DE10253564A1

DE10253564A1 - Verfahren zur Erkennung und Überwachung von Betriebszuständen eines Maschinenprozesses mit Geräuschdaten

Info

Publication number: DE10253564A1
Application number: DE2002153564
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. Müller
Original assignee: EMBIGENCE GmbH
Current assignee: EMBIGENCE GmbH
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2004-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung/Regelung von Maschinen, bei dem während des Maschinenbetriebs ein Audiosignal aufgezeichnet und eine Steuerung/Regelung einer Maschine in Abhängigkeit eines Vergleiches dieses Audiosignals mit wenigstens einem Referenzaudiosignal erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung/Regelung einer Maschine, die wenigstens einen Audiosensor, insbesondere ein Mikrofon, umfasst, zur Aufzeichnung von Audiosignalen, wobei ein erfasstes Audiosignal mit wenigstens einem gespeicherten Referenzaudiosignal vergleichbar ist und in Abhängigkeit des Vergleiches Steuerungs-/Regelungsinformationen generierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung von Maschinen.
Betriebszustände an Maschinen und technischen Anlagen werden heute durch abstrakte technische Informationen (Endschalter, digitale und analoge Sensoren etc.) überwacht und oft aus Leitzentralen fernbedient. Darüber hinaus können an technischen Anlagen und Maschinen Fehler auftreten, die nicht mit konventioneller elektronischer Sensorik erfaßt werden können. Zur vollständigen Betriebsüberwachung sind daher weiterhin Kontrollgänge notwendig, um mit den audiovisuellen menschlichen Sinnen Fehler und außergewöhnlicher Betriebszustände feststellen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bislang audiovisuellen menschlichen Sinnen vorbehaltene Eignung zur Erkennung von Fehlerzuständen und zur Steuerung/Regelung von Maschinen maschinell zur Verfügung zu stellen und zu automatisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem während des Maschinenbetriebs ein Audiosignal aufgezeichnet und eine Steuerung/Regelung einer Maschine in Abhängigkeit eines Vergleiches dieses Audiosignales mit wenigstens einem Referenzaudiosignal erfolgt. Die Aufgabe wird weiterhin mittels einer Vorrichtung gelöst, die wenigstens einen Audiosensor, insbesondere ein Mikrofon umfasst zur Aufzeichung von Audiosignalen, wobei ein erfasstes Audiosignales mit wenigstens einem gespeicherten Referenzausdiosignal vergleichbar und in Abhängigkeit des Vergleichs Steuerungs-/Regelungsinformation generierbar sind.
Mit der programmgesteuerten Verarbeitung von multimedialen Informationen, insbesondere von Audioinformationen kann auch die Einbeziehung von Geräuschinformationen in eine vollautomatische Fehlerauswertung und/oder Regelung bzw. Steuerung erreicht werden. Damit wird es möglich, z.B. Fehlerquellen elektronisch zu erkennen, die sich in Form von Geräuschen äußern: Klappern, Quietschen, Rollgeräusche etc. Da die Geräuschentwicklung je nach Betriebssituation unterschiedlich sein kann, kann bevorzugt ein Erkennungsverfahren gewählt werden, welches sich automatisch und dynamisch an die jeweilige Betriebssituation anpassen kann.
Da heutzutage moderne Rechner standardgemäß die Möglichkeit des Mikrofonanschlusses unterstützen, ist die Hardware für diese Analysetechnik bereits preiswert vorhanden und ohne große Mehrkosten in ein Analysesystem zu integrieren. Um die neu gewonnen Funktionen in Anspruch zu nehmen sind hardwareseitig lediglich Audiosensoren, z.B. Mikrofone oder andere Schwingungssensoren zu installieren.
Mittels des Verfahrens können z.B. außergewöhnliche Geräusche sicher erkannt werden sowie multifunktional verarbeitet und genutzt werden, z.B. für die Fehlererkennung, die Fernüberwachung, Sprachkommunikation etc. und insbesondere kann beim Auftreten außergewöhnlicher Geräusche ein Alarm ausgelöst, die Maschine angehalten oder die Leistung verringert werden.
Insbesondere in Kombination mit Videoüberwachungen kann mit diesem Verfahren der Betrieb mechanischer Einrichtungen abgesichert und gleichzeitig die Anzahl von Kontrollgängen reduziert werden.
Auch die Steuerung von Maschinen in Geräuschbasierten Regelkreisen wird damit möglich. Dies ermöglicht eine „Fahrweise" der Maschine, wie sie traditionell von Bedienern „instinktiv" ausgeführt wird und in der das Betriebsgeräusch die ausschlaggebende „Sensorinformation" für den Bediener ist, um z.B. die Leistung zu regeln. Dies ist insbesondere im Zeitalter der Ergonomie und des Schallschutzes ausgesprochen wichtig, da die menschlichen Sinne der Bediener z.B. auch durch Fernbedienung oder schallgeschützte Kabinen immer mehr von den Maschinen „abgekoppelt" werden.
Das Verfahren kann z.B. mit folgenden Geräte (s. 1) durchgeführt werden.

1. Ein oder mehrere Mikrofon(e), die an der Maschine oder zu überwachenden technischen Einrichtung anbebracht werden.
2. Einem Verarbeitungsgerät mit: – Einem Speicher zum Zugriff auf die Audiodaten in Echtzeit; – Einem Speicher zum Zugriff auf die konventionellen Steuerungsinformationen in Echzeit; – Dateien zur Ablage von Audioinformationen – Dateien zur Ablage von Auswertungsparametern – Dateien zur Ablage von Betriebszustandsabbildern – Programmgesteuerte Verarbeitungseinheit zum Vergleich aktuell anliegender Geräuschinformationen mit solchen, die bereits in Dateien abgespeichert sind sowie zur Herstellung von Korrelationen zwischen Geräuschen und sensorbasierten Informationen. – Möglichkeiten zur Ausgabe von Steuerungsinformationen an die Maschine sowie zur Kommunikation mit Fremdsystemen.

Das Verfahren zur Einbindung von Geräuschinformationen in automatische Steuerungstechnik kann folgendermaßen ablaufen (s. 2): An einen Rechner auf einer Maschine sind direkt oder über einen Multiplexer Mikrofone angeschlossen. Der Rechner steuert über den Multiplexer, welches der Mikrofone auf welchen Audioeingang zur Aufnahmen aufgeschaltet wird.
Ein Rechner auf einer Maschine zeichnet z.B. bei einem bekannt einwandfreien Betriebszustand z.B. nach der Inbetriebnahme der Maschine ein z.B. zeitlich begrenztes Referenzaudiosignal auf (2-1). Gleichzeitig können diesem zeitlich begrenzten Tonsignal sämtliche betriebs-zustandsrelevanten Sensorinformationen aus der Maschine zugeordnet und ebenfalls in einer Datei abgespeichert werden. Diese können z.B. von einer SPS übernommen, durch separate Sensorik erfaßt oder von einem Netzwerk (z.B. Feldbus oder LAN) gelesen werden. Damit kann das Tonsignal exakt der Betriebssituation zum Zeitpunkt der Aufnahme des Referenzaudiosignals zugeordnet werden.
Die Aufzeichnung des Audiosignales kann beim (automatischen oder manuellen) Eintreffen eines reproduzierbaren Startereignisses (z.B. Auslösen eines Endschalters etc) beginnen.
Die Aufzeichnung kann entweder nach Ablauf eines für das betreffende Signal frei wählbaren Zeitraumes (z.B. 5 Sekunden) oder bei Eintreffen eines Endereignisses (z.B. ein erneutes Auslösen eines beliebigen Endschalters, Erreichen einer Leistungsschwelle, Drehzahl etc.) enden.
Das aufgenommene Geräusch (Audiosignal) kann als Referenzaudiosignal in einer Datei gespeichert werden.
Im laufenden Betrieb der Maschine können nun beim Eintritt desselben Ereignisses unter identischen Betriebsbedingungen (2-2) erneut Audiosignale aufgezeichnet werden. Das aktuell im laufenden Betrieb neu aufgenommene Signal kann mit den/dem gesicherten Referenzaudiosignal(en) verglichen werden, was z.B. über Frequenzanalyse, Hüllkurvenanalyse, Analyse des Summenpegel etc. geschieht.
Die Parameter für diesen Vergleich können frei eingestellt werden oder aber sie werden bei der Inbetriebnahme festgelegt. Sie werden entweder permanent festgelegt oder in einer veränderbaren Datei abgelegt. Weiterhin können diese Parameter selbstlernend oder lernend durch menschliche Assistenz ausgelegt werden. Dieses Lernen kann z.B. dergestalt erfolgen, daß sich der Rechner „merkt", wenn z.B. ein Alarm vom Benutzer als „Fehlalarm" quittiert wurde. Damit paßt der Rechner die Analyseparameter automatisch dergestalt an, daß die als „Fehlalarm" quittierte Situation beim nächsten Auftreten des Ereignisses als „normaler Betriebszustand" betrachtet werden kann. Auch kann das neu aufgenommene Signal als neues Referenzaudiosignal abgespeichert werden oder zur Menge der im Vergleich zu verwendenden Referenzsignale hinzugefügt werden.
Ergibt der Vergleich, daß das aktuelle Signal innerhalb der festgelegten Toleranzen liegt und damit nicht wesentlich von den/dem Referenzaudiosignal(en) abweicht, so läuft der Betrieb der Maschine ohne eine Meldung über den vorgenommenen Vergleich weiter.
Sollte das Ergebnis des Vergleichs aber eine Ungleichheit des aktuellen Signals mit dem Referenzsignal auf dem Steuerungrechner ergeben oder ausserhalb der Toleranz liegen, so wird ein Alarm generiert, die Maschine abgeschaltet oder eine andere Aktion (z.B. die Verringerung der Leistung) an der Maschine ausgeführt.
Alle Geräuschdaten können z.B. in bekannten Audio-Komprimierungsverfahren (Codecs) abgelegt werden. Daher kann ein Vergleich zum einen durch einfaches Abspielen der Dateien und menschliches „Anhören" erfolgen, oder durch „Abspielen" in einem Gerär zur mathematischen Schwingungsdatenanalyse. Damit können unterschiedliche bekannte Verfahren zur Darstellung und Auswertung angewandt werden wie z.B. Frequenzanalyse, Hüllkurvenanalyse oder Summenpegelermittlung.
Die Parameter für den Vergleich der Audiosignale können frei eingestellt werden oder aber sie werden bei der Inbetriebnahme festgelegt.
Die gespeicherten Audioinformationen werden z.B. in digitaler Form komprimiert abgelegt. Dazu werden bevorzugt Zeitstempel mitgeführt, die eine spätere Synchonisierung mit gleichzeitig aufgetretenen externen Ereignissen oder Sensorinformationen zulassen. Dazu werden z.B. parallel die relevanten, während der Aufnahme aufgetretenen Sensorereignisse in separaten Dateien mitgeschrieben. Diese erhalten ebenfalls einen exakten Zeitstempel aus demselben Rechnersystem, welches auch die Audiodaten einliest. Damit ist eine spätere exakte Auswertung und Zuordnung von Sensorinformationen zu bestimmten Geräuschen in der Aufnahme möglich.
Diese Zuordnung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von grafischen Auswertungswerkzeugen, die entweder auf dem Maschinenrechner selbst oder auf einem separaten Rechner ablaufen. Dabei werden die Audioinformationen z.B. als Diagramm ausgewählter Frequenzen über die Zeit oder als Summenlautstärke-Zeitdiagramm auf einer Zeitlinie exakt mit den Sensorinformationen synchron dargestellt. Dies erleichtert die spätere Analyse von Fehler- und Havariefällen.
Die aus der Geräuschanalyse (Geräuschaufnahme) gewonnenen Daten können entweder lokal oder auch über ein Netzwerk an einer anderen Stelle (z.B. in einer Datenbank) abgelegt werden. Dies ermöglicht z.B. eine Langzeitanalyse der Geräuschdaten. So kann zum Beispiel eine aktuelle Geräuschaufnahme mit einer Aufnahme verglichen werden, die 6 Monate zuvor gemacht wurde. Eine Diagnose über die Veränderung des Geräusches in dem definierten Zeitraum wäre das Ergebnis.
Eine weitere Funkltionalität wäre ein Geräuschdatenschreiber. Dieser Datenschreiber zeichnet die Geräuschinformationen einer Maschine bis zu einem Fehlerfall auf. Ist der Fehler aufgetreten, so kann mit den erfassten Daten nachvollzogen werden, welche Geräusche vor und während des Fehlerfalls an der Maschine aufgetreten sind. Zusammen mit der Auswertung der Sensorinformationen und ggf. Videodaten ergibt sich damit eine vollständige Historie und lückenlose Nachvollziehbarkeit des Fehlerfalls.
Mit diesem Verfahren können z.B. ungewöhnliche Geräusche, wie z.B. Klapper- und Quietschgeräusche, sensorisch erfaßt und ausgewertet werden. Damit kann an mannlos betriebenen Maschinen ein Alarm ausgelöst werden, wenn derartige außergewöhnliche Betriebszustände automatisch erkannt werden. Wird das Verfahren sicher und konsequent eingesetzt, kann ggf. aufwendige konventionelle Sensorik durch dieses Verfahren ersetzt werden.
Auch die Schwingungsanalyse von rotierenden Bauteilen kann mit diesem Verfahren preiswert und sicher durchgeführt werden, sofern ausschließlich Schwingungen im hörbaren oder sonstwie erfasstbaren Spektrum als relevant erkannt werden müssen.
Sind die Audiodaten einmal verfügbar und nach den oben beschriebenen Verfahren analysiert, so können daraus Steuerungsinformationen generiert werden, um die Audiodaten zum Steuern von technischen Einrichtungen einsetzen zu können.
Anwendungsfälle sind z.B.:

– Abschaltung von technischen Einrichtungen bei Eintreffen eines schweren Geräuschereignisses;
– Verfolgung von sich frei bewegenden Objekten durch Generierung eines zwei- oder dreidimensionalen Zielvektors aus der Summenlautstärke mehrerer Geräuschquellen zum Beispiel zur automatischen Steuerung einer Kamera zur Verfolgung eines geräuschverursachenden Objektes;
– Schließen von Regelkreisen zum Steuern von Maschinen wie z.B. zum Eröhen oder Vermindern der Antriebsleistung.

Mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch eine Sprachkommunikation z.B. im Reparaturfall durchgeführt werden.
Wenn sich z.B. der Steuerungsrechner direkt auf auf der Maschine befindet, kann in bei einem bereits aufgetretenen Fehler ein Monteur vor Ort, über das installierte Mikrophon und einer Netzwerkverbindung des Steuerungsrechners mit dem lokalen Netzwerk, mit einem Service-Monteur Verbindung aufnehmen, der sich beim Hersteller der Maschine im Office befindet und sich so in eine Fehlerbehebung einschalten kann.
Für eine derartige Fehlerdiagnose bietet sich ebenfalls eine Videoverbindung an. Mit einem gemeinsamen Komprimierungsverfahren von Geräusch und Bilddaten in Form von einem bekannten Protokoll wie z.B. Videokonfernz-Codecs, kann der fernangebundene Service-Techniker quasi vor Ort an der Fehlersuche teilnehmen.

Claims

Verfahren zur Steuerung/Regelung von Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass während des Maschinenbetriebs ein Audiosignal aufgezeichnet und eine Steuerung/Regelung einer Maschine in Abhängigkeit eines Vergleiches dieses Audiosignales mit wenigstens einem Referenzaudiosignal erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Referenzaudiosignal bei einem bekannt einwandfreien Betriebszustand einer Maschine, insbesondere zeitlich begrenzt oder bis zum Eintreffen eines Endereignisses, aufgezeichnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem aufgenommenen Audiosignal und/oder Referenzaudiosignal ein Zeitstempel zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Aufzeichnung eines Audiosignales und/oder eines Referenzaudiosignales Informationen von wenigstens einem Sensor für die Erfassung von Betriebszuständen aufgezeichnet werden, insbesondere wobei einer Informationsaufzeichnung ein Zeitstempel zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufzeichnung eines Audiosignals und/oder Referenzaudiosignals eine Aufzeichnung einer Sensorinformation zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme eines Audiosignales und Referenzaudiosignales unter identischen Betriebsbedingungen, insbesondere bei Eintritt desgleichen Ereignisses, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein neu aufgenommenes Audiosignal als neues Referenzaudiosignal gespeichert wird und/oder zu einer Menge der im Vergleich zu verwendenden Referenzaudiosignale hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung einer vorgegebenen Tolerenz beim Vergleich von Audiosignal und Referenzaudiosignal ein Fehlerzustand, insbesondere Alarm, ausgelöst wird.
Verfahren zur Steuerung/Regelung von Maschinen, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Maschinenbetriebs Audiodaten erfasst werden, aus denen Steuerung- und/oder Regelungsinformation generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus Audiodaten mehrerer Audiosensoren eine sich insbesondere bewegende Geräuschquelle lokalisiert wird, insbesondere zur automatischen Steuerung einer Kamera für die Verfolgung eines Objektes.
Vorrichtung zur Steuerung/Regelung einer Maschine dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Audiosensor, insbesondere ein Mikrofon umfasst, zur Aufzeichung von Audiosignalen wobei ein erfasstes Audiosignal mit wenigstens einem gespeicherten Referenzaudiosignal vergleichbar und in Abhängigkeit des Vergleichs Steuerungs-/Regelungsinformationen generierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Audiosensoren umfasst, die über einen Multiplexer auf wenigstens einen Datenerfassungseingang aufschaltbar sind.