MiSIS – Miniaturisiertes System zur intelligenten Signalverarbeitung im Maschinenbau

Projekt

Intelligente Signalverarbeitung wird im Maschinenbau zur prozessintegrierten Qualitätskontrolle, für Lebensdaueranalysen an Verschleißteilen und zur Zustandsüberwachung benötigt. Daher entwickelte das Fraunhofer IKTS im BMBF-Verbundprojekt »MiSIS« gemeinsam mit seinen Partnern ein System zur intelligenten Signalverarbeitung.

 

DSP und FPGA – Herzstück des Miniatursystems

Das Basismodul der intelligenten Hardware besteht aus digitalem Signalprozessor (DSP) und Field Programmable Gate Array (FPGA) inklusive der benötigten Speicher, Stromversorgung sowie der peripheren Schnittstellen. Das Modul in Form einer Mini-PCI-Express-Karte (30 x 50,95 mm) kann in verschiedensten Systemen, z. B. in Laptops oder Tablets, betrieben werden. Die Kombination von DSP und FPGA lässt die Realisierung von komplexen, echtzeitkritischen Algorithmen bis hin zur akustischen Mustererkennung mit tiefen neuronalen Netzen (DNN) oder Hidden-Markov-Modellen (HMM) zu. Über ein Flachbandkabel kann das Basismodul mit verschiedenen Signalakquise- und -ausgabemodulen verbunden werden. Damit ist es sowohl zur Audio- und Ultraschallsignalverarbeitung als auch zur Verarbeitung anderer Signalquellen geeignet.

MiSIS – eine Kooperation mit SINUS Messtechnik GmbH und der BTU Cottbus-Senftenberg

Im Rahmen des Projekts entwickelte der Verbundpartner SINUS Messtechnik GmbH ein Signalakquisemodul zur hochqualitativen Verarbeitung von Audiosignalen im hörbaren Bereich (bis 24 kHz), das über vier unabhängige Kanäle verfügt. Mit diesen beiden Modulen konnte die Leistungsfähigkeit des Systems demonstriert werden, z. B. bei der automatischen Erkennung von Defekten in Glasflaschen – ein Kooperationsprojekt mit der BTU Cottbus-Senftenberg.

Dafür wurden die gesamte Merkmalanalyse (Fensterung, Fourieranalyse, zeitliche und räumliche Glättung über Filtermatrizen) sowie die Klassifikationsalgorithmen (Dichteberechnung der Hidden-Markov-Modelle, Suche in endlichen gewichteten Automaten) im Basismodul implementiert. Durch den Transfer dieser rechenintensiven Algorithmen auf den FPGA wurde die Rechenzeit deutlich reduziert. Damit sind die Verfahren der Merkmalanalyse und Klassifikation auch für hochfrequentere Signale in zeitkritischen Anwendungen einsetzbar.

© Fraunhofer IKTS
Basismodul des miniaturisierten Systems zur intelligenten Signalverarbeitung.
© Fraunhofer IKTS
Integration im Messsystem.

Zahnräder, Ventile, Walzen: Qualitätskontrolle per akustischer Mustererkennung und KI

Intelligente Signalverarbeitung und akustische Mustererkennung setzt das Fraunhofer IKTS auch erfolgreich zur prozessintegrierten Qualitätskontrolle von Zahnrädern, zur Ermittlung der Restlebensdauer von Ventilen, zur Fehlerfrüherkennung an Walzen und Lagern in Spinnmaschinen, zur Zustandsüberwachung an Flugzeugmaterialien und zur automatisierten Weichheitsprüfung von Tissueprodukten im Herstellprozess ein. Sie eignen sich damit hervorragend für die Prüfung von Maschinenkomponenten oder auch als Prüfeinheit für Produktionsanlagen.

 

Übersicht: Rechenzeit bezogen auf die Signallänge

Algorithmus DSP [%] FPGA [%]
Merkmalanalyse 9,4 1,1
Dichteberechnung 59 34
Suche 32 3,1

 

InfoBox:

Fördergeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektträger: VDI/VDE Innovation + Technik GmbH
Förderkennzeichen: FKZ 16ES0297
Projektpartner: SINUS Messtechnik GmbH, BTU Cottbus-Senftenberg