面向智能化汽車電池控制器燒錄系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王峰 嚴(yán)浩浩 趙鑫

摘? 要：針對某廠電池控制器程序燒錄自動化程度低、生產(chǎn)離散化嚴(yán)重的問題，對其電池生產(chǎn)線電池管理系統(tǒng)燒錄工序模塊進(jìn)行分析和研究。采用與車間MES系統(tǒng)相結(jié)合的方法對燒錄技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了基于LabVIEW編程語言的汽車BMS燒錄上位機軟件，實現(xiàn)其與車間MES系統(tǒng)的交互。通過模塊化的設(shè)計，降低了各個模塊之間的耦合度，便于日后燒錄系統(tǒng)的更新、升級和維護(hù)，使該系統(tǒng)具有一定的可擴展性。結(jié)果表明，該上位機軟件與車間MES系統(tǒng)交互性好，實現(xiàn)了生產(chǎn)線燒錄自動化和生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息化。

關(guān)鍵詞：燒錄;MES;LabVIEW

中圖分類號：TP278? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design and Implementation of Burning System for

Intelligent Automobile Battery Controller

WANG Feng， YAN Haohao， ZHAO Xin

（School of Automotive and Transportation Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430018， China）

1558188066@qq.com; yanhaohao2021@163.com; zhaoxinylm@163.com

Abstract： Aiming at the problems of low-degree automation of program programming of battery controller and serious discretization of production in a certain factory， analysis and research on the programming process module of the Battery Management System （BMS） on its battery production line are carried out. The programming method is improved by combining with workshop MES （Manufacturing Execution Systems） system. This paper proposes to design host computer software of the automobile BMS programing based on LabVIEW programming language， realizing the interaction with the workshop MES system. Through modular design， coupling degree between various modules is reduced， and it is convenient to update， upgrade and maintain the programming system in the future. The system has a certain degree of scalability. Results show that the host computer software has good interaction with the workshop MES system， and realizes the automation of production line programming and production data informationization.

Keywords： programming; MES; LabVIEW

1? ?引言（Introduction）

隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展和國家政策的支持，新能源汽車在市場中的占比日益增加。電池作為新能源汽車的動力來源，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）備受關(guān)注，電池控制器程序燒錄得到了各大主機廠的重視，其開發(fā)需求也在不斷增加。而對于廠商而言，使用傳統(tǒng)燒錄器進(jìn)行程序燒錄的方法已經(jīng)不能滿足其生產(chǎn)要求，開發(fā)出一套自動化程度高、信息化集中的燒錄軟件是非常必要的。

國內(nèi)傳統(tǒng)的燒錄方法是利用PC機將燒錄程序存儲到燒錄器中，然后將燒錄器與電池包相連，通過操作燒錄器上的按鈕完成BMS的程序燒錄。此方法普遍是人工作業(yè)，作業(yè)人員多，燒錄效率低下且成功率不太理想。國外的燒錄技術(shù)發(fā)展較為成熟，如美國Data IO的PSV7000和XELTEK的SUPERBOT系列[1]，其特點是能同時多臺燒錄，燒錄速度快，但是成本較高，燒錄信息離散，不便于集中管理。

為響應(yīng)國家號召，順應(yīng)汽車未來發(fā)展趨勢，在工業(yè)4.0的背景下，將傳統(tǒng)行業(yè)機械化和大數(shù)據(jù)時代信息化進(jìn)行深度融合，打造數(shù)字化、智能化、現(xiàn)代化工廠。其中制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System， MES）是實現(xiàn)智能車間關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本文設(shè)計的上位機軟件與MES系統(tǒng)進(jìn)行交互，基于MES通過多種技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，開發(fā)出一個智能化的電池控制器燒錄系統(tǒng)。

2? 電池控制器燒錄系統(tǒng)方案設(shè)計（Design of battery controller programming system）

根據(jù)車間生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，本燒錄系統(tǒng)設(shè)計為線邊燒錄的形式，集成在電池生產(chǎn)線燒錄工位。BMS燒錄系統(tǒng)分為自動化和半自動化兩種燒錄方式。半自動燒錄是通過掃碼槍直接讀碼獲取電池包信息，用于燒錄數(shù)量少和燒錄失敗再燒錄的情況;自動燒錄是通過接收燒錄工位PLC的信號，配合無線射頻識別技術(shù)（RFID）讀取電池包電子標(biāo)簽獲取信息，用于批量燒錄生產(chǎn)的情況。

該上位機軟件通過CAN工具與下位機建立對話服務(wù)，利用條碼和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并與MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器相互關(guān)聯(lián)，以LabVIEW作為上位機軟件開發(fā)平臺，控制調(diào)用BootLoader。數(shù)據(jù)下載過程遵循UDS協(xié)議，根據(jù)規(guī)定的服務(wù)命令完成數(shù)據(jù)傳輸[2]。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

BMS燒錄系統(tǒng)的硬件主要包括工控機、PLC、CAN接口設(shè)備、USB控制燈塔、掃碼槍、顯示器和RFID讀取器。車間MES系統(tǒng)和外部接口如圖2所示，目前常用的設(shè)備接口形式有以太網(wǎng)設(shè)備、串口設(shè)備（RS-232）等幾種。通常與系統(tǒng)、計算機類的硬件接口均為以太網(wǎng)形式，串口形式設(shè)備接口簡單方便，數(shù)據(jù)接口多為數(shù)據(jù)庫或文件交換方式。

本文設(shè)計的燒錄系統(tǒng)采用USB-CAN作為硬件接口設(shè)備與下位機進(jìn)行通信，選用NI公司旗下的板卡，型號為USB-8502。其通信穩(wěn)定流暢，具有數(shù)據(jù)速率靈活高速的特點，能有效提高燒錄效率。

3? 基于LabVIEW的上位機軟件設(shè)計（Software design of host computer based on LabVIEW）

3.1? ?上位機軟件運行流程

整個系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。電池包進(jìn)入燒錄工位，首先獲取電池包流水號，通過流水號信息與MES系統(tǒng)進(jìn)行交互，獲取工件的關(guān)鍵參數(shù)。把關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入需要燒錄的程序中，啟動燒錄檢查。檢查燒錄內(nèi)容的完整性以及燒錄程序與電池包流水號是否匹配。將經(jīng)過校驗的數(shù)據(jù)燒入相應(yīng)的程序段之中，從而使數(shù)據(jù)固化[3]。燒錄開始后，利用LabVIEW編寫的程序調(diào)用BootLoader并加載完成燒錄任務(wù)。對燒錄結(jié)果進(jìn)行判斷，結(jié)果為OK，則程序燒錄成功;若燒錄失敗，生成錯誤信息，最終上傳至MES系統(tǒng)服務(wù)器。

3.2? ?三層式結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于LabVIEW自身的特性，針對其數(shù)據(jù)流的編程方式，上位機軟件采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為頂層、邏輯層和驅(qū)動層。頂層主要包括人機界面和系統(tǒng)流程控制;邏輯層負(fù)責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)的各種邏輯功能，例如配置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)查詢等;驅(qū)動層負(fù)責(zé)與硬件進(jìn)行通信和文件I/O等[4]。

對系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，并規(guī)劃模塊之間的聯(lián)系，根據(jù)模塊的功能來編寫程序，設(shè)計成相應(yīng)的子VI，最后進(jìn)行測試與調(diào)試。本軟件架構(gòu)的最大優(yōu)點是可使程序代碼的再使用性最大化。在不同邏輯層中的VI可重復(fù)使用相同驅(qū)動層中的VI;而在頂層VI中，又可重復(fù)使用相同邏輯層中的VI。因此，在軟件運行過程中，頂層VI只需將邏輯層VI做最有效的調(diào)用編寫，同時規(guī)定每層的VI不能跨層調(diào)用，且同層的VI不能互相調(diào)用。

上位機軟件的三層式結(jié)構(gòu)架構(gòu)如圖4所示。

3.3? ?BMS燒錄主程序設(shè)計

LabVIEW的編程可分為四大模塊，分別為數(shù)據(jù)庫訪問模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、BootLoader模塊。

（1）基于ODBC技術(shù)的數(shù)據(jù)庫訪問模塊

該模塊設(shè)計了燒錄信息的儲存、管理和查詢功能。生產(chǎn)線上數(shù)據(jù)之間的存儲比較復(fù)雜，采用讀取文件的方式來獲取數(shù)據(jù)是很難實現(xiàn)的，因此需要利用數(shù)據(jù)庫來存儲、管理和查詢數(shù)據(jù)。ODBC作為公共數(shù)據(jù)化接口，能夠以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)處理數(shù)據(jù)庫。為了使得應(yīng)用程序與指定數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效合理的通信，使用上位機程序訪問ODBC，即在LabVIEW提供大量底層VI函數(shù)的情況下，結(jié)合使用labSQL工具包，利用ADO與ODBC連接，以此訪問支持ODBC的SQL數(shù)據(jù)庫。利用ADO與ODBC訪問數(shù)據(jù)庫的過程示意圖如圖5所示。

（2）基于串口通信的報警模塊

作為一個工業(yè)級別的燒錄軟件，工位燒錄異常報警是必不可少的。生產(chǎn)現(xiàn)場安裝了控制燈塔，使用過程中根據(jù)不同的情況，VISA讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制燈塔，在接收到數(shù)據(jù)后做出相應(yīng)的回應(yīng)，通過警示燈的狀態(tài)變化判斷燒錄工位狀態(tài)正常與否，其原理圖如圖6所示。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，對串口的配置依據(jù)相應(yīng)的通信規(guī)則進(jìn)行制定，按照要求對通信端口的傳輸速率、Start位、Stop位和檢驗位等參數(shù)進(jìn)行配置[5]。VISA的串口配置要與控制燈塔的串口配置一一對應(yīng)。

（3）基于PLC技術(shù)的數(shù)據(jù)通信模塊

上位機與PLC通信需要LabVIEW安裝數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊（NI DSC），結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)與PLC技術(shù)，通過NI OPC服務(wù)器與西門子S7-1500進(jìn)行實時通信。NI公司的OPC服務(wù)器提供了西門子生產(chǎn)廠商的驅(qū)動，省去了編寫底層驅(qū)動的工作。在LabVIEW項目中，通過I/O服務(wù)器公布共享變量來與OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問，利用OPC和PLC的“握手機制”，從而實現(xiàn)PLC與上位機的實時通信。本系統(tǒng)通信原理如圖7所示。

OPC and PLC

建立通信的具體操作步驟如下：

①新建通道，對通道數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。在裝置驅(qū)動下拉列表框中選取西門子TCP/IP Ethernet，所需其他參數(shù)使用默認(rèn)數(shù)據(jù)。

②新建設(shè)備，對設(shè)備信息進(jìn)行配置。在Device model下拉列表框中選取S7-1500，在Device ID中輸入與PLC同樣的IP地址。

③設(shè)置PLC中變量綁定的標(biāo)簽變量。首先將名稱寫入所需位置，然后輸入進(jìn)行配合的地址信息（該地址已設(shè)置完畢），繼而設(shè)置標(biāo)簽變量屬性，最后通過地址的方式對其與PLC中的變量進(jìn)行綁定[6]。本程序創(chuàng)建的綁定變量如圖8所示。

（4）BootLoader模塊

該模塊是實現(xiàn)電池控制器程序燒錄的關(guān)鍵。BootLoader在線燒錄主要依據(jù)UDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，按照UDS協(xié)議規(guī)范來處理會話。BootLoader通過服務(wù)指令發(fā)送診斷請求，控制器接收指令，做出相應(yīng)的診斷響應(yīng)，其實質(zhì)是一種客服端和服務(wù)器的通信服務(wù)。依據(jù)BootLoder數(shù)據(jù)的下載流程，編寫上位機軟件向下位機控制器燒錄程序。其數(shù)據(jù)的下載流程大致分為三個階段，分別為：編程階段、主編程階段、后編程階段[7]。具體流程如圖9所示。

4? 面向MES端的系統(tǒng)功能實現(xiàn)（Realization of system function for MES）

MES系統(tǒng)是從經(jīng)營戰(zhàn)略到具體生產(chǎn)之間的橋梁和紐帶，在MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)燒錄過程可視化監(jiān)控、燒錄結(jié)果實時采集、燒錄內(nèi)容自動獲取、燒錄參數(shù)與電池型號自動配置、燒錄數(shù)據(jù)查詢追溯、人員權(quán)限管理以及輸出各類報表等功能。BMS燒錄軟件和車間MES系統(tǒng)交互的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)庫中表格之間建立聯(lián)系。

4.1? ?燒錄數(shù)據(jù)庫表格建立

根據(jù)對燒錄流程的分析，為BMS燒錄系統(tǒng)設(shè)計了主要數(shù)據(jù)庫表格，其字段涵蓋了燒錄完整的流程信息，如表1所示。將PartSN（電池包流水號）設(shè)置成主鍵，利用SQL數(shù)據(jù)中的主鍵和外鍵約束，與MES服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的表格建立聯(lián)系[8]。

4.2? ?數(shù)據(jù)采集

BMS燒錄工位采用基于PLC的控制系統(tǒng)。為了更好地完成生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫集成，需對所采集的數(shù)據(jù)庫和PLC數(shù)據(jù)地址與MES系統(tǒng)內(nèi)部采集地址相關(guān)聯(lián)。通過MES系統(tǒng)PLC與設(shè)備PLC的實時交互，最終完成基于PLC的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實時采集。本文采用的是條碼地址配置，通過把PLC條碼存儲地址和MES系統(tǒng)條碼采集地址建立一一對應(yīng)的關(guān)系，最終利用OPC訪問技術(shù)讀取條碼信息[9]。

4.3? ?人員權(quán)限管理

為防止非相關(guān)人員操作，對人員進(jìn)行權(quán)限管理。用戶分為兩種，一種為操作用戶，可以登錄進(jìn)去操作;另一種為管理用戶，可對軟件運行涉及的人員信息進(jìn)行管理，為人員賦予角色，并對其進(jìn)行權(quán)限分配，可以起到定職定責(zé)的作用。對人員表格中員工編號進(jìn)行角色分配，不同的角色權(quán)限也不同。用戶權(quán)限管理如圖10所示。

4.4? ?數(shù)據(jù)的查詢與追溯

在查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)時，可以通過電池包的型號確認(rèn)要查詢的表名，查詢流程如圖11所示。當(dāng)獲取查詢數(shù)據(jù)時（掃碼槍讀取或人工輸入），根據(jù)標(biāo)簽辨識標(biāo)識對象類型;當(dāng)確認(rèn)為電池包工件時，由工件產(chǎn)品碼中的標(biāo)簽生成的時間來確認(rèn)理論上對應(yīng)的表名稱。查詢數(shù)據(jù)庫中所有歷史記錄的工件生產(chǎn)信息表，尋找是否存在對應(yīng)表。存在對應(yīng)表時，直接去對應(yīng)的表中查詢，返回查詢結(jié)果。一般而言，不存在該表和查詢無結(jié)果都是異常結(jié)果，代表其信息未記錄或者記錄錯誤。為確保信息的準(zhǔn)確性，對所有的記錄表遍歷查詢，該查詢過程耗時較長，但是異常狀態(tài)發(fā)生的概率極小。

5? ?實際應(yīng)用（Practical application）

在實際應(yīng)用中，該軟件完全能滿足軟件刷寫功能，如圖12所示為上位機軟件人機交互界面。經(jīng)過一段時間的驗證，電池控制器燒錄時間控制在100 s內(nèi)，在生產(chǎn)線上刷寫自動化程度高，燒錄效率快，大大減少了人力資源。由此可見，該燒錄系統(tǒng)具有很大可行性。

監(jiān)控工位管理人員可利用MES系統(tǒng)對燒錄工位進(jìn)行實時監(jiān)管。通過服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息可實現(xiàn)質(zhì)量問題的匯總，比如燒錄失敗、程序不匹配、燒錄參數(shù)無法獲取等發(fā)生的頻率，并可通過表格和柱狀圖的形式呈現(xiàn)出來，方便管理者查找分析結(jié)果背后的實際問題和質(zhì)量原因，為明確相關(guān)責(zé)任提供可靠依據(jù)。

6 結(jié)論（Conclusion）

本文利用LabVIEW調(diào)用外部BootLoader進(jìn)行BMS軟件燒錄，并與車間MES系統(tǒng)相結(jié)合，從而設(shè)計了一套自動化程度和刷寫效率高的燒錄軟件。有了MES系統(tǒng)作為輔助，BMS燒錄系統(tǒng)更加智能化。此外，該燒錄軟件的通用性高，模塊功能分明，軟件開發(fā)師可根據(jù)具體的需求對程序稍做修改和添加，即可快速完成軟件的修復(fù)或升級，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本和周期。

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作者簡介：

王? 峰（1985-），男，博士，高級工程師.研究領(lǐng)域：智能制造，工業(yè)信息化.

嚴(yán)浩浩（1997-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：智能制造.

趙? ?鑫（1993-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：智能制造.