1 汽车生产车间智能停线系统的需求分析
汽车生产车间智能停线系统的功能需求包括多个方面。
（1）实时监测：能够实时监测生产线的运行状态，包括设备的工作状态、生产进度、质量状况等信息。
（2）故障预警：通过对生产线数据的分析和处理，能够提前发现潜在的故障风险，并及时发出预警信号。
（3）故障诊断：能够快速定位和诊断生产线故障及原因，并提供相应的解决方案。
（4）停线控制：能够自动或手动控制生产线的停线，以避免故障的进一步扩大。
（5）数据分析：能够对生产线的历史数据进行分析和挖掘，找出生产过程中的瓶颈和可优化点，提高生产效率和质量。
（6）可视化展示：能够将生产线的运行状态、故障信息、生产进度等数据以图表、报表等形式进行可视化展示，方便管理人员进行监控和决策。
（7）系统管理：能够对智能停线系统进行管理和维护，包括用户管理、权限管理、系统升级等功能。
2 汽车生产车间智能停线系统的设计实现
2.1 系统架构
系统架构见图 1。
图 1 系统架构
2.1.1 数据采集层
智能停线系统采集现场工位呼叫、质量呼叫、暂停呼叫等信息，同时采集焊装、涂装及总装车间生产线的各种数据，包括设备状态、设备运行参数等，并采集抽取上层MES 订单生产数据。智能停线系统 PLC 与生产线 PLC之间可采取硬接线、S7 工业以太网通信等方式实现对生产线 PLC 的数据采集。将采集到的数据通过 OPC 服务器，以 OPC UA 协议传输到数据处理层。
2.1.2 数据处理层
智能停线系统平台在报警音乐配置以及线体工位配置基础数据基础上，对采集到的数据进行处理和分析，提取有用的信息，并将其存储到数据库中。数据处理可以通过数据挖掘、机器学习、统计分析等技术实现；根据数据处理后提供的信息，制定停线策略，并将其发送到控制执行层。
2.1.3 控制执行层
控制执行层负责执行停线策略，通过智能停线 PLC发送停止信号给输送 PLC 控制生产线的停线。同时控制现场报警灯闪烁，触发报警音乐，线边 LED 屏显示详细报警信息，以便现场人员及时定位异常并处理。
2.1.4 用户界面层
用户界面层负责向用户展示生产线的运行状态、故障信息及生产进度等数据，并提供停线原因填报等功能。用户界面可以通过 PC 客户端、移动终端等设备实现。停线以及重大设备故障可接入企业微信、钉钉实现实时移动端推送。
2.2 停线处理流程
停线处理流程见图 2。
图 2 停线处理流程
2.2.1 停线触发
智能停线系统会实时监测生产线的运行状态，以获取现场设备停线状态，发生故障时会自动触发停线机制。
当智能停线系统检测到故障或人工呼叫时，会及时发出停线报警信号，通知相关人员进行处理。
2.2.2 停线升级
当现场发生停线事件以后，系统自动推送信息给班长、科长、厂长。根据不同停线时长可实现分级推送，停线超 5 min（可设定 M 值） 推送生产管理部门协调处理，超30 min（可设定 N 值）推送生产副总。
2.2.3 停线记录
智能停线系统会对停线故障进行记录，包括停线原因、停线责任部门、停线时间、处理人员等信息；生产结束后由生产管理部门进行停线原因及停线责任部门改判，以便后续进行停线分析和统计。
2.3 系统平台开发
2.3.1 数据采集和处理
数据采集和处理模块实现对生产线数据的实时采集和处理，使用传感器和数据采集设备采集生产线的实时数据，如设备状态、生产进度及质量状况等。对采集到的数据进行处理和分析，提取有用信息。
2.3.2 故障诊断和预警
故障诊断和预警模块，实现对生产线故障的快速诊断和预警。采用机器学习、数据挖掘等技术对生产线进行故障诊断和预警。通过分析历史数据和实时数据，预测可能出现的故障，及时发出预警信号并通过现场 LED 屏显示。现场 LED 屏显示实时生产数据、实时工位状态、线体运行状态及故障报警信息（见图 3）。
图 3 现场 LED 屏显示
2.3.3 停线策略制定
停线策略制定模块根据生产线的实际情况和故障类型，制定合理的停线策略。停线策略见图 4。
图 4 停线策略
现场操作人员发现线体设备故障或生产质量问题或工位异常时可选择按下对应按钮进行即时呼叫。由智能停线系统对异常信息进行数据处理后进行发布和记录，提醒班组长处理异常，若线体运行到整工位之前异常处理完毕则报警复位不停线；若线体运行到整工位后异常未处理完成则停线。此停线策略可减少停线时间，提高生产效率。
2.3.4 控制执行
控制执行模块实现对生产线的停线控制，根据不同停线请求状态将制定好的停线策略发送给输送 PLC，实现对生产线的停线控制并实时监控线体状态。控制执行界面示意图见图 5。
图 5 控制执行界面示意图
2.3.5 数据分析可视化
数据分析可视化模块实现对生产线停线历史数据的存储和查询，将采集到的数据存储到数据库中，可对工位停线时长、线体停线时长进行最近 7 天统计；对停线原因、停线类型、停线次数进行 TOP 排行；对停线责任部门、线体停线次数占比进行统计，以便用户对生产线的运行情况、停线原因进行分析和评估，并进行生产改善。停线原因分析界面示意图见图 6。
图6 停线原因分析界面示意图
2.3.6 用户界面
友好的用户界面可方便用户进行系统操作和生产线监控，并实现停线信息推送到移动端显示。用户可以通过移动端界面查看生产线的运行状态、故障信息及生产进度等信息。移动端界面示意图见图 7。
图7 移动端界面示意图
3 智能停线系统集成和测试
在智能制造环境下，智能停线系统的集成和测试是确保系统能够正常运行的关键步骤。
（1）系统集成。将智能停线系统的各个组件集成到一起，包括传感器、执行器、、数据库等，确保各个组件之间的通信和数据交换正常。
（2）功能测试。对智能停线系统的各项功能进行测试，例如数据采集、故障诊断、停线策略制定、控制执行等，确保系统的各项功能符合设计要求。
（3）性能测试。对智能停线系统的性能进行测试，例如数据处理速度、响应时间、控制精度等，确保系统在高负载情况下仍能正常运行。
（4）兼容性测试。对智能停线系统与其他系统的兼容性进行测试，例如与生产管理系统、设备控制系统等的集成，确保系统能够与其他系统无缝对接。
（5）安全测试。对智能停线系统的安全性进行测试，例如数据加密、用户认证、权限控制等，确保系统的安全性符合要求。
（6）现场测试。在实际生产环境中对智能停线系统进行测试，验证系统在真实场景下的运行效果，根据测试结果进行调整和优化。
在集成和测试过程中，需要记录测试结果和问题，并及时进行修复和优化。同时，需要进行充分的用户培训和文档编写，确保用户能够正确使用和维护该系统。
4 智能停线系统在汽车生产车间的应用效果评估
4.1 系统性能评估
4.1.1 准确性
评估系统对生产线状态监测和故障诊断的准确性。可以通过与实际生产线数据进行对比，或者使用模拟数据进行测试来评估。
4.1.2 实时性
评估系统对生产线状态的实时监测和响应能力。可通过测试系统的响应时间、数据采集频率等指标来评估。
4.1.3 稳定性
评估系统在长期运行过程中的稳定性和可靠性。可通过监测系统的故障率、平均无故障时间等指标来评估。
4.1.4 兼容性
评估系统与其他系统的兼容性和集成能力。可以通过测试系统与其他系统的接口、数据交换等指标来评估。
4.1.5 可扩展性
评估系统的可扩展性和适应性。可以通过测试系统的扩展能力、升级能力等指标来评估。
4.1.6 用户体验
评估系统的易用性和用户体验。可以通过用户调查、用户反馈等指标来评估。
综合以上几个方面的评估，可以对智能停线系统的性能进行全面评估，为系统的优化和改进提供参考。
4.2 经济效益评估
4.2.1 生产效率
智能停线系统可以实时监测生产线的状态，及时发现故障并进行处理，从而减少生产线的停机时间，提高生产效率。
4.2.2 产品质量
智能停线系统可以对生产过程进行实时监控，及时发现生产过程中的问题，从而提高产品质量。
4.2.3 生产成本
智能停线系统可以减少人工巡检的工作量，降低人力成本。同时，系统可以及时发现设备故障，避免设备损坏导致的维修成本。
4.2.4 生产计划优化
智能停线系统可以实时监测生产线的生产进度，为生产计划的优化提供数据支持，从而提高生产计划的准确性和效率。
5 结论与展望
5.1 汽车生产车间智能停线系统研究成果的总结
通过传感器和数据采集设备，实时监测生产线的设备状态、生产进度和质量状况。利用机器学习和数据分析技术，对采集到的数据进行分析和处理，实现对生产线的故障诊断和预警。根据故障类型和严重程度，制定合理的停线策略。采用智能算法对停线策略进行优化，以最小化生产损失和提高生产效率。智能停线系统可以实时反馈生产线的状态信息，为生产计划的调整提供数据支持。通过动态调整生产计划，提高生产的灵活性和适应性。通过移动终端应用程序，使管理人员可以随时随地查看生产线的运行情况，及时处理停线事件。智能停线系统可以将采集到的数据进行可视化展示，提供直观的生产线状态信息。同时系统可以自动生成各种报告，如停线报告、设备故障报告、质量报告等，为管理层提供决策支持。
5.2 对未来研究方向的展望
随着人工智能技术的不断发展，可以将更多的智能算法应用到停线系统中，如深度学习、强化学习等，提高系统的自学习和自适应能力。物联网技术可以实现设备之间的互联互通，将更多的生产设备纳入到智能停线系统中，实现更全面的监控和管理。利用大数据分析技术，对生产过程中的数据进行分析和挖掘，发现潜在的问题和优化机会，提高生产效率和质量。
作者：天津工程机械研究院有限公司 王东兴 张建新 丁锐 吴晓健 王金路
