DISEÑO DE UN EMULADOR PARA DIAGNÓSTICO Y REPARACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO ELECTRÓNICO DE MOTORES CUMMINS ISX SIGNATURE

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1 DISEÑO DE UN EMULADOR PARA DIAGNÓSTICO Y REPARACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO ELECTRÓNICO DE MOTORES CUMMINS ISX SIGNATURE PAULA ANDREA ORTEGA Cod DIEGO ARLEY VELOSA Cod

2 DISEÑO DE UN EMULADOR PARA DIAGNÓSTICO Y REPARACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO ELECTRÓNICO (ECM) DE MOTORES CUMMINS ISX SIGNATURE PAULA ANDREA ORTEGA Cód ; DIEGO ARLEY VELOSA Cód Ingeniero Luis Carlos Díaz Rojas. DIRECTOR Hermes Eslava DOCENTE SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN INGENIERÍA EN CONTROL FACULTAD TECNOLOGICA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

3 INDICE 1. Introducción. 2. Estado del Arte. 3. Justificación. 4. Definición del problema. 5. Objetivo General. 5.1 Objetivos Específicos. 6. Delimitación. 7. Resultados Esperados. 8. Metodología. 9. Marco Teórico. 9.1 Descripción del Módulo de Control ECM. 10. Descripción del Emulador Diagrama 1 Entradas-salidas del Emulador 10.2 Diagrama 2 Análisis de sensores y actuadores 10.3 Diagrama 3 Análisis módulo ECM 10.4 Diagrama 4 Análisis arnés 11. Cronograma de Actividades. 12. Presupuesto. 13. Bibliografía. 14. Anexos. Poster.

4 1. INTRODUCCION El transporte de carga puede definirse como el movimiento de bienes entre dos puntos geográficos diferentes. Este movimiento puede darse de manera terrestre, aérea o marítima. El transporte de carga pesada en Colombia es considerado uno de los ostiones principales de la economía, si se tiene en cuenta que le aporta al producto interno bruto aproximadamente un 9%. El crecimiento vertiginoso de su parque automotor lo debe llevar a replantear estrategias que respondan al crecimiento del sector productivo, para que juntos lleven a Colombia a establecer las reglas de una verdadera competitividad. Si bien, el gobierno ha consentido por años un sector que parece ignorar las reglas de juego de la globalidad, tarde o temprano tendrá que asumir los costos de pretender buscar su sostenimiento mediante subsidios coercitivos. Al final del día deberá ser considerado, desarrollado y gerenciado como una verdadera empresa, por esta razón sus componentes constitutivos primarios, como son los vehículos se les debe dar el carácter de activo productivo y por supuesto con todos los derivados que de éstos emanen.

5 2. ESTADO DEL ARTE Dentro de los problemas principales que aquejan al sector automotor de carga, desde el punto de vista técnico están los mecánicos, eléctricos y electrónicos como consecuencia del desgaste por uso de la máquina o manipulación por parte de personal no calificado en procesos de mantenimiento. No cabe duda que se han diseñado sistemas que ayudan al diagnóstico de estas fallas en un 90%, sin embargo éstas no resuelven directamente el problema, y mucho menos si nos referimos específicamente a los daños electrónicos en periféricos o módulos de control de los motores. Las herramientas que existen para el diagnóstico de los motores en su mayoría se limitan a confrontar las señales de control en el sistema electrónico y enfocándose principalmente en la integridad de los periféricos, es decir, de sensores, actuadores, bombas, entre otros. También permiten establecer un posible daño en el sistema de control electrónico (ECM) pero de ninguna manera dispone de diagnóstico para la reparación misma del módulo. Entre los sistemas de diagnóstico tenemos: Escáner- Es un dispositivo que por medio de un hardware interactúa con el elemento a diagnosticar y por medio de un software muestra ciertos datos al usuario para su interpretación. El escáner para motores Cummins ISX realiza operaciones como lectura de códigos de falla y su descripción, borra códigos de falla, identificación del vehículo, entre otros. 1 1 Consultado Pagina web:

6 3. JUSTIFICACION En la mayoría de los casos cuando se presentan daños en los módulos electrónicos (ECM), los conductores y/o dueños de los vehículos, se dirigen a un taller de mecánica para que allí le arreglen dichos problemas. Se debe orientar a este sector para que cuando se presenten este tipo de fallas no se dirijan a un especialista en mecánica, sino a un especialista en electrónica para que le brinden una solución adecuada e integral. Cummins ha desarrollado un software llamado INSITE que mediante un protocolo universal de comunicación se conecta al módulo electrónico del motor (ECM) el cual realiza un escaneo para leer las fallas que éste presente. En Colombia los distribuidores y representantes de la marca Cummins, se limitan a cambiar un módulo usado por un módulo remanofacturado, el procedimiento para que Cummins realice esta venta es: el módulo usado es entregado a Cummins como parte de pago del módulo a adquirir. El módulo usado es exportado a fábrica donde es reparado y devuelto a Colombia para realizar una nueva venta. Así como Cummins repara dicho módulo y lo revende, en Colombia ya exite mano de obra calificada para prestar el servicio de reparación a un menor costo, con las garantías que esta demanda. El emulador será una herramienta que utilicen los ingenieros para la detección de fallas de una manera más rápida. El propósito es que identifique el estado de: Sensores y actuadores. Arnés. Módulo. El emulador al ser conectado al arnés instalado en el vehículo, debe identificar el estado de cada uno de los sensores y actuadores del mismo. También debe realizar pruebas al arnés e identificar si hay algún cable en corto que pueda afectar el funcionamiento general del sistema. Enviar señales para identificar cuál es el dispositivo dañado de acuerdo a la falla que presente el módulo.

7 4. DEFINICION DEL PROBLEMA Se debe garantizar una muy alta disponibilidad de estos activos y como tal es menester y perentorio garantizar una amplia cobertura de servicios tecnológicos que minimicen los tiempos muertos y al mismo tiempo los riesgos a que estos activos están sometidos por causas de la informalidad. Las pérdidas por lucro cesante son imputables en un 70% a problemas electrónicos y nos plantea el siguiente interrogante: Se constituye una gran oportunidad de aportar desarrollo tecnológico que mitigue dicho lucro y coadyuve con la competitividad de cara a las aperturas venideras?

8 5. OBJETIVO GENERAL Diseñar un emulador que permita diagnosticar y reparar daños del sistema de control y monitoreo electrónico de los motores Cummins ISX. 5.1 Objetivos Específicos Adquirir y proporcionar información del estado eléctrico y/o electrónico de los periféricos de entrada-salida. Identificar, localizar y reparar fallas del módulo de control electrónico ECM sin requerir un motor. Optimizar los tiempos de diagnóstico y prueba de funcionamiento del módulo ISX. Disminuir riesgos de daños eléctricos generados por instalaciones inadecuadas y/o agentes externos al sistema. Generar un informe detallado del estado general del módulo a través de una interfaz gráfica y de fácil análisis para el usuario.

9 6. DELIMITACION Con el diseño de este emulador se pretende brindar una herramienta que coadyuve al protocolo de mantenimiento general eléctrico y electrónico de los vehículos de transporte de carga pesada de manera rápida, eficiente y económica, además de aportar un producto tecnológico de diseño netamente colombiano, capaz de competir con los sistemas de diagnóstico especializados establecidos y utilizados en el país y en todo caso con el valor agregado de ser adquirido, fabricado y desarrollado en Colombia y orientado a las necesidades que aquí se presentan. Sin embargo, este proyecto está limitado específicamente para vehículos que poseen motores cummins ISX y por supuesto al módulo de control ECM con el fin de brindar un análisis específico y garantizado del funcionamiento de cada uno de los bloques que hacen parte de la estructura de dicho sistema.

10 7. RESULTADOS ESPERADOS El emulador para diagnóstico y reparación del módulo de control ECM y periféricos, garantizará un diagnóstico rápido y seguro ya que no se limitará a la simple lectura de alarmas sino por el contrario ejecutará procedimientos de revisión que garantice inclusive reportes de tipo predictivo, actualmente imposibles de detectar. Con este desarrollo se minimizarán los paros de máquina y se evitarán perdidas por lucro cesante y riegos. Para esto se seguirán una serie de pasos, con el fin de lograr el análisis respectivo como se describe a continuación: En primer lugar se aspira a recopilar la mayor cantidad de información técnica y señales propias de sensores, actuadores, indicadores y de todos los dispositivos externos participes en el funcionamiento del módulo. Posteriormente se hará el estudio riguroso del módulo, teniendo en cuenta todas las características eléctricas. Se escogerán los elementos o instrumentos a ser utilizados en el diseño. Con la información recolectada se procederá a realizar una comparación entre los sistemas de adquisición y visualización de datos instalados en el vehículo y los instrumentos seleccionados con anterioridad para poder definir los más adecuados y eficientes que se utilizarán en el emulador. Finalmente se procederá a diseñar un sistema de visualización y se espera que al ensamblar todas las partes que conformen el emulador se puedan realizar las pruebas pertinentes tanto de los módulos nuevos como los que se encuentren en mal estado, y así ejecutar los respectivos protocolos de ajuste y verificación del estado del modulo generando un diagnostico confiable y cumpliendo con los objetivos del proyecto.

11 8. METODOLOGIA La metodología que se debe llevar para el diseño e implementación del emulador de diagnóstico debe iniciar por una investigación exhaustiva de varios factores de funcionamiento de los motores cummins, sus módulos de control, periféricos y procedimientos de atención al cliente. Las principales fuentes de información serán los manuales técnicos, las hojas de especificación técnicas de los componentes electrónicos, los diferentes software de adquisición de datos y las investigaciones hechas a través del personal técnico de varios centros de diagnostico automotor especializado. Esto no solo con el fin de averiguar aspectos técnicos, sino que además sirva como soporte para estructurar el plan de trabajo y el presupuesto con el que se debe contar para la ejecución del proyecto. Además, se deberán estudiar las condiciones a tener en cuenta para la instalación y mantenimiento de los módulos cummins, y todas las recomendaciones que establezca el fabricante. Para lograr un entorno equivalente a la estructura funcional original del motor, se deberá seleccionar un conjunto de instrumentos y equipos que cumplan las normas y especificaciones técnicas establecidas. Simultáneamente se tomarán muestras de las señales de salida del módulo en condiciones de conexión normal y bajo conexión de carga crítica, para plasmar y verificar el comportamiento del sistema. Se diseñará una base de datos en la cual se pueda almacenar toda la información estadística de los comportamientos eléctricos de los elementos, de las fallas presentes y de las debidas correcciones que se llevaron a cabo para concretar una excelente reparación del módulo. Se desarrollara una interface grafica para el acceso del usuario al diagnóstico generado por el emulador. Por último se elaborará el documento final para su revisión y aprobación.

12 9. MARCO TEORICO 9.1 MODULO DE CONTROL ISX SIGNATURE. El módulo de control electrónico (ECM) es el centro de control del sistema. Procesa todas las señales y envía ordenes al sistema de combustible, vehículo, y a los dispositivos de control del motor. El ECM efectúa pruebas de diagnóstico en la mayoría de sus circuitos y activará un código de falla si se detecta un problema en uno de estos circuitos. Junto con el código de falla que identifica al problema, también es almacenada en la memoria una instantánea de los parámetros de operación del motor en el momento de activación de la falla. Los códigos de falla activos causarán que se active una lámpara de diagnóstico para avisar al operador. El ECM puede comunicarse con la herramienta de servicio INSITE y algunos otros controles del vehículo, tales como transmisiones, sistema de frenado antibloqueo (ABS), reducción automática de deslizamiento (ASR), elementos de visualización de tablero electrónico, etc., a través del nuevo enlace de datos o protocolo de comunicación SAE J1939 ó del enlace de datos más antiguo SAE J1708. Algunos vehículos y equipo tendrán redes J1939 que comunican varios de los controles inteligentes. 2 Los dispositivos de control del vehículo pueden controlar temporalmente la velocidad o torque del motor para efectuar una de sus funciones, tal como cambio de velocidad de la transmisión, frenado antibloqueo, etc. El sistema de control utiliza un número de sensores para proporcionar información sobre parámetros de operación del motor. Estos sensores incluyen: 1) Sensor de Temperatura del Refrigerante. 2) Sensor de Temperatura del Aire de Admisión. 3) Sensor de Presión del Múltiple de Admisión. 4) Sensor de Presión/Temperatura de Aceite. 5) Sensor de Posición del Cigüeñal del Motor (Solamente Signature, ISX, QSX15). 6) Sensor de Posición del Árbol de Levas del Motor. 7) Sensor de Presión de Aire Ambiente. 8) Sensor de Presión del Suministro de Combustible (Solamente Signature, ISX, QSX15). 9) Sensores Frontal y Trasero de Presión del Riel (Solamente Signature, ISX, QSX15). 10) Sensor de Restricción de Entrada de Combustible. 11) Sensor de Agua en el Combustible. 2 Manual de diagnóstico y reparación sistema control electrónico.

13 12) Sensor de Presión del Tanque Húmedo. Las siguientes entradas son proporcionadas por dispositivos del OEM seleccionados: 1) Sensor de Posición del Pedal de Acelerador. 2) Interruptor de Validación de Ralentí. 3) Interruptores Selectores del Freno de Motor. 4) Sensor de Nivel del Refrigerante. 5) Sensores de Velocidad del Vehículo. 6) Interruptores de Control de Característica, es decir; Interruptores de Control de Crucero. 7) Interruptor de Presión del Aire Acondicionado. 8) Acelerador Remoto. 9) PTO Remota. 10) Transmisión Top 2 Autoshift Sensor de Posición del Cambio.

14 10. DESCRIPCIÓN DEL EMULADOR El emulador para módulos cummins ISX, como su nombre lo indica funciona como un dispositivo que brinda un entorno análogo de los motores cummins a sus respectivos módulos de control ISX con el fin de generar, adquirir e interpretar cada una de las señales correspondientes a los sensores, actuadores y/o dispositivos de entrada y salida del módulo. A diferencia de un simulador, que sólo trata de reproducir el comportamiento del sistema, este emulador trata de modelar de forma precisa el dispositivo de manera que el módulo funcione como si estuviese siendo usado en el automotor original y además generar un diagnostico del estado eléctrico y electrónico del mismo. Aparte de la interpretación de los dispositivos de entrada y salida del sistema, es preciso emular el lenguaje de la máquina o el protocolo de procesamiento de la información del módulo de forma virtual con el fin de verificar incompatibilidades de software. Típicamente, un emulador se divide en módulos o bloques que corresponden de forma precisa a los subsistemas del equipo emulado. Para este emulador se han establecido los siguientes subsistemas de trabajo: Sistema de aplicación y adquisición de señales para dispositivos de entrada y salida. Sistema de procesamiento de datos del módulo ISX. Sistema de diagnóstico de periféricos. Interface grafica emulador-usuario. Lo más común es que los cableados de comunicación no sean emulados, por razones de simplicidad y rendimiento.

15 Diagrama 1 - Entradas-salidas del Emulador A. Sistema de aplicación y adquisición de señales para dispositivos de entrada y salida. En este subsistema, se establece un protocolo de aplicación de señales o datos para la activación y la adquisición de la información referente de software configurado en el modulo, basado en las características físicas y/o eléctricas de cada uno de los componentes a ser probados y analizados, como memorias, procesadores, comparadores, conversores y demás componentes que interactúan para el correcto funcionamiento del modulo ECM. Diagrama 2 Análisis de sensores y actuadores B. Sistema de procesamiento de datos del módulo ECM. En este bloque de trabajo se realiza la respectiva comparación, verificación y corrección de la información adquirida del modulo y de los periféricos conectados al emulador, con el fin de generar un diagnostico del estado eléctrico y electrónico de dichos elementos y de esta forma tomar los respectivos correctivos. Además, este bloque de procesamiento también se encarga de almacenar la información utilizada en la reprogramación del software del modulo, con el fin de cargar los parámetros de funcionamiento de todos los dispositivos programables internos.

16 Diagrama 3 Análisis módulo ECM C. Sistema de diagnóstico de periféricos El sistema de diagnóstico de los periféricos es un módulo del emulador en el cual se lleva a cabo el respectivo protocolo de prueba de cada uno de los sensores y actuadores conectados y previamente establecidos al control ISX con el fin de evaluar la falla, el desgaste o el estado en general de los mismos y de esta forma poder determinar el tipo de mantenimiento que se debe ejecutar. Diagrama 4 Análisis Arnés

17 D. Interface grafica emulador-usuario El emulador cuenta con una interface grafica de fácil manipulación que permite la visualización de las diferentes fallas y diagnósticos de los módulos y periféricos, así como de la ejecución de reprogramación de software para cada control ISX. Además, brinda la opción al usuario de generar una base de datos en la cual se pueda almacenar el historial de los módulos que han sido reparados con anterioridad y las respectivas fallas presentadas. Imagen Pantalla táctil

18 11. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ACTIVIDADES TIEMPO Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Adquirir toda la información técnica relacionada con los periféricos y específicamente con el módulo de control ISX signature Selección, verificación y prueba de elementos e instrumentos utilizados para la adquisición, generación y control de datos. Diseño del sistema de control general de emulación del módulo e interface gráfica del sistema. Integración de todos los procesos que compongan el emulador y puesta a prueba del mismo Análisis de resultados, y elaboración de documento final

19 12. PRESUPUESTO FUNCION CONTROL CANTIDAD VALOR UNITARIO SUBTOTAL - PLC 1 $280,800 $280,800 - TARJETAS AI 3 $80,000 $240,000 - TARJETAS AO 3 $80,000 $240,000 - MODULO CUMMINS 1 $200,000 $200,000 $960,800 VISUALIZACION CANTIDAD VALOR UNITARIO SUBTOTAL - PANTALLA TACTIL 1 $750,000 $750,000 $750,000 CONEXIÓN CANTIDAD VALOR UNITARIO SUBTOTAL - CABLES GL $150,000 $150,000 - CONECTORES GL $100,000 $100,000 - LEDS GL $30,000 $30,000 - OTROS GL $200,000 $200,000 $480,000 TOTAL $2,190,800

20 13. REFERENCIAS Cummins, Manual de diagnóstico y reparación sistema de control electrónico. Cummins, Manual de operación y mantenimiento

21 14. ANEXO

22 6 Conclusiones Informe Elementos Potencia y Control El transporte de carga pesada en Colombia deberá ser considerado, desarrollado y gerenciado como una verdadera empresa, por esta razón sus componentes constitutivos primarios se les debe dar el carácter de activo productivo. Se debe garantizar una alta disponibilidad de estos activos y minimizar los tiempos muertos. Las pérdidas por lucro cesante son DISEÑO DE UN EMULADOR PARA DIAGNÓSTICO Y REPARACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO ELECTRÓNICO DE MOTORES CUMMINS ISX SIGNATURE Diego Arley Velosa, Paula Andrea Ortega Luis Carlos Díaz Ingeniero de Desarrollo, I+D Ingeniería Ltda. 1 Introducción Objetivos imputables en un 90% a problemas electrónico. El propósito es diseñar un emulador que identifique el estado de: - Sensores y actuadores, Arnés, Módulo. El emulador al ser conectado al arnés instalado en el vehículo, debe identificar el estado de cada uno de los sensores y actuadores del mismo. También debe realizar pruebas al arnés e identificar si hay algún cable en corto que pueda afectar el funcionamiento general del sistema. Enviar señales para identificar cuál es el dispositivo dañado de acuerdo a la falla que presente el módulo. Descripción del Emulador 4 I + D Inge niería El emulador al ser conectado al arnés instalado en el vehículo, debe identificar el estado de cada uno de los sensores y actuadores del mismo. También debe realizar pruebas al arnés e identificar si hay algún cable en corto que pueda afectar el funcionamiento general del sistema. Enviar señales para identificar cuál es el dispositivo dañado de acuerdo a la falla que presente el módulo Emulador- secciones Análisis Módulo 2 Diseñar un emulador fácil de usar e interpretar por el usuario que permita diagnosticar y reparar el sistema de control y monitoreo electrónico de los motores Cummins ISX. Proporcionar diagnósticos de periféricos de entrada-salida. Identicar, localizar y reparar fallas del módulo de control electrónico ISX sin requerimiento de un motor. 3 Descripción Funcionamiento Módulo El módulo de control electrónico (ECM) es el centro de control del sistema. Procesa todas las señales y envía ordenes al sistema de combustible, vehículo, y a los dispositivos de control del motor. El ECM efectúa pruebas de diagnóstico en la mayoría de sus circuitos y activa un código de falla si se detecta un problema en uno de estos circuitos. Junto con el código de falla que identifica al problema, también es almace- nada en la memoria una instantánea de los parámetros de operación del motor en el momento de activación de la falla. Los códigos de falla activos encenderán una lámpara de diagnóstico para avisar al operador. El ECM puede comunicarse con la herramienta de servicio INSITE y algunos otros controles del vehículo, tales como transmisiones, sistema de frenado antibloqueo (ABS), reducción automática de deslizamiento (ASR), elementos de visualización de tablero electrónico, etc., a través de un enlace de datos o protocolo de comunicación. Algunos vehículos y equipo tendrán redes que comunican varios de los controles inteligentes. Intrerfaz Emulador Módulo ECM ELEMENTO OBSERVACIÓN 5.2 Análisis Arnés Intrerfaz Informe MC5626 J42HC ATX4520 MCI359O T567834LP R200 35? R1 100K? FL CAN9876 OK OK CAMBIO OK OK OK OK CAMBIO CAMBIO Resultados Análisis Sensores - Actuadores Intrerfaz 5.3 Emulador Arnés Informe Emulador Sensores y Actuadores ESTADO SENSOR TEMP. REFRIGERANTE SENSOR PRESIÓN MULTIPLE SENSOR POSICIÓN CIGÜEÑAL. Analizar cada una de las señales en los elementos internos del Módulo requiere de algoritmos específicos para determinar su estado funcional.. El diseño de un emulador para detección de fallas en los módulos ECM, disminuye los tiempos de reparación considerablemente y reduce daños por mala manipulación técnica en el proceso de ejecución de pruebas. El sistema de diagnostico del estado del modulo a través de un reporte gráfico genera confianza y tranquilidad en el usuario. Informe SENSOR PRESIÓN AIRE SENSOR AGUA EN COMBUST. SENSOR POSICIÓN ARBOL SENSOR NIVEL REFRIGERANTE 7 Referencias s/

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