izboljšav na področjih, kot sta življenjska doba sistema in zagon pri nizkih temperaturah.

Za naš revolucionarni sistem FCS smo po postopku hitre izdelave prototipa razvili nov krmilni sistem. Med razvojem so se pojavljale spremembe, saj je načrtovalska ekipa iterativno izboljševala zasnovo sistema po vsakem preverjanju, skladno z modelom V za načrtovanje sistema. Te spremembe zasnove so pogosto zadevale vmesnike med podsistemi, na primer krmilnikom zračnega kompresorja in krmilnikom gorivne celice. Čeprav so bili elektronski krmilniki zelo uspešni za serijska vozila, so na voljo boljše rešitve za hitro izdelavo prototipov krmilnih sistemov. Namesto spreminjanja V/I-vezij v proizvodnih krmilnikih zaradi prilagajanja spremembam vmesnikov smo za hitro izdelavo prototipa krmilnika za gorivno celico (FCU) uporabili sistem CompactRIO. S sistemom CompactRIO smo se hitro prilagodili spremembam v zasnovi in preizkusili nova tipala ter izvršilne člene v izvirnih rešitvah.

Izvedli smo sistem HIL, ki ga je sestavljal krmilnik NI PXI-8186 v kombiniranem ohišju PXI/SCXI NI PXI-1010 z ustreznimi V/I-karticami PXI in SCXI ter vodilom CAN. S tem sistemom smo preverili delovanje strategije krmiljenja, ki je bila vgrajena v krmilniku CompactRIO. Ta sistem HIL je bil izveden z enoto LabVIEW Real-Time in ima grafični uporabniški vmesnik (GUI), ki daje ročne in samodejne vhodne signale za ECU, kar omogoča preverjanje delovanja strategije krmiljenja skupaj s prikazom povratnih informacij V/I-opreme krmilnika CompactRIO na monitorju HIL. Preverjanje sistema HIL je bilo izredno uspešno, saj smo lahko strategijo po prenosu sistema CompactRIO v dejanski sklop FCS uporabili skoraj brez sprememb.

Zmogljivost, ko jo potrebujete

Upravljanje avtomobilskih pogonskih sistemov zahteva delovanje v realnem času. Za dosego determinizma, ki ga zahteva delovanje v realnem času, ponuja enota LabVIEW Real-Time Module komercialni operacijski sistem za izvajanje v realnem času (RTOS) za izbrani krmilnik. Ko smo zaradi povečanja zmogljivosti prešli s krmilnika NI cRIO-9002 na vgnezdeni krmilnik za delovanje v realnem času NI cRIO-9012, je enota LabVIEW Real-Time samodejno preklopila med sistemoma RTOS Pharlap in VxWorks. Ker so izvedbo sistema RTOS prevzeli izdelki NI, se je naša ekipa namesto podrobnostim sistema RTOS lahko posvetila izdelavi krmilnika za gorivno celico.

Krmilnik FCS sprejema različne signale iz tipal, izvršilnih členov in drugih krmilnikov ter sistemov v vozilu. Vodilo CAN, ki je zdaj prisotno v vseh avtomobilskih sistemih, prenaša in sprejema bistveno večino V/I-podatkov znotraj ter zunaj sistema FCS. Med laboratorijskim preizkušanjem smo simulirali upravljanje vozila z obširno preizkusno postajo, ki je temeljila na okolju LabVIEW in je s podrejenim krmilnikom sistema FCS komunicirala preko vodila CAN. Zaradi naštetih razlogov je podpora za vodilo CAN, ki jo ponuja sistem CompactRIO, kritičnega pomena za avtomobilske aplikacije s sistemi FCS. Ko smo za svojo izvedbo vodila CAN potrebovali večjo zmogljivost, so nam v družbi NI hitro ponudili nedavno razvit način za podporo vodila CAN na hitrejših platformah na osnovi sistema VxWorks, kot je cRIO-9012. Poleg tega, da je omogočala uporabo vmesnika API za kanal CAN, je nova knjižnica za pretvarjanje paketov kanala CAN delovala še hitreje, tako da je skrajšala naš razvoj.

Izdelki NI so že dolgo znani po svoji podpori za odprte arhitekture sistemov. Orodje NI Measurement & Automation Explorer (MAX) je zlahka uvozilo podatkovne zbirke obvestil vodila CAN, ki so bile razvite z orodjem drugega proizvajalca sistemov CAN. S to funkcijo smo lahko izmenjali podatkovne zbirke brez prevajanja ali ponovnega kodiranja podatkovnih zbirk obvestil CAN.

Popolna integracija tehnologije

Za ta projekt smo izvedli strategijo krmiljenja z orodjem LabVIEW Professional Development System v povezavi z dvema dodatnima enotama. Najprej smo uporabili enoto LabVIEW Real-Time Module za izvedbo programske opreme, ki se izvaja v realnem času, da smo lahko programirali krmilnik za izvajanje v realnem času. Po tem smo izvedli programsko opremo za naprave FPGA z enoto LabVIEW FPGA Module, ki je izvajala vsa V/I-opravila, vključno z vodilom CAN. Obe dodatni enoti LabVIEW sta se popolnoma integrirali v razvojno okolje LabVIEW, grafično določanje razlik pa je bila samo ena  ključnih funkcij okolja LabVIEW, ki smo jih uporabili.

Kmalu je postalo pomembno tudi orodje NI Real-Time Execution Trace Toolkit, s katerim smo si pomagali pri reševanju težav z merjenjem časa. S tem orodjem smo našli dele vgnezdene kode za izvajanje v realnem času, ki se ni izvajala s pričakovano zmogljivostjo, in jo optimizirali, da smo dosegli potrebno zmogljivost v realnem času. Brez izdelkov, kot je NI Real-Time Execution Trace Toolkit, bi potrebovali drago zunanjo preizkusno opremo, na primer emulatorje in logične analizatorje.

Nekateri razvijalci imajo težave z izvedbo nadzora različic, vendar smo po zaslugi izvrstne integracije okolja LabVIEW s programsko opremo za nadzor različic Microsoft Visual SourceSafe, ki smo jo uporabljali med razvojem programske opreme, uspešno popolnoma integrirali nadzor različic. S preprostim desnim klikom na ikono izvorne enote VI v projektnem oknu LabVIEW lahko prikažemo seznam funkcij, kot sta prijava ali odjava datoteke. Preprosta uporaba programske opreme je ključnega pomena za pridobitev podpore razvijalcev za programsko opreme za upravljanje različic.

Povsod LabVIEW – naša motivacija za uporabo okolja LabVIEW

Strategijo krmiljenja za svoj prvi interno zasnovani sistem FCS smo izvedli v okolju LabVIEW tudi zaradi številnih drugih razlogov. Prvi razlog je bil, da je število razvijalcev, ki bi bilo potrebno za izvedbo standardnega postopka razvoja programske opreme, preseglo razpoložljive vire. Z uporabo okolja LabVIEW smo imeli dostop do širšega nabora virov, saj je več načrtovalcev že imelo izkušnje z okoljem LabVIEW, drugi pa so opravili izobraževanje. Drugi razlog je bila naravna sinergija med programsko opremo, razvito za hitro izdelavo prototipa krmilnika, in programsko opremo preizkusnih postaj, ki smo jih že razvili v okolju LabVIEW. Zaradi tega smo lahko souporabljali enote VI, uporabili isto razvojno okolje in imeli podobno strojno opremo.

Tretji razlog je povratna združljivost enot VI v okolju LabVIEW, tako da smo lahko znova uporabili enote VI, ki smo jih razvili že pred več kot 10 leti kot del svojega sistema HIL. Naš laboratorijski preizkusni sistem, ki temelji na strojni opremi NI in okolju LabVIEW, je poleg tega zlahka shranjeval podatke v zapisu datotek za pretakanje podatkov za tehnično upravljanje (TDMS), ki jih je mogoče analizirati v programski opremi za upravljanje podatkov NI DIAdem. Skupaj z običajno vizualizacijo podatkov smo uporabili DIAdem za hitro in samodejno iskanje po več podatkovnih datotekah, da smo našli motnje v zmogljivosti in jih opremili z opombami. Zadnji razlog je tehnična podpora družbe NI, ki je od nekdaj najboljša v panogi, kar je ključnega pomena za uspeh.

Družba Ford že dolgo sodeluje z družbo NI, okolje LabVIEW pa smo uporabljali za razvoj različnih vidikov vseh električnih vozil z gorivno celico, ki smo jih izdelali, nazadnje pa za uspešno zasnovo in izvedbo vgnezdenega krmilnega sistema za avtomobilski sistem FCS.

Informacije o avtorjih:
Kurt Osborne
Ford Motor Company
1201 Village Rd
Dearborn, MI 48121, ZDA
Tel.: 313-322-3202

National Instruments,
Instrumentacija, avtomatizacija in upravljanje procesov d.o.o.
Kosovelova ulica 15, 3000 Celje, Slovenija
Tel: + 386 3 425 4200, Fax: +386 3 425 4212
E-mail: ni.slovenia@ni.com
http://www.ni.com/slovenia

HR, MC, BA, RS, ME: + 386 3425 4200
SLO: 080 080 844