EURINS HAL - Sistema di acquisizione e configurazione delle

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EURINS HAL - Sistema di acquisizione e configurazione delle
centraline elettroniche mediante la linea K
Obiettivo
Lo scopo è realizzare un sistema compatto che permetta di accedere ai parametri di
configurazione della centralina elettronica di gestione del cambio tipo Formula 1 a bordo delle
nuove vetture Maserati, riuscendo automaticamente a effettuare alcune regolazioni, in base ad
algoritmi di riferimento, finalizzate alla messa a punto pre-vendita.
Soluzione
E’ stato realizzato un piccolo personal computer, adatto a essere installato a bordo veicolo, nel
quale eseguire un programma LabVIEW che implementa tutte le funzioni e i protocolli necessari
a ottenere un sistema automatico di acquisizione e configurazione, minimizzando gli interventi
dell’operatore a vantaggio dell’affidabilità e della ripetibilità.
Introduzione
La tradizione Maserati impone che le vetture consegnate ai clienti garantiscano la massima
fruibilità delle prestazioni offrendo un alto livello di comfort. Ancora oggi vengono assemblate
manualmente e collaudate una a una; risulta quindi evidente l’esigenza di sistemi di messa a
punto automatici in grado di determinare le stesse regolazioni e garantire uniformità nelle
caratteristiche di un prodotto che è quasi unico in ogni suo esemplare.
L’obiettivo è l’ottimizzazione della dinamica di cambio marcia ottenendo il migliore
compromesso tra efficacia e comfort, evitando un comportamento troppo brusco della vettura
senza però determinare alcuno slittamento; il tipo di prodotto è infatti destinato a una clientela
che va dall’appassionato che non disdegna una guida “corsaiola” alla distinta signora che guida
nel traffico cittadino.
Caratteristiche del sistema
Recentemente le case automobilistiche più prestigiose hanno cominciato a introdurre nelle
vetture di serie componenti derivati direttamente dalle competizioni sportive; questo si è
verificato anche per la Maserati che propone un cambio elettronico di tipo Formula 1 con
comandi al volante. Questo dispositivo è gestito da una centralina elettronica dedicata (ECU,
Electronic Control Unit), a sua volta collegata con le altre ECU presenti a bordo (motore,
ASR/ABS, ecc.).
Mediante una linea di comunicazione bi-direzionale denominata K e conforme allo standard
ISO9141 è possibile accedere ai parametri interni sia per leggerli che per modificarli; risulta
quindi evidente che un software sviluppato ad-hoc permette di utilizzare una porta nata solo per
la diagnostica come se fosse un potente acquisitore e contemporaneamente un dispositivo di
“tuning”.
La principale novità del sistema HAL è nella sua stessa natura: la sua applicazione è
tradizionalmente tipica di dispositivi con hardware creato su misura e controllato da un firmware
destinato a eseguire solo e sempre determinate operazioni, cioè essenzialmente strumenti chiusi e
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rigidi; il sistema HAL invece utilizza un’ architettura hardware di tipo computer industriale nel
fattore di forma 3.5” con sistema operativo Windows 32 bit, ottenendo uno strumento aperto e
completamente programmabile in LabVIEW a vantaggio dell’espandibilità e della facilità d’uso.
Il sistema utilizza una porta seriale RS232 e un’apposita interfaccia di conversione dei livelli
logici per collegarsi alla ECU.
Quanto detto non può non fare pensare alla sostanziale differenza in termini di affidabilità tra i
sistemi rigidi ma dedicati e quelli basati su PC; proprio a questo livello è risultata vincente la
scelta di LabVIEW 6i come piattaforma di sviluppo del software per riuscire ad abbinare tutti i
protocolli di comunicazione e gli algoritmi di calcolo con le procedure di configurazione
automatica, gestione dei malfunzionamenti e attivazione delle relative contromisure che fanno la
differenza tra un semplice strumento di misura e uno vero e proprio dispositivo di acquisizione e
controllo “stand-alone”.
Non bisogna poi sottovalutare l’importanza per la Maserati di avere un sistema intrinsecamente
predisposto a essere ampliato per le future esigenze; l’investimento fatto nell’ hardware è infatti
destinato a mostrare tutti i suoi vantaggi quando saranno necessari altri protocolli per altre
vetture, oppure altri tipi di operazioni sui dati: l’architettura del sistema HAL permetterà infatti
di limitare gli interventi al solo ambito software, a vantaggio di un costante aggiornamento di
tutti i sistemi utilizzati e della continuità nelle procedure.
Funzionamento del sistema
All’interno della ECU dedicata al cambio elettronico vengono continuamente elaborati numerosi
parametri provenienti da sensori e da algoritmi di calcolo; in particolare risultano critiche due
grandezze: l’indice di degrado e il PIS (posizione inizio slittamento) della frizione. Il primo tiene
conto dell’usura dei dischi della frizione e viene aggiornato in occasione degli spunti, cioè delle
partenze da fermo della vettura; il secondo invece esprime una quantità relativa alla distanza tra i
due dischi. E’ fondamentale capire come questi due parametri siano in relazione: aumentando
l’usura della frizione occorre avvicinare i due dischi per avere uno spunto efficace e immune da
slittamenti, evitando però di esagerare perché si otterrebbe un comportamento estremamente
brusco da parte di una vettura con 400 cavalli di potenza.
Ogni esemplare monta una frizione che non è mai identica alle altre; mentre per le normali
vetture questo può tradursi in una diversa sensibilità di manovra da parte del guidatore, per
queste auto è indispensabile uscire dalla linea di assemblaggio e collaudo con una configurazione
pressoché perfetta. L’importanza data al cliente fa sì che ogni vettura sia provata da un
collaudatore, ma l’aumento delle unità prodotte ogni giorno e l’esigenza di giudizi assolutamente
oggettivi impone che gli stessi collaudatori si limitino a eseguire le corrette manovre di prova
(cioè una successione di spunti alternati a fermate) mentre spetti a uno strumento decidere il
valore ottimale del PIS in base al comportamento della frizione.
Si è pertanto deciso di dotare ogni collaudatore di un sistema HAL; date le sue dimensioni ridotte
(24 X 20 X 11 cm), il contenitore antiurto, la presenza di una comoda maniglia e la
predisposizione a essere alimentato direttamente dalla batteria dell’auto con un basso consumo
(minore di 2 A) l’installazione a bordo richiede solo pochi istanti e, una volta acceso,
automaticamente attiva la comunicazione con la ECU ed è possibile controllare visivamente la
qualità della connessione. A questo punto è sufficiente premere sul display dotato di touchscreen il pulsante “Auto SET” (visibile in figura 1) e iniziare la prevista successione di spunti: il
software continuamente acquisisce, tra gli altri, l’indice di degrado della frizione, calcola il PIS
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ottimale e lo scrive dentro la ECU, determinando un comportamento leggermente diverso spunto
dopo spunto e arrivando a convergere al valore ottimale.
Soprattutto durante lo sviluppo delle nuove vetture non è raro che vengano modificati i criteri di
elaborazione interna delle ECU, determinando così l’esigenza di un aggiornamento
dell’algoritmo di calcolo del PIS nel sistema esterno di configurazione; nell’ottica di fornire uno
strumento completamente configurabile senza essere costretti continuamente a cambiarne il
codice di programmazione viene data la possibilità all’operatore di definire e memorizzare i
coefficienti che caratterizzano l’algoritmo, oltre a potere eventualmente imporre manualmente un
valore di PIS (“Manual SET” in figura 1) nel caso di prove anomale.
Succede poi che un esemplare possa richiedere un particolare approfondimento dell’analisi dei
sui parametri di funzionamento; ecco che il sistema HAL permette anche di essere utilizzato
come dispositivo di acquisizione e visualizzazione di importanti grandezze quali i giri degli
alberi del motore e del cambio, la coppia richiesta dal collaudatore, la velocità di spostamento e
ancora l’indice di degrado della frizione (figura 2). Tipicamente è interessante capire come i due
regimi degli alberi arrivino al punto di contatto (spunto) in base all’uso dell’acceleratore; il
sistema è già predisposto, semplicemente premendo sul touch-screen il pulsante “START”
(figura 2) per mettersi in attesa che la velocità diventi maggiore di zero (cioè che la vettura parta)
per poi acquisire le suddette grandezze dalla ECU per un tempo impostabile e salvarle in un file
in formato testo. Premendo il pulsante “VIEW” l’operatore può immediatamente rivedere i dati
sia in formato numerico che grafico direttamente nello strumento, oppure mediante l’apposito
programma di visualizzazione e analisi fornito con il sistema e installato in un computer da
ufficio (figura 3).
Un’altra caratteristica di HAL è infatti la presenza di una linea ethernet per la connessione alla
rete locale; questo permette così di effettuare il “download” dei dati a vantaggio del
mantenimento della memoria vuota nello strumento (comunque in grado di conservare molti
giorni di prove) e dell’indipendenza tra l’esecuzione delle attività di bordo e l’analisi dei dati.
Quest’ultima prevede la gestione di ogni singola curva in maniera indipendente o combinata con
altre, potendo anche ingrandire porzioni del grafico totale, e la presenza di due cursori permette
di effettuare calcoli sia assoluti che relativi; vale comunque la pena ricordare che i dati sono in
formato testo tabulato per i comuni programmi di foglio di calcolo e quindi gestibili all’interno
di numerosi altri sistemi di analisi.
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Conclusioni
Adottando LabVIEW 6i come piattaforma di sviluppo è stato possibile utilizzare un’architettura
hardware di tipo computer industriale laddove tipicamente sembrerebbe indispensabile scegliere
soluzioni rigidamente vincolate all’applicazione sia come hardware che come firmware, senza
rinunciare alle procedure di autodiagnosi e agli automatismi indispensabili per un utilizzo
prettamente “stand-alone”.
Il vantaggio è stato molteplice: si va dalla velocità di sviluppo del programma (soprattutto in fase
di “debugging”) alla sua versatilità per attività diverse tra loro, dalla possibilità di fornire
un’interfaccia utente su misura per le esigenze del cliente alla garanzia di disporre di un sistema
sicuramente espandibile, arrivando fino alla gestione dei dati in maniera che, pur essendo di uso
quotidiano nei computer che abbiamo sulla scrivania, risulta decisamente rivoluzionaria per uno
strumento compatto nato per essere installato a bordo di veicoli.
A questo proposito vale la pena accennare alla possibilità di integrare nel sistema un dispositivo
di controllo remoto e teletrasmissione dei dati mediante linea GSM oppure radio, oltre
all’espandibilità del programma di analisi dati a essere fruibile dall’intera intranet aziendale.
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Figura 1 - Pannello di regolazione del PIS (manuale o automatica)
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Figura 2 - Pannello di acquisizione parametri dalla ECU
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Figura 3 - Pannello di visualizzazione e analisi dei dati acquisiti
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