Υλοποίηση αλγορίθµων σε περιβάλλον LabVIEW για τη διάγνωση µηχανικών βλαβών µέσω της ανάλυσης κραδασµών σε γραµµή παραγωγής πλυντηρίων ρούχων

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ & ΙΟΙΚΗΣΗΣ ΧΑΝΙΑ, ΚΡΗΤΗ Υλοποίηση αλγορίθµων σε περιβάλλον LabVIEW για τη διάγνωση µηχανικών βλαβών µέσω της ανάλυσης κραδασµών σε γραµµή παραγωγής πλυντηρίων ρούχων Medea project ιατριβή που υπεβλήθη για την µερική ικανοποίηση των απαιτήσεων για την απόκτηση Μεταπτυχιακού ιπλώµατος Ειδίκευσης Υπό Αντωνίας. Παπαδογιωργάκη 1999

ii Στον αδελφό µου

Η διατριβή της Αντωνίας. Παπαδογιωργάκη εγκρίνεται: Η ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΥΠΟΓΡΑΦΗ 1. Αναπληρωτής Καθηγητής Αναστάσιος Πουλιέζος 2. Καθηγητής Γεώργιος Σταυρακάκης... 3. Επίκουρος Καθηγητής Θωµάς Κοντογιάννης iii

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LabVIEW...1 1.1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ...1 1.2 ΚΑΡΤΕΣ ΛΗΨΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ, ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ...4 1.2.1 Κάρτες λήψης δεδοµένων...4 1.2.2 Εικονικά και πραγµατικά όργανα...6 1.2.3 Σύγκριση πραγµατικών και εικονικών οργάνων...7 1.3 ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ...8 1.4 ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ - LabVIEW...9 1.4.1 Λογισµικό σε περιβάλλον LabVIEW...10 1.4.2 LabVIEW και κατασκευή εικονικών οργάνων...11 1.4.3 LabVIEW και συµβατικές γλώσσες προγραµµατισµού...12 1.4.4 LabVIEW και κάρτες διασύνδεσης...13 1.4.5 Η γραφική γλώσσα προγραµµατισµού του LabVIEW...14 1.5 ΟΜΗ ΤΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΠΟΥ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΝΤΑΙ ΣΤΟ LabVIEW...18 1.6 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΤΟ LabVIEW ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ...20 1.6.1 Προγραµµατισµός στο LabVIEW...21 1.6.2 Χαρακτηριστικά του LabVIEW...26 1.7 ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΕΣ ΤΟΥ LABVIEW...28 1.7.1 Έλεγχος οργάνου (Instrument Control)...28 1.7.2 Λήψη δεδοµένων και έλεγχος (Data Acquisition and Control)...29 iv

1.7.3 Ανάλυση των δεδοµένων (Data Analysis)...29 1.7.4 υνατότητα σύνδεσης (Connectivity)...31 1.7.5 Αυτόνοµες εφαρµογές (Stand-Alone Applications)...31 1.7.6 Παραδείγµατα Ready - to Run...31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ...32 2.1 ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ...32 2.2 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΙΑΓΝΩΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ...33 2.3 ΜΕΘΟ ΟΙ ΙΑΓΝΩΣΗΣ ΒΛΑΒΩΝ...34 2.3.1 Μέθοδοι εκτίµησης και αναγνώρισης προτύπου...34 2.3.2 Σύγκριση των µεθόδων διάγνωσης βλαβών...35 2.4 ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ (PATTERN RECOGNITION)...36 2.4.1 Ταξινόµηση µέσω της αναγνώρισης προτύπου...37 2.4.2 οµή ενός τυπικού συστήµατος αναγνώρισης προτύπου...39 2.4.3 ιαδικασίες της αναγνώρισης προτύπου...39 2.5 ΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΡΑ ΑΣΜΩΝ...44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΙΑΓΝΩΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΛΑΒΩΝ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ ΠΛΥΝΤΗΡΙΩΝ ΡΟΥΧΩΝ...46 3.1 ΑΝΑΓΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ ΟΙΚΙΑΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ...46 3.2 ΈΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΙΑΓΝΩΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΛΑΒΩΝ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ ΠΛΥΝΤΗΡΙΩΝ ΡΟΥΧΩΝ...47 3.2.1 Παρούσα κατάσταση...47 v

3.3 ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ MEDEA...48 3.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΙΑΓΝΩΣΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΛΑΒΩΝ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ ΠΛΥΝΤΗΡΙΩΝ ΡΟΥΧΩΝ, ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ MEDEA...49 3.4.1 Το σύστηµα ελέγχου ποιότητας...49 3.4.2 Επί γραµµής πρωτότυπος σταθµός ελέγχου...51 3.4.3 Κατηγορίες µηχανικών βλαβών των πλυντηρίων ρούχων...52 3.4.4. Περιορισµοί και προβλήµατα κατά την εφαρµογή του συστήµατος ελέγχου...53 3.5 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΠΛΥΝΤΗΡΙΩΝ ΡΟΥΧΩΝ ΣΤΗΝ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΤΟ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ MEDEA...56 3.5.1 Επιλογή των σηµείων µέτρησης τω κραδασµών...56 3.5.2 Λήψη των δεδοµένων...57 3.5.3 Περιοχές λειτουργίας του κινητήρα...57 3.5.4 Κατηγορίες των πλυντηρίων ρούχων...58 3.5.5 Μορφή των δεδοµένων...58 3.5.6 οµή των αρχείων...59 3.6 ΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΡΑ ΑΣΜΩΝ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΤΟ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ MEDEA...60 3.6.1 Στάδιο 1ο: Λήψη της πληροφορίας από τους αισθητήρες...62 3.6.2 Στάδιο 2ο: Λήψη των δεδοµένων...64 3.6.3 Στάδιο 3ο: Φίλτρο προεπεξεργασίας...64 vi

3.6.4 Στάδιο 4ο: Προεπεξεργασία της πληροφορίας...65 3.6.5 Στάδιο 5ο: Επιλογή των χαρακτηριστικών...67 3.6.6 Στάδιο 6ο: Ταξινόµηση των σηµάτων σε κατηγορίες...68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LabVIEW, ΓΙΑ ΤΗΝ ΙΑΓΝΩΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΛΑΒΩΝ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΡΑ ΑΣΜΩΝ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ ΠΛΥΝΤΗΡΙΩΝ ΡΟΥΧΩΝ, ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ MEDEA...70 4.1 ΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LabVIEW...70 4.2 ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LabVIEW ΓΙΑ ΤΟ ΣΤΑ ΙΟ ΤΗΣ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ...72 4.2.1 Ιεραρχία του λογισµικού...73 4.3 ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LabVIEW ΓΙΑ ΤΟ ΣΤΑ ΙΟ ΤΗΣ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ...75 4.3.1 Medea_Tuc_2.vi...75 4.3.2 Αρχεία τύπου ctl που περιέχονται στο Medea_Tuc_2.vi...78 4.3.3 Υποπρογράµµατα (subvis) που περιέχονται στο Medea_Tuc_2.vi...80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ, ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ...104 5.1 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ...104 5.1.1 Τεχνικές ταξινόµησης...104 5.1.2 Μέθοδοι Fuzzy Οµαδοποίησης (Fuzzy Clustering)...104 5.1.3 Μέθοδοι βασισµένες στη γνώση...105 5.1.4 Ανάπτυξη τεχνικών για τους ταξινοµητές νευρωνικών δικτύων...106 vii

5.1.5 Περιγραφή του Multilayer Perceptron (MLP)...107 5.1.6 Εγκατάσταση του Multilayer Perceptron (MLP) σε περιβάλλον LabVIEW στο ερευνητικό πρόγραµµα Medea...110 5.2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΓΡΑΜΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ ΠΛΥΝΤΗΡΙΩΝ ΡΟΥΧΩΝ, ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ MEDEA...111 5.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ...112 5.3.1 Αποτελέσµατα της ταξινόµησης...112 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...115 viii

Ευχαριστίες Η άψογη συνεργασία και η αµέριστη βοήθεια του επιβλέποντα καθηγητή Α. Πουλιέζο συντέλεσε αποφασιστικά στην επιτυχή πραγµατοποίηση αυτής της διατριβής. Τον ευχαριστώ ιδιαίτερα τόσο για τον τρόπο που µε αντιµετώπισε όσο και για την ευκαιρία που µου έδωσε να συµµετάσχω στην οµάδα που ασχολήθηκε µε το πρόγραµµα Medea εντός και εκτός του Πολυτεχνείου Κρήτης. Ευχαριστώ επίσης τον καθηγητή κ. Γ. Σταυρακάκη για την βοήθειά του καθώς και για την ευκαιρία που µου έδωσε να εργαστώ στην εταιρεία ΑΕΑ, που βρίσκεται στην Αγκώνα της Ιταλίας, στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος Medea. Ευχαριστώ τον φίλο και συνάδελφο Τσελέντη Γεώργιο για την βοήθεια που µου έδωσε όποτε το ζήτησα, για την ενηµέρωσή που µου παρείχε τόσο για την έρευνα που εκπόνησε ο ίδιος, όσο και για το ερευνητικό πρόγραµµα γενικότερα, καθώς και για τις εύστοχες παρατηρήσεις που έκανε για την βελτίωση της διατριβής. Ευχαριστώ τέλος τον ηµήτρη Πουλή για την ενηµέρωσή µου στο περιβάλλον LabVIEW. ix

Σύντοµο βιογραφικό σηµείωµα Η Αντωνία. Παπαδογιωργάκη γεννήθηκε στην Αθήνα και µεγάλωσε στο Εράσµιο της Ξάνθης. Φοίτησε στο 1ο Λύκειο Χανίων και µετά από συµµετοχή της στις πανελλήνιες εξετάσεις εισήχθηκε στο τµήµα Μηχανικών Παραγωγής και ιοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης. Τον Σεπτέµβριο του 1996 x

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του κοινοτικού προγράµµατος Medea Quality Control of House-hold Appliances by Evaluation for Mechanical Defects (ref: SMT4952016). Αντικείµενό της είναι η ανάπτυξη λογισµικού σε περιβάλλον LabVIEW για τη διάγνωση των µηχανικών βλαβών µέσω της ανάλυσης κραδασµών των πλυντηρίων ρούχων στη γραµµή παραγωγής. Οι αλγόριθµοι που παρουσιάζονται σε περιβάλλον LabVIEW αναπτύχθηκαν στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος Medea από τους Αναστάσιο Πουλιέζο (αναπληρωτή καθηγητή του τµήµατος Μηχανικών Παραγωγής και ιοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης), Σταυρακάκη Γεώργιο (καθηγητή του τµήµατος Ηλεκτρονικών Μηχανικών Υπολογιστών του Πολυτεχνείου Κρήτης), Τσελέντη Γεώργιο (διδάκτορα του τµήµατος Μηχανιών Παραγωγής και ιοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης) και Γκούµα Βασίλειο. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται παρουσίαση του περιβάλλοντος LabVIEW, των δυνατοτήτων του, της δοµής των προγραµµάτων που αναπτύσσονται σε αυτό, της γραφικής γλώσσας προγραµµατισµού G που χρησιµοποιεί, των χαρακτηριστικών και των βιβλιοθηκών που διαθέτει. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται συνοπτική περιγραφή του ελέγχου ποιότητας και της διάγνωσης βλαβών στη γραµµή παραγωγής, των απαιτήσεων των διαγνωστικών συστηµάτων, των µεθόδων διάγνωσης βλαβών που χρησιµοποιούνται, καθώς και αναλυτική παρουσίαση την µεθόδου αναγνώρισης προτύπου και την διάγνωσης βλαβών µέσω της ανάλυσης κραδασµών. Στο τρίτο κεφάλαιο επισηµαίνεται η ανάγκη ελέγχου ποιότητας στη γραµµή παραγωγής των οικιακών συσκευών και πιο συγκεκριµένα των πλυντηρίων ρούχων, γίνεται παρουσίαση του ερευνητικού προγράµµατος Medea και των στόχων του, καθώς και αναλυτική περιγραφή του συστήµατος ελέγχου ποιότητας που αναπτύχθηκε και εφαρµόστηκε στα πλαίσια του προγράµµατος στη γραµµή παραγωγής των πλυντηρίων ρούχων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το λογισµικό που αναπτύχθηκε σε περιβάλλον LabVIEW για τη διάγνωση των µηχανικών βλαβών µέσω της ανάλυσης κραδασµών στη γραµµή παραγωγής των πλυντηρίων ρούχων και γίνεται αναλυτική xi

παρουσίαση του λογισµικού για το στάδιο της προεπεξεργασίας των κραδασµών των συσκευών κατά την διάρκεια της λειτουργίας τους. Τέλος, στο πέµπτο κεφάλαιο γίνεται συνοπτική παρουσίαση των αποτελεσµάτων της ταξινόµησης των πλυντηρίων ρούχων σε κατηγορίες ανάλογα µε το εάν έχουν βλάβη ή όχι. Προηγούµενες εργασίες Η ανάλυση κραδασµών είναι ήδη γνωστή από τα τέλη της δεκαετίας του 60 αλλά χρησιµοποιείται στην παραγωγή κυρίως για λόγους προληπτικής συντήρησης. Σε µεγάλες µονάδες παραγωγής που έχουν στην 'καρδιά' του συστήµατος παραγωγής κινητήρες, είναι σηµαντική η απρόσκοπτη λειτουργία τους και οι ελάχιστες δυνατές απώλειες χρόνου συντήρησης. Η ανάλυση κραδασµών συνήθως εφαρµόζεται σε κινητήρες µεγάλης ισχύος και όπου αυτό είναι εφικτό, οι µετρήσεις γίνονται όσο τον δυνατόν κοντά στην πηγή. Όσο µειώνεται η ισχύς του κινητήρα και όσο το ηλεκτροµηχανικό σύστηµα γίνεται συνθετότερο και µε µεγαλύτερες αποσβέσεις των κραδασµών, τόσο εγκαταλείπεται η σκέψη για χρήση της µεθοδολογίας. Ο Hammer (1988) περιγράφει µία αναλυτική µεθοδολογία για την διάγνωση βλαβών γεννητριών και κινητήρων που περιλαµβάνει χρήση ελέγχων για αποδεκτά ή µη επίπεδα κραδασµών που µπορούν να πραγµατοποιηθούν και στη γραµµή παραγωγής. Αναφέρεται όµως σε µεγάλης ιπποδύναµης µηχανές και όχι σε σύνθετα ηλεκτροµηχανικά συστήµατα χρησιµοποιώντας δεδοµένα που δεν είναι δυνατόν να ληφθούν χωρίς να διακοπεί η ροή της παραγωγής. Έχουν αναφερθεί επίσης προσπάθειες διάγνωσης βλαβών κινητήρων οι οποίες κάνουν χρήση της πληροφορίας που εµπεριέχεται στην τάση ή το ρεύµα λειτουργίας του κινητήρα χωρίς φορτίο. Οι τυχόν βλάβες, µηχανικές ή ηλεκτρικές, αναµένεται να δηµιουργήσουν µία διακύµανση σ' αυτά τα µετρούµενα χαρακτηριστικά και η εξέταση του σήµατος (της τάσης ή του ρεύµατος του κινητήρα) αποτελεί τη είσοδο ταξινοµητών οι οποίοι θα κατατάξουν τον κινητήρα σε κατάσταση βλάβης ή εύρυθµης λειτουργίας. Τέτοια µέθοδο χρησιµοποιούν οι Ropke and Filbert (1994), σε εφαρµογή εκτός γραµµής παραγωγής αλλά µε µικρή επιτυχία στην εξακρίβωση βλαβών που οφείλονται στον ρότορα ή στις εδράσεις του κινητήρα. Χρησιµοποιούν ένα παραµετρικό µοντέλο του κινητήρα και προσοµοιώνουν µ' αυτό τις πιθανές βλάβες. Η εργασία αυτή αποτελεί κλασσική περίπτωση όπου απαιτείται γνώση από το αναλυτικό µοντέλο του συστήµατος έτσι ώστε να ενσωµατώνει τις πιθανές βλάβες. xii

Οι παραδοχές που απαιτούνται για την εφαρµογή του µοντέλου µειώνουν τις πιθανότητες για εφαρµογή σε παρόµοια προβλήµατα και της επέκτασή του σε συνθετότερα ηλεκτροµηχανικά συστήµατα. Αντίστοιχα η αναγνώριση προτύπου σε φάσµατα έχει να επιδείξει πολλές εφαρµογές σε διάφορους σηµαντικού επιστηµονικούς τοµείς, αλλά δεν έχει παρουσιαστεί εφαρµογή στη γραµµή παραγωγής η οποία θα χρησιµοποιείται για διάγνωση της ποιότητας του παραγόµενου προϊόντος µέσω ανάλυσης κραδασµών. Οι Meier et al. (1994), αναφέρουν ότι είναι δυνατή η αντικατάσταση του έµπειρου εργάτη-ελεγκτή σε µία γραµµή παραγωγής κεραµικών πλακιδίων µε χρήση θεωρίας αναγνώρισης προτύπου, υποκαθιστώντας τον µε ένα σύστηµα που θα χρησιµοποιεί το ακουστικό σήµα από µία µη καταστροφική κρούση στην επιφάνεια του πλακιδίου, για να ταξινοµήσει το προϊόν ανάλογα µε την ποιότητά του. Στην συγκεκριµένη προσέγγιση δεν δίνονται λεπτοµέρειες για την εφαρµογή πέρα από τα σχετικά στάδια που περιλαµβάνουν µεταξύ άλλων την κλασσική µετατροπή του σήµατος στο πεδίο της συχνότητας, την εξαγωγή των διαχωριστικών χαρακτηριστικών και την απαραίτητη διαδικασία της κατηγοριοποίησης. Στον έλεγχο της παραγωγής οι Tumer et al. (1996) παρουσίασαν ένα σύστηµα διάγνωσης ελαττωµατικών ανταλλακτικών που προέρχονται από περιστροφικές µήτρες (καλούπια). Ο έλεγχος πραγµατοποιείται µε βάση της ποιότητα της επιφάνειας του καλουπιού και η ανάλυση του περιοδικού σήµατος των ανωµαλιών της επιφάνειας δίνουν τα κατάλληλα χαρακτηριστικά για να προβούµε τόσος στην διάγνωση των καλουπιών όσο και στον προσδιορισµό της προσδοκώµενης ποιότητας των προϊόντων. Στην εργασία όµως αυτή παρουσιάζεται κυρίως η καταλληλότητα του µετασχηµατισµού Karhunen-Loeve για την δηµιουργία χαρακτηριστικών διαχωρισµού, χωρίς να αναλύονται αποτελέσµατα από πραγµατικά δεδοµένα ή να γίνεται προσοµοίωση της ταξινόµησης. Σύµφωνα µε την προσέγγιση των Zieba et al. (1994), µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε σήµα κραδασµών που προέρχεται από σηµεία κοντά στις άκρες των κοπτικών εργαλείων σε εργαλειοµηχανές αριθµητικού ελέγχου, για να παρακολουθήσουµε την κατάσταση της µηχανής και την ποιότητα του παραγόµενου προϊόντος. Η ανάλυση του σήµατος στο πεδίο της συχνότητας µε την χρήση του αλγορίθµου GLR (γενικευµένος λόγος πιθανοφάνειας) µπορεί να ανιχνεύσει απότοµες µεταβολές και συνεπώς να αποφανθεί για την κατάσταση του ελεγχόµενου xiii

αντικειµένου στην µεταβολή του χρόνου. Η διάκριση του προϊόντος στην συγκεκριµένη εφαρµογή γίνεται σε τρεις κλάσεις (καλό/κακό/αταξινόµητο). Συνοψίζοντας, πρέπει να τονιστεί ότι η ανάγκη για αυτοµατοποίηση της διάγνωσης στην γραµµή παραγωγής υπαγορεύει την αντικατάσταση-υποβοήθηση του ανθρώπινου παράγοντα µε µεθόδους όπως η αναγνώριση προτύπου. Μέχρι στιγµής δεν έχει υποπέσει στην αντίληψή µ εφαρµογή, η οποία να κάνει χρήση της θεωρίας ανάλυσης κραδασµών, και σε συνδυασµό µε την αναγνώριση προτύπου να µπορεί να ταξινοµήσει ικανοποιητικά σύνθετα περιστρεφόµενα ηλεκτροµηχανικά συστήµατα, ανάλογα µε την κατάστασή τους στην παραγωγή και συγκεκριµένα στο στάδιο της συναρµολόγησης. xiv

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LabVIEW 1.1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ Οι προσωπικοί υπολογιστές και η προηγµένη τεχνολογία των µικροεπεξεργαστών είχαν και έχουν τεράστια επίδραση στον τρόπο µε τον οποίο αντιµετωπίζεται και πραγµατοποιείται η έρευνα, τα πειράµατα και οι εφαρµογές αυτών. Ο έλεγχος των οργάνων που χρησιµοποιούνται κατά την εκτέλεση των παραπάνω γίνεται µέσω του υπολογιστή, ενώ τα δεδοµένα λαµβάνονται και µεταφέρονται σε αυτόν απ' ευθείας µέσω των καρτών διασύνδεσης. Το µεγαλύτερο µέρος της επεξεργασίας των δεδοµένων, καθώς και της εµφάνισης και αποθήκευσης των αποτελεσµάτων µπορεί επίσης να γίνει από έναν προσωπικό υπολογιστή. Το κόστος τους µέχρι πριν από λίγα χρόνια ήταν µεγάλο και συχνά, για να χρησιµοποιηθούν αποτελεσµατικά, ο χρήστης τους έπρεπε να έχει γνώσεις ηλεκτρολογίας, να είναι γνώστης του hardware του υπολογιστή και γνώστης της ανάπτυξης λογισµικού. Σήµερα πλέον τα συστήµατα υπολογιστών είναι σχετικά φθηνά κι ένας επιστήµονας ή µηχανικός µε γενικές γνώσεις µπορεί να τα χρησιµοποιήσει αποτελεσµατικά. Είµαστε πλέον στο σηµείο όπου κάθε έρευνα ή πείραµα µπορεί και πρέπει να συνδέεται µε τον υπολογιστή. [2] Με άλλα λόγια, κάθε έρευνα ή πείραµα µπορεί πλέον να είναι αυτοµατοποιηµένη/ο. Υπάρχουν πολλές εφαρµογές οι οποίες ζητούν αυτοµατοποίηση. Μεταξύ αυτών είναι: Εφαρµογές µε µεγάλη χρονική διάρκεια οι οποίες απαιτούν χαµηλή ταχύτητα κατά την εκτέλεσή τους, όπως για παράδειγµα η παρακολούθηση και ο έλεγχος του περιβάλλοντος. Εφαρµογές που απαιτούν υψηλή ταχύτητα (high speed) εκτέλεσης, όπου ένας µεγάλος αριθµός δεδοµένων συλλέγεται σε σύντοµο χρονικό διάστηµα. Επαναληπτικές εφαρµογές, όπως ο αυτοµατοποιηµένος έλεγχος και πειράµατα που εκτελούνται πολλές φορές. 1

Επικίνδυνες για τον άνθρωπο εφαρµογές ή εφαρµογές σε αποµακρυσµένες περιοχές στις οποίες είναι είτε µη πρακτική, είτε αδύνατη, είτε επικίνδυνη η παρουσία του ανθρώπινου παράγοντα. Εφαρµογές υψηλής ακρίβειας οι οποίες είναι πέρα από τις ικανότητες του ανθρώπου Πολύπλοκες εφαρµογές µε πολλές εισροές (inputs) και εκροές (outputs). Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις ένα αυτοµατοποιηµένο σύστηµα που βασίζεται σε υπολογιστές καθιστά πραγµατοποιήσιµη µία εφαρµογή ή ένα πείραµα που υπό άλλες συνθήκες δεν θα επιχειρούνταν καν να γίνει. Από την άλλη πλευρά, η αυτοµατοποίηση µπορεί να προσφέρει επιπλέον πλεονεκτήµατα: Μειώνει τα σφάλµατα που συµβαίνουν κατά την αντιγραφή των δεδοµένων. Τα ανθρώπινα λάθη που γίνονται κατά την ανάγνωση των δεδοµένων από την οθόνη των οργάνων και κατά την αντιγραφή τους δεν συµβαίνουν σε ένα σύστηµα λήψης δεδοµένων που βασίζεται σε υπολογιστή. Βελτιώνεται η ποιότητα των δεδοµένων. Πιο αξιόπιστα δεδοµένα συχνά οδηγούν σε καλύτερο έλεγχο ποιότητας των προϊόντων και σε καινούργιες ανακαλύψεις κατά την εκτέλεση της έρευνας και των πειραµάτων. Ελαχιστοποιεί τις αποκλίσεις που προκαλούνται από τον χειριστή κατά την διάρκεια της λειτουργίας ή κατά την εφαρµογή των µεθόδων συλλογής δεδοµένων. Η ικανότητα για επανάληψη βελτιώθηκε δραστικά για τον απλό λόγο ότι ο υπολογιστής αφ ενός δεν κουράζεται και αφ ετέρου εκτελεί πάντα τις εφαρµογές κατά τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Αυξάνει την εισροή των δεδοµένων, λαµβάνεται δηλαδή µεγαλύτερος αριθµός δειγµάτων, γιατί πλέον το σύστηµα λειτουργεί µε την ταχύτητα του υπολογιστή κι όχι µε την ανθρώπινη ταχύτητα. Είναι δυνατό να γίνουν αντιληπτές οι µεταβλητές απόδοσης και να στέλνονται τα κατάλληλα σήµατα ελέγχου προκειµένου να επιτυγχάνεται επί γραµµής έλεγχος του συστήµατος. 2

Η σχεδόν άµεση επεξεργασία των δεδοµένων δίνει την δυνατότητα του ελέγχου και της διάγνωσης προβληµάτων πριν από την λήξη της έρευνας ή του πειράµατος. Προσφέρονται καινούργιες και µεγαλύτερες δυνατότητες. Παρόλα αυτά υπάρχουν µειονεκτήµατα: Είναι πιθανό να εισαχθούν καινούργιες πηγές σφαλµάτων λόγω µη σωστής χρήσης των αισθητήρων, λόγω της κατάστασης του σήµατος και της µετατροπής των δεδοµένων, και περιστασιακά λόγω των υπολογιστικών σφαλµάτων (π.χ. στρογγυλοποίηση σφάλµατος). Η µη σωστή εφαρµογή οποιουδήποτε συστήµατος hardware ή λογισµικού προκαλεί προβλήµατα. Για παράδειγµα, η προσπάθεια συλλογής δεδοµένων µε εξαιρετικά υψηλό ρυθµό καταλήγει σε σφάλµατα κατά την καταγραφή τους. Η αξιοπιστία είναι πάντα ένα ερώτηµα όσον αφορά τα συστήµατα υπολογιστών. Η αποτυχία του συστήµατος και οι 'ιοί' µαστίζουν κάθε γνωστή εφαρµογή υψηλής τεχνολογίας. Επιπλέον, η αυτοµατοποίηση συνεπάγεται µεγάλο κόστος το οποίο αφορά στο κόστος των αισθητήρων, των καρτών λήψης δεδοµένων, των υπολογιστών, των προγραµµάτων που πρέπει να αναπτυχθούν σε επίπεδο λογισµικού και το κόστος των προγραµµατιστών που αναπτύσσουν το λογισµικό. Το κόστος είναι απαραίτητο να λαµβάνεται πάντα υπ' όψη, Εξάλλου δεν είναι σίγουρο ότι ένας υπολογιστής θα οδηγήσει στην αποταµίευση χρηµάτων ή / και χρόνου. [4] Από την άλλη πλευρά όµως, το κόστος ενός συστήµατος λήψης δεδοµένων και ελέγχου µέσω υπολογιστή, συµπεριλαµβανοµένου και του κόστους του λογισµικού, είναι αισθητά µικρότερο από το κόστος των οργάνων που θα χρησιµοποιούνταν για την εκτέλεση των παραπάνω εργασιών στην περίπτωση που το σύστηµα δεν ήταν αυτοµατοποιηµένο. [2] Ενώ στο τέλος µπορεί να δηµιουργηθεί µία καινούργια πολλά υποσχόµενη δυνατότητα. Κι αυτό όχι µόνο λόγω των παραπάνω πλεονεκτηµάτων και δυνατοτήτων που προσφέρει, αλλά και για το λόγο ότι χάρη στην αυτοµατοποίηση οι ερευνητές δεν είναι πλέον υποχρεωµένοι να δουλεύουν αποκλειστικά και µόνο στο εργαστήριο όπως και ότι οι χειριστές του συστήµατος δεν είναι υπεύθυνοι για τις 3

σηµαντικές µετατροπές του. Επιπλέον δεδοµένου ότι η ποιότητα των δεδοµένων βελτιώνεται, οµοίως βελτιώνεται και η ποιότητα του προϊόντος. Για την πραγµατοποίηση της παραπάνω δυνατότητας δύο είναι τα προβλήµατα που µπορούν να προκύψουν: το ένα είναι ότι οι πιθανοί χρήστες τροµοκρατούνται από τα ηλεκτρονικά µηχανήµατα και το άλλο η δυσκολία µάθησης µίας γλώσσας προγραµµατισµού η οποία λειτουργεί ως σύνδεσµος µεταξύ της έρευνας ή του πειράµατος και του υπολογιστή. [4] 1.2 ΚΑΡΤΕΣ ΛΗΨΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ, ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ 1.2.1 Κάρτες λήψης δεδοµένων Ένας υπολογιστής που χρησιµοποιείται για την έρευνα ή για την εκτέλεση πειραµάτων, θα πρέπει να έχει την ικανότητα να εκτελεί ποικίλες λειτουργίες µεταξύ των οποίων να 'διαβάζει' και να εκπέµπει πολλά διαφορετικά είδη σηµάτων, να λαµβάνει απ' ευθείας τα δεδοµένα από τους µεταφορείς των (transducers), να διανέµει τα σήµατα ελέγχου σε διάφορους ενεργοποιητές (actuators), να επικοινωνεί µε ευφυή όργανα, να επεξεργάζεται τα δεδοµένα, να εµφανίζει τα αποτελέσµατα και να τα αποθηκεύει στη µνήµη. Το πλέον συνηθισµένο είδος σήµατος είναι το αναλογικό σήµα το οποίο στη συνέχεια πρέπει να µετατραπεί σε ψηφιακό προκειµένου να αποθηκευτεί στην µνήµη του υπολογιστή. Ένα άλλο είδος σήµατος είναι το ψηφιακό σήµα λογικής (digital logic signal) που δεν είναι απαραίτητο να είναι συµβατό µε το ψηφιακό σήµα που δέχεται ένας υπολογιστής, και το οποίο εισέρχεται στον υπολογιστή µέσω ευφυών οργάνων. Για την σύνδεση του υπολογιστή µε έναν µεγάλο αριθµό οργάνων που έχουν την δική τους επί-κάρτας (on-board) ευφυία απαιτούνται ειδικού σκοπού ψηφιακοί διασυνδετές (special purpose digital interfaces). Ο συντονιστής της λειτουργίας και την δράσης των οργάνων είναι ο υπολογιστής. Συνεπώς είναι απαραίτητος ένας τρόπος µε τον οποίο να στέλνονται από αυτόν οι εντολές για την λήψη των δεδοµένων από τα ευφυή όργανα. [2] Στη συνέχεια τα δεδοµένα θα πρέπει να µεταφέρονται σε αυτόν για την επεξεργασία τους και τέλος για την εµφάνιση και αποθήκευση των αποτελεσµάτων της επεξεργασίας. Πώς γίνεται η παραπάνω διαδικασία; 4

Η µετατροπή του αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό γίνεται µέσω των plug-in καρτών - οι οποίες είναι κάρτες που συνδέονται µε άλλες κάρτες, που δεν είναι δηλαδή αυτόνοµες - των οποίων οι δυνατότητες γίνονται όλο και µεγαλύτερες. Οι κάρτες αυτές διαθέτουν ποικίλους συνδυασµούς αναλογικών, ψηφιακών και ρυθµιζόµενων εισόδων και εξόδων, ενώ πολλές από αυτές χρησιµοποιούνται για την λήψη δεδοµένων (plug-in DAQ boards). Έχουν περίπλοκες δυνατότητες για άµεση πρόσβαση στη µνήµη ή αλλιώς direct memory access DMA: είναι η µεταφορά δεδοµένων από ένα αναλογικό µηχάνηµα απευθείας στην µνήµη του υπολογιστή, χωρίς τη µεσολάβηση επεξεργαστή. οι ελεγκτές DMA δίνουν την πληροφορία για την διεύθυνση στην οποία φυλάσσονται τα δεδοµένα, διαβεβαιώνοντας ότι αυτά φυλάσσονται σε κατάλληλα τµήµατα της µνήµης στα οποία µπορεί να τα βρει αργότερα ο επεξεργαστής - ρύθµισης και σκανδαλισµού (triggering), οι οποίες προσφέρουν την δυνατότητα σύνδεσης µε πολλαπλές κάρτες, καταλήγοντας έτσι σε βελτίωση του συγχρονισµού και στην ένωση σήµατος µεταξύ των καρτών. Οι plug-in κάρτες λήψης δεδοµένων έχουν ασκήσει µεγάλη επίδραση για τον λόγο ότι µετατρέπουν έναν υπολογιστή γενικού σκοπού σε ένα εργαλείο που συνδέει άµεσα το σήµα µε τον έξω κόσµο. Παρέχουν τις δυνατότητες που παρέχει ένα ευρύ φάσµα οργάνων ενώ παράλληλα µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να κατασκευαστεί χαµηλού κόστους, έξυπνο λογισµικό. Επιπλέον έχουν πολλαπλές χρησιµότητες χωρίς να έχουν υψηλό κόστος. Από την άλλη πλευρά όµως, αν και µπορούν να λάβουν µία µεγάλη ποικιλία σηµάτων, δεν είναι η λύση σε κάθε πρόβληµα. Για παράδειγµα για την λήψη σηµάτων σε πολύ υψηλή συχνότητα το πλέον κατάλληλο όργανο δεν είναι οι plug-in κάρτες λήψης δεδοµένων, αλλά ο παλµογράφος. Εκτός από τις plug-in κάρτες, άλλες κάρτες διασύνδεσης των πραγµατικών οργάνων µε τον υπολογιστή είναι οι GPIB (General Purpose Interface Bus) και VXI. Πιο συγκεκριµένα, το GPIB είναι ψηφιακή διασύνδεση (digital interface) και χρησιµοποιείται για την επικοινωνία µεταξύ ευφυών οργάνων (intelligent instruments) και του υπολογιστή. Οι µετρήσεις των δεδοµένων γίνονται µέσω των ευφυών οργάνων - µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα ευρύ φάσµα τέτοιων οργάνων - και στη συνέχεια τα δεδοµένα αυτά µεταφέρονται στον υπολογιστή µέσω του GPIB, το οποίο συνδέεται µε καλώδιο µε το κεντρικό σύστηµα του υπολογιστή. Μπορεί να χρησιµοποιηθούν για την επικοινωνία µέχρι και 14 διαφορετικά όργανα, που µέσω 5

καλωδίων συνδέονται µε τη σειρά τους µε το GPIB. Οι VXI κάρτες διασύνδεσης χρησιµοποιούνται σε µεγάλο βαθµό για την πραγµατοποίηση ελέγχων, για µετρήσεις, για την λήψη δεδοµένων, την ανάλυση στο πεδίο της έρευνας και στις εφαρµογές του βιοµηχανικού ελέγχου. Πολλοί χρήστες 'µετοικίζουν' σε αυτές ενσωµατώνοντάς τες στα ήδη υπάρχοντα συστήµατα που περιέχουν τα GPIB όργανα και /ή στις plug-in κάρτες για την λήψη δεδοµένων. Χρησιµοποιούν ένα βασικό πλαίσιο µε 13 το ανώτερο υποδοχές στις οποίες στηρίζονται τα όργανα που είναι συνδεδεµένα µε τις plug-in κάρτες. [4] 1.2.2 Εικονικά και πραγµατικά όργανα Οι παραπάνω δυνατότητες σε συνδυασµό µε την ανάπτυξη περισσότερο ικανών λειτουργικών συστηµάτων και αρχιτεκτονικών για τους υπολογιστές, έφεραν παράλληλες δυνατότητες επεξεργασίας στους προσωπικούς υπολογιστές, καθιστώντας τους έτσι πιο περίπλοκους για εφαρµογές όπως η λήψη δεδοµένων. Η περιπλοκότητα όµως έχει ως κόστος την πολυπλοκότητα κι αυτό γιατί θα πρέπει αυτός που χρησιµοποιεί όργανα µε παρόµοιες δυνατότητες να έχει µεγαλύτερη γνώση των hardware µελών και του τρόπου που συνδέονται µεταξύ τους, απ ότι συνήθως απαιτείται. Για την µετατροπή αυτών των περίπλοκων hardware µελών σε εύχρηστα συστήµατα είναι θεµελιώδης η κατασκευή στον υπολογιστή εικονικού /ων οργάνου /ων. Τα πραγµατικά όργανα έχουν τη δυνατότητα εισόδου / εξόδου σήµατος (signal input/ output) και αποτελούνται από χαρακτηριστικά που λειτουργούν ως σύνδεσµοι µεταξύ του οργάνου και του χρήστη τα οποία δεν επιδέχονται αλλαγή, όπως για παράδειγµα διακόπτες, ηλεκτρολογικά κουµπιά κλπ.. Στο εσωτερικό αποτελούνται από ειδικά κυκλώµατα, συµπεριλαµβανοµένων των µετατροπέων αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό, µικροεπεξεργαστών, µνήµης, καθορισµού σηµάτων, και από έναν εσωτερικό µετατροπέα ο οποίος µετατρέπει τα σήµατα του πραγµατικού κόσµου (real-world signals), τα αναλύει και τα παρουσιάζει στον χρήστη. Ο σκοπός της κατασκευής εικονικού οργάνου (virtual instrumentation) είναι να µιµηθεί τα πραγµατικά όργανα (real instruments) και να τα µεταφέρει στην οθόνη του υπολογιστή, αλλά µε την επιπλέον 'ευστροφία' που πηγάζει από την δυνατότητα του λογισµικού. Για παράδειγµα, αντί της αγοράς ενός καταγραφέα γραφηµάτων (strip-chart recorder), ενός ταλαντωσκόπιου (osciloscope) κι ενός αναλυτή φάσµατος (spectrum analyzer), µπορεί να αγοραστεί ένας υψηλής απόδοσης µετατροπέας 6

αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό και να χρησιµοποιηθεί ένας υπολογιστής στον οποίο θα 'τρέχει' το λογισµικό µε οποίο αναπτύχθηκαν τα εικονικά όργανα, προκειµένου να γίνεται προσοµοίωση όλων των παραπάνω οργάνων στην οθόνη του υπολογιστή, αλλά και όχι µόνο. Τα εικονικά όργανα, επηρεασµένα από τους βιοµηχανικούς υπολογιστές, έχουν δυνατότητες επεξεργασίας και αποθήκευσης των δεδοµένων καθώς και εµφάνισης των αποτελεσµάτων και επιτρέπουν στον χρήστη να παρέµβει σε αυτά για να κάνει οποιαδήποτε αλλαγή ή µετατροπή. [4] Συνδέονται µε plug-in κάρτες λήψης δεδοµένων (DAQ boards), GPIB και VXI κάρτες διασύνδεσης παρέχοντας έτσι τις δυνατότητες ενός πραγµατικού οργάνου. Έχουν δηλαδή την δυνατότητα να συνδυάζουν τις plug-in κάρτες λήψης δεδοµένων µε τα GPIB, VXI - τα οποία συνεχίζουν να είναι στην κορυφή της τεχνολογίας όσον αφορά την εικονική κατασκευή οργάνου και τους σειριακούς και βιοµηχανικούς διασυνδετές ελέγχου σε ένα και µόνο λογισµικό το οποίο εκτελείται από πάνω προς τα κάτω. Αυτό δίνει στον χρήστη την δυνατότητα να αναπτύξει ένα σύστηµα που θα είναι το βέλτιστο δυνατό ως προς το κόστος και την απόδοση. Η λειτουργικότητά του προσδιορίζεται περισσότερο από τους υπολογισµούς που εφαρµόζονται στα δεδοµένα παρά από τις τυποποιηµένες (fixed) συναρτήσεις που εµπεριέχονται µέσα στο εικονικό όργανο. 1.2.3 Σύγκριση πραγµατικών και εικονικών οργάνων Τα συστήµατα της εικονικής κατασκευής οργάνου αναπόφευκτα οδηγούν στην σύγκρισή τους µε τα συστήµατα των πραγµατικών οργάνων. [4] Ο χρήστης ενός πραγµατικού οργάνου δεν µπορεί να παρέµβει σε αυτό για να το αλλάξει ή να το µετατρέψει. Στην περίπτωση των εικονικών οργάνων αντίθετα, αυτός είναι που καθορίζει την βέλτιστη λειτουργικότητα τους. [13] Το πιο βασικό όµως επιχείρηµα για την χρησιµοποίηση ενός υπολογιστή και για την εγκατάσταση σε αυτόν εικονικών οργάνων, είναι ότι ο υπολογιστής έχει έναν µόνο κεντρικό επεξεργαστή. Μία εφαρµογή που χρησιµοποιεί πολλαπλά πραγµατικά όργανα µπορεί εύκολα να υπερφορτώσει τον επεξεργαστή. Από την άλλη πλευρά ένα µόνο όργανο µπορεί να περιέχει οποιονδήποτε αριθµό επεξεργαστών, κάθε ένας από τους οποίους εκτελεί και ένα έργο. Επιπλέον, οι πολλαπλοί επεξεργαστές µπορούν να λειτουργούν παράλληλα, εξασφαλίζοντας έτσι µεγάλη αύξηση της ολικής απόδοσης. Αλλά αυτή η αύξηση της απόδοσης έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της τιµής του οργάνου, καθώς και την µείωση της ευελιξίας του. 7

Στις µέρες µας όµως πολλές κάρτες έχουν τους δικούς τους επεξεργαστές όντας παράλληλα διαθέσιµοι σε πιο λογικές τιµές. Οι επεξεργαστές ψηφιακού σήµατος είναι ένα παράδειγµα επεξεργαστών που χρησιµεύουν για ειδικό σκοπό, και οι οποίοι χρησιµοποιούνται σε plug-in κάρτες. Η εικονική κατασκευή οργάνου προσφέρει το µεγαλύτερο δυνατό κέρδος σε σχέση µε τα πραγµατικά όργανα ή τα συστήµατα πραγµατικών οργάνων όσον αφορά την τιµή, την απόδοση, την ευελιξία και την εξειδίκευση. Στην τιµή ενός οργάνου υψηλής απόδοσης, µπορεί να συναρµολογηθεί ένα προσωπικό σύστηµα που βασίζεται σε υπολογιστή µε τα βασικά τµήµατα hardware και λογισµικού που απαιτούνται προκειµένου να σχεδιαστούν τα εικονικά όργανα που εξυπηρετούν µία συγκεκριµένη εφαρµογή. Τα τµήµατα hardware µπορεί να είναι plug-in κάρτες, εξωτερικά όργανα ή ένας συνδυασµός και των δύο. Και στις δύο από τις παραπάνω περιπτώσεις τα προγράµµατα µπορούν να είναι τόσο πολύπλοκα ή τόσο απλά, όσο χρειάζεται για την εκτέλεση της εφαρµογής. Η λειτουργία ενός πολύπλοκου οργάνου µπορεί για παράδειγµα να απλοποιηθεί µέσω της κατασκευής εικονικού οργάνου µε το να επικεντρωθεί αυτή µόνο στον έλεγχο των τµηµάτων εκείνων του οργάνου που είναι υπεύθυνα για όλες τις δυνατότητες του. [4] Η κατασκευή εικονικού οργάνου /ων δίνει την δυνατότητα της ανάπτυξης ενός συστήµατος µέσω του καλύτερου δυνατού συνδυασµού hardware και λογισµικού. Το αποτέλεσµα είναι ένα ευέλικτο σύστηµα που έχει την ικανότητα να προσαρµόζεται στη νέα τεχνολογία χωρίς να ξαναγραφτούν οι κώδικες, ενώ επιπλέον ο χρόνος κατασκευής του είναι µικρός και το κόστος του χαµηλό. Εξαιτίας της ανοιχτής αρχιτεκτονικής των προσωπικών υπολογιστών και των σταθµών εργασίας, η λειτουργικότητά του καθορίζεται από τον χρήστη, και άρα είναι µετατρέψιµη και επεκτάσιµη. [13] 1.3 ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ Τα µεγάλα χρηµατικά ποσά που επενδύονται και η προηγµένη τεχνολογία της βιοµηχανίας των υπολογιστών έχουν ως αποτέλεσµα την χαµηλού κόστους, ευέλικτη και υψηλής απόδοσης κατασκευή εικονικού οργάνου. Η κατασκευή εικονικού οργάνου επωφελείται των παραπάνω για να παράγει σε σύντοµο χρονικό διάστηµα τα επιθυµητά αποτελέσµατα. Το κλειδί είναι η ανάπτυξη του λογισµικού. Η εφαρµογή του 8

λογισµικού ενδυναµώνει τον χρήστη προσφέροντάς του τα απαραίτητα εργαλεία για να κατασκευάσει ένα εικονικό όργανο του οποίου µπορεί να επεκτείνει την λειτουργικότητα λόγω των µεγάλων δυνατοτήτων των προσωπικών υπολογιστών, των σταθµών εργασίας και της ποικιλίας των εφαρµογών τους. [13] Οι ανάγκες του λογισµικού επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες. Μεταξύ αυτών είναι οι απαιτήσεις που προκύπτουν κατά την εφαρµογή του, το hardware του υπολογιστή και των λειτουργικών συστηµάτων, καθώς και το hardware των οργάνων. Το λογισµικό που επιλέγεται να εφαρµοστεί τελικά θα πρέπει να είναι αρκετά πολύπλευρο προκειµένου να µπορεί να είναι συµβατό µε τις διαφορετικές αρχιτεκτονικές των υπολογιστών, τα ποικίλα όργανα και τα ποικίλα µηχανήµατα που χρησιµοποιούνται για την λήψη των δεδοµένων. Το ελάχιστο που πρέπει να πληρεί είναι να εκτελεί έστω κάποιο είδος λήψης δεδοµένων, ανάλυσης και εµφάνισής τους. Άλλες ανάγκες όσον αφορά το λογισµικό είναι η γρήγορη ταχύτητα εκτέλεσής του, ο µεγάλος αριθµός καναλιών ή η επεξεργασία του σήµατος σε πραγµατικό χρόνο. Κατά την επιλογή του θα πρέπει να συνταιριάξουν η φιλοσοφία ανάπτυξής του µε τις ικανότητες και τις προτιµήσεις του χρήστη. [12] Το λογισµικό που εµπεριέχει βιβλιοθήκες κατάλληλα σχεδιασµένες για την κατασκευή οργάνου/ ων, µειώνει τον χρόνο ανάπτυξης των επιµέρους προγραµµάτων. Ενώ ο κώδικας που τεκµηριώνεται αφ' εαυτού (self documenting), µε µία ευρεία διαθεσιµότητα ικανοτήτων για την αντιµετώπιση των προβληµάτων, παρέχει την ασφάλεια του χαµηλού κόστους συντήρησης. εν είναι µόνο το κόστος των συστηµάτων εικονικής κατασκευής οργάνου /ων χαµηλό, εξαιτίας των διαφόρων τιµών που προσφέρουν οι βιοµηχανίες υπολογιστών, αλλά και τα κόστη ανάπτυξης και συντήρησης είναι εξίσου χαµηλά εξαιτίας των ανοιχτών αρχιτεκτονικών που εφαρµόζονται, των εργαλείων που επιδέχονται αλλαγές ή µετατροπές και των κωδικών που προσφέρουν την δυνατότητα να επαναχρησιµοποιηθούν. [13] 1.4 ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ - LabVIEW Το λογισµικό που αναπτύσσεται µε συµβατικές γλώσσες προγραµµατισµού, ακόµα και τις υψηλού επιπέδου γλώσσες, αφήνει ακόµα πολλά για να γίνουν. Ο προγραµµατιστής ξοδεύει πολύ χρόνο για να µάθει πώς να συντάσσει σωστά τους υπότιτλους, τις µεταφορές, και τις εντολές σύνταξης και σύνδεσης. Αυτού του είδους 9

οι µάχες των προγραµµατιστών µε τις γλώσσες προγραµµατισµού έχουν ως κόστος την παραγωγικότητα. [4] Πρόσφατα ένας αριθµός καινούργιων προϊόντων λογισµικού έχουν εισέλθει στην αγορά. Μεταξύ αυτών το πλέον αξιοπρόσεκτο είναι το LabVIEW που έχει αναπτυχθεί από την εταιρεία National Instruments, µε στόχο να παρέχει στον χρήστη τα εργαλεία για τον έλεγχο των οργάνων, την λήψη και την ανάλυση των δεδοµένων καθώς και την εµφάνιση των αποτελεσµάτων µε την βοήθεια µηχανηµάτων hardware. [2] Η εφαρµογή των εργαλείων αυτών συνεπάγεται µείωση του χρόνου ανάπτυξης του συστήµατος και δηµιουργία λογισµικού υψηλής ποιότητας, ενώ το ίδιο το σύστηµα είναι πιο 'εύκολο' στην συντήρηση και τροποποίησή του. [13] 1.4.1 Λογισµικό σε περιβάλλον LabVIEW Το LabVIEW είναι ένα περιβάλλον ανάπτυξης λογισµικού που µπορεί αν χρησιµοποιηθεί ουσιαστικά για κάθε εφαρµογή. Είναι ένα ισχυρό, ευέλικτο και γενικού σκοπού προϊόν το οποίο προέκυψε από τον συνδυασµό της τεχνολογίας της βιοµηχανίας των υπολογιστών και της βιοµηχανίας κατασκευής οργάνων. Ο χρήστης µπορεί να χρησιµοποιήσει ή να δηµιουργήσει σε αυτό τα αντίστοιχα προγράµµατα προκειµένου να αναπτύξει κάθε ένα από τα ακόλουθα τµήµατα: να λάβει τα δεδοµένα (data acquisition), να τα αναλύσει (data analysis), να τα εµφανίσει (data presentation) και να τα αποθηκεύσει (data storage). Η πλειοψηφία των πωλητών πακέτων λογισµικού εστιάζεται κατά κύριο λόγο σε ένα µόνο τµήµα από τα παραπάνω. Εντούτοις οι περισσότερες εφαρµογές απαιτούν λογισµικό που να ανταποκρίνεται σε όλα και όχι µόνο σε κάποιο από αυτά. [12] Το LabVIEW είναι µία εφαρµογή ανάπτυξης προγραµµάτων λογισµικού, όπως για παράδειγµα η C, η BASIC, ή η LabWindows/CVI της εταιρείας National Instruments. Όπως η C και η BASIC, είναι κι αυτό ένα σύστηµα προγραµµατισµού γενικού σκοπού το οποίο περιέχει εκτεταµένες βιβλιοθήκες συναρτήσεων και ρουτινών που ανταποκρίνονται σε οποιεσδήποτε απαιτήσεις προγραµµατισµού. [14] Πολλές φορές η ισχύς και η συµβατότητα των ρουτινών του που αναφέρονται στην ανάλυση των δεδοµένων επισκιάζεται από την έµφαση που δίνεται στα τρία παραπάνω τµήµατα, δηλαδή στην λήψη των δεδοµένων και στην εµφάνισή τους. Εντούτοις οι ρουτίνες αυτές κατέχουν τον ουσιαστικό ρόλο του να µετατρέπουν σε χρήσιµη πληροφορία τα δεδοµένα που έχουν ληφθεί. [12] 10

Eίναι ίσως ένα µοναδικό σύστηµα προγραµµατισµού που καθιστά την αυτοµατοποίηση µε την βοήθεια υπολογιστή µία εύκολη υπόθεση για τον επιστήµονα ή τον µηχανικό που εργάζεται σε πολλές περιοχές όπως η εργαστηριακή έρευνα, ο βιοµηχανικός έλεγχος, η ανάλυση δεδοµένων αλλά και όχι µόνο. [4] Πιο συγκεκριµένα, περιλαµβάνει βιβλιοθήκες για την λήψη δεδοµένων (Data Acquisition VIs) οι οποίες ελέγχουν τις πολυλειτουργικές κάρτες, για τον έλεγχο GPIB και σειριακών οργάνων, για την ανάλυση των δεδοµένων οι οποίες εκτελούν λειτουργίες όπως DSP, ψηφιακά φίλτρα, διανυσµατική άλγεβρα, άλγεβρα των πινάκων, επεξεργασία σήµατος, στατιστική επεξεργασία, έως και ανάλυση των δεδοµένων σε πραγµατικό χρόνο, και τέλος βιβλιοθήκες για την εµφάνιση των αποτελεσµάτων και την αποθήκευσή τους. [12] Περιλαµβάνει επίσης συµβατικά εργαλεία για την ανάπτυξη προγραµµάτων, µε τα οποία ο χρήστης µπορεί να θέτει σηµεία σταµατήµατος (breakpoints) του προγράµµατος κατά την διάρκεια που αυτό εκτελείται, να καθοδηγεί την εκτέλεσή του έτσι ώστε να βλέπει την ροή των δεδοµένων στο πρόγραµµα και τέλος να το εκτελεί ανά βήµα. [14] 1.4.2 LabVIEW και κατασκευή εικονικών οργάνων Το LabVIEW έκανε την έννοια του εικονικού οργάνου πραγµατικότητα καθιστώντας την παράλληλα τόσο θεµελιώδη και κεντρική όσον αφορά τον τρόπο λειτουργίας του, που αυτή έγινε τµήµα του ονόµατός του (LabVIEW: Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). [4] Τα προγράµµατα που αναπτύσσονται σε αυτό καλούνται εικονικά όργανα (Virtual Instruments) ή αλλιώς VIs, για τον λόγο ότι η εµφάνιση και λειτουργία τους µιµείται τα πραγµατικά όργανα, όντας όµως παράλληλα παρόµοια µε τα προγράµµατα που αναπτύσσονται µε συµβατικές γλώσσες προγραµµατισµού. Εµπεριέχονται δηλαδή αλλά και µπορούν επίσης να κατασκευαστούν σε αυτό εικονικά όργανα και όχι µόνο, κάτι που ήδη φαίνεται από τα παραπάνω. Σε αυτό κατασκευάζονται και χρησιµοποιούνται απλά εικονικά όργανα, δηλ. υπό- Vis (subvis), για την κατασκευή πιο πολύπλοκων εικονικών οργάνων ακριβώς όπως χρησιµοποιούνται τα υποπρογράµµατα (subprograms) για την κατασκευή ενός πιο πολύπλοκου κυρίως προγράµµατος σε µία συµβατική γλώσσα προγραµµατισµού. [4] Η δοµή κάθε υποπρογράµµατος (subprogram) και προγράµµατος (program) αντιπροσωπεύεται από µία εικόνα (icon) η οποία έχει πολλά σηµεία σύνδεσης (connection points). Πιο συγκεκριµένα, για κάθε καινούργιο VI δηµιουργείται µία 11

εικόνα (icon) και µε αυτόν τον τρόπο το εικονικό όργανο που αναπτύσσεται µπορεί στη συνέχεια να χρησιµοποιηθεί σε οποιαδήποτε επόµενα VIs τοποθετώντας απλά την εικόνα του στο δοµικό τους διάγραµµα. [2] Με λίγα λόγια, προσφέρει µία πρωτοποριακή µεθοδολογία προγραµµατισµού µέσω της οποίας συνδέονται γραφικά λογισµικά modules δηλαδή VIs. Αναπτύσσονται τα αντίστοιχα εικονικά όργανα για την λήψη των δεδοµένων µέσω plug-in καρτών και οργάνων που επιδέχονται προγραµµατισµό και αντίστοιχα εικονικά όργανα για την ανάλυση των δεδοµένων και την εµφάνιση των αποτελεσµάτων. [12] Οι έννοιες της εικονικής κατασκευής οργάνου και των δοµικών διαγραµµάτων (block diagrams) που περικλείονται στον σχεδιασµό του, βρίσκονται ακόµα στο κορυφαίο άκρο της κατασκευής οργάνου και της επιστήµης της τεχνολογίας υπολογιστών στις µέρες µας. Το κόστος ανάπτυξης προγραµµάτων που πραγµατοποιούν έλεγχο των συσκευών συνεχίζει να αυξάνει µαζί µε την αυξανόµενη περιπλοκότητα των συσκευών που ελέγχονται και των οργάνων που απαιτούνται για να τα ελέγξουν. Η διαµόρφωση των προγραµµάτων (λογισµικού), η διατήρηση και η επιτυχής λειτουργία τους, οφέλη-κλειδιά που πηγάζουν από την ιεραρχική και οµογενοποιηµένη δοµή του, είναι ιδιαίτερα σηµαντικά για την µείωση του φόρτου εργασίας των προγραµµατιστών. Η επαναχρησιµοποίηση ρουτινών που έχουν ήδη προγραµµατιστεί και χρησιµοποιηθεί σε άλλες εφαρµογές µπορεί να αποταµιεύσει χρόνο, ενώ από την άλλη πλευρά µε την επαναχρησιµοποίησή τους τα προγράµµατα καθίστανται πιο αξιόπιστα. [4] 1.4.3 LabVIEW και συµβατικές γλώσσες προγραµµατισµού Το συγκεκριµένο πακέτο λογισµικού είναι διαφορετικό από τις παραπάνω συµβατικές εφαρµογές λογισµικού για έναν λόγο: τα υπόλοιπα συστήµατα ανάπτυξης προγραµµάτων χρησιµοποιούν γλώσσες που βασίζονται σε κείµενο (text-based) δηµιουργώντας γραµµές κώδικα, µε άλλα λόγια ο χρήστης πληκτρολογεί µία συνέχεια βηµάτων που κατόπιν εκτελούνται διαδοχικά, ενώ το LabVIEW χρησιµοποιεί γραφική γλώσσα προγραµµατισµού, την G, για την ανάπτυξη προγραµµάτων σε µορφή δοµικού διαγράµµατος (block diagram), η οποία βοηθάει παράλληλα τον χρήστη στην αναγνώριση των προβληµάτων που προκύπτουν µε το λογισµικό διασύνδεσης. [14] Εάν ο χρήστης είναι ήδη εξοικειωµένος µε µία συµβατική γλώσσα προγραµµατισµού και προτιµάει να αναπτύξει το λογισµικό του στην γλώσσα αυτή κι 12

όχι σε περιβάλλον LabVIEW, µπορεί να χρησιµοποιήσει οποιοδήποτε device driver λογισµικό που προσφέρει (το οποίο είναι διαθέσιµο ως βιβλιοθήκη η οποία δύναται να συνδεθεί) και να αναπτύξει µε αυτόν τον τρόπο το λογισµικό του στην γλώσσα που προτιµά. Μπορεί δηλαδή να χρησιµοποιήσει οποιαδήποτε συµβατική γλώσσα προγραµµατισµού, όπως για παράδειγµα τη C, Basic ή Pascal, για να αναπτύξει το σύστηµα κατασκευής οργάνου που επιθυµεί. Το LabVIEW περιέχει βιβλιοθήκες instrument drivers για C/C++, Visual Basic, Visual C++, Borland C++ καθώς και για οποιοδήποτε άλλο περιβάλλον ανάπτυξης που βασίζεται στα Windows, οι οποίες καλούνται DLLs. Τα instrument drivers δεν είναι απλά ένα σύνολο DLLs. Για παράδειγµα, για τους χρήστες της Visual Basic κάθε driver έχει ένα αρχείο - οδηγό (header file) σε γλώσσα Basic το οποίο µπορεί εύκολα να 'φορτωθεί' και να χρησιµοποιηθεί στην Visual Basic. Το ίδιο συµβαίνει και για τις υπόλοιπες συµβατικές γλώσσες προγραµµατισµού. [12] 1.4.4 LabVIEW και κάρτες διασύνδεσης Συνεργάζεται άριστα µε τους περισσότερους I/O διασυνδετές που είναι γνωστοί στον κόσµο της εργαλειοποίησης. Το σχήµα 1.1 δείχνει τα πλέον γνωστά: Σχήµα 1.1. I/O διασυνδετές µε τους οποίους συνεργάζεται το LabVIEW 13

Μέσω του πακέτου αυτού ο χρήστης έχει πρόσβαση σε βιβλιοθήκες VI προκειµένου να ελέγξει και να λάβει δεδοµένα από GPIB, VXI, σειριακά όργανα και plug-in κάρτες. [12] Χρησιµοποιώντας την σύνδεση µε το δίκτυο (network connection) είναι δυνατή η επικοινωνία µε από απόσταση (remote) ευφυή µηχανήµατα ή υπολογιστές στους οποίους 'τρέχει' λογισµικό που έχει αναπτυχθεί σε περιβάλλον LabVIEW προκειµένου να µετατρέψει τις γραµµές των δεδοµένων σε χρήσιµη πληροφορία., και που προσθέτουν µία άλλη διάσταση στην λήψη των δεδοµένων και στον έλεγχο. [4] Επιπλέον η γραφική γλώσσα προγραµµατισµού περιλαµβάνει συναρτήσεις και λειτουργίες µέσω των οποίων µπορούν να δηµιουργηθούν ολοκληρωµένα συστήµατα για την λήψη και ανάλυση των δεδοµένων από τον ίδιο τον χρήστη. Ενώ εν τέλει έχει δυνατότητα να ελέγξει το σύστηµα του λογισµικού καθώς και να εµφανίσει τα αποτελέσµατα στις εµπρόσθιες επιφάνειες των VIs. Τέλος, έχει πολυάριθµες επιλογές για την διαχείριση των δεδοµένων, την αποθήκευσή τους σε δίσκο, την διαβίβασή τους µέσω δικτύου ή την αποστολή τους σε εκτυπωτές ή plotters. [12] 1.4.5 Η γραφική γλώσσα προγραµµατισµού του LabVIEW Η γλώσσα προγραµµατισµού του, G (Graphical programming), έχει ως χαρακτηριστικό της τη γραφική αναπαράσταση των συναρτήσεων, των δοµών προγραµµατισµού και του ίδιου του προγραµµατισµού. [17] Πώς όµως προέκυψε η ιδέα του γραφικού προγραµµατισµού; Ας κάνουµε µία µικρή ιστορική αναδροµή. Πριν από την εισαγωγή των προσωπικών υπολογιστών στην αγορά στις αρχές της δεκαετίας του 80, σχεδόν όλα τα εργαστήρια έλεγχαν τα συστήµατα ελέγχου τους χρησιµοποιώντας όργανα που λειτουργούσαν ως ελεγκτές. Αυτοί οι ακριβοί ελεγκτές ήταν προορισµένοι να πραγµατοποιούν ένα µόνο έργο την φορά και είχαν ολοκληρωµένες θύρες (integral ports) επικοινωνίας για να πραγµατοποιούν τον έλεγχο χρησιµοποιώντας το IEEE-488 bus ή αργότερα το GPIB. Με την εµφάνιση των προσωπικών υπολογιστών οι µηχανικοί και οι επιστήµονες άρχισαν να ψάχνουν έναν τρόπο έτσι ώστε χρησιµοποιώντας αυτούς τους χαµηλού κόστους και γενικού σκοπού υπολογιστές, να µπορούν να ελέγχουν τα παραπάνω συστήµατα ελέγχου. Η εξέλιξη αυτή δεν µπορούσε να αφήσει ανεπηρέαστη την εταιρεία National Instruments, η οποία µέχρι το 1983 ήταν ο κύριος προµηθευτής των GPIB για τους προσωπικούς υπολογιστές. Έτσι, µέχρι το 1983 το GPIB καθιερώθηκε 14

ως ο πρακτικός µηχανισµός µέσω του οποίου γινόταν η ηλεκτρολογική διασύνδεση των οργάνων µε τον υπολογιστή. Εκτός από τις διαφορετικές µορφές του που κατασκευάστηκαν στα επόµενα χρόνια και που υπαγορεύτηκαν από την αντίστοιχη ανάγκη για την κατασκευή τους, δεν παρουσιάστηκε κανένα ιδιαίτερο πρόβληµα µε το σύστηµα αυτό. Αντίθετα, ο έλεγχος σε επίπεδο λογισµικού, δεν βρισκόταν σε ικανοποιητικό στάδιο. Σχεδόν το 100% των προγραµµάτων που αναπτύχθηκαν εκείνη την περίοδο για τον έλεγχο των οργάνων, έγιναν σε γλώσσα BASIC. Αν και η γλώσσα αυτή έχει πλεονεκτήµατα (όπως ότι περιλαµβάνει απλές και ευανάγνωστες εντολές) είχε ένα ουσιαστικό πρόβληµα: όπως και οποιαδήποτε άλλη γλώσσα προγραµµατισµού απαιτούσε από τους µηχανικούς, επιστήµονες και τεχνικούς που χειρίζονταν τα όργανα, να γίνουν προγραµµατιστές. Οι χρήστες αυτοί έπρεπε να µεταφράσουν την γνώση που αποκτούσαν από τις εφαρµογές τους και τον χειρισµό των οργάνων σε γραµµές κειµένου προκειµένου να αναπτύξουν ένα πρόγραµµα που θα πραγµατοποιούσε τον έλεγχο. Η παραπάνω διαδικασία αποδείχτηκε, περισσότερο από συχνά, βαρύ φορτίο, ειδικά γι αυτούς που είχαν ελάχιστη έως καθόλου προηγούµενη εµπειρία ως προγραµµατιστές. Ήταν φανερό ότι ήταν απαραίτητο να δηµιουργηθεί ένα καινούργιο εργαλείο για την ανάπτυξη λογισµικού. Αλλά τι µορφή θα είχε; Η πρώτη θεµελιώδης σύλληψη που βρίσκεται πίσω από το LabVIEW έχει τις ρίζες της σε ένα µεγάλο σύστηµα ελέγχου για την κατασκευή του οποίου εργαστήκανε δύο από τα τρία βασικά στελέχη της εταιρείας National Instruments την δεκαετία του 80, και το οποίο εφαρµόστηκε στα τέλη της δεκαετίας του 70. Το σύστηµα αυτό χρησιµοποιήθηκε από το Ναυτικό για τον έλεγχο των ηχητικών µετατροπέων. Πρόσβαση σε αυτό είχαν τεχνικοί, µηχανικοί και επιστήµονες προκειµένου να έρχονται σε επαφή µε υποβρύχια ακουστικά πειράµατα που εκτελούσαν. Το σύστηµα ήταν ευέλικτο για τον λόγο ότι στον σχεδιασµό του ενσωµάτωνε πολλά επίπεδα αλληλεπίδρασης µεταξύ των χρηστών του. Ένας τεχνικός θα µπορούσε να το θέσει σε λειτουργία και να 'τρέξει' διάφορες διαδικασίες ελέγχου του µε προκαθορισµένα τα όρια των παραµέτρων του, ενώ την ίδια στιγµή ένας µηχανικός είχε πρόσβαση σε χαµηλότερου επιπέδου διαδικασίες προκειµένου να σχεδιάσει τις διαδικασίες ελέγχου του. Η µεγαλύτερη ευελιξία είχε παραχωρηθεί στους ερευνητές, οι οποίοι είχαν πρόσβαση σε όλο το προγραµµατίσιµο hardware του συστήµατος και µπορούσαν ακόµα και να το µετατρέψουν. 15

Μετά από πολλά χρόνια η σύλληψη της δοµής του παραπάνω συστήµατος ελέγχου έγινε πιο εκλεπτυσµένη και µετατράπηκε στην έννοια του λογισµικού για την κατασκευή οργάνου (instrumentation software) ως µία ιεραρχία των εικονικών οργάνων. Ένα εικονικό όργανο θα µπορούσε να αποτελείται από όργανα που βρισκόταν σε χαµηλότερο επίπεδο από του ίδιου, κατά τον ίδιο τρόπο που ένα πραγµατικό όργανο αποτελείται από κυκλώµατα καρτών (circuit boards) και από κάρτες που αποτελούνταν από ολοκληρωµένα κυκλώµατα (integrated circuits). Τα κατώτερου επιπέδου (bottom-level) εικονικά όργανα αντιπροσώπευαν τα πιο θεµελιώδη κοµµάτια του προγράµµατος καθώς περιείχαν απλές υπολογιστικές πράξεις και λειτουργίες εισόδου (input) / εξόδου (output). Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στην σύνδεση και ενοποίηση του λογισµικού στα διάφορα επίπεδα. Πιο συγκεκριµένα, τα VIs αντιµετωπίστηκαν ως να έχουν την ίδια ακριβώς δοµή σε όλα τα επίπεδα. Στο πεδίο του hardware οι τεχνικές για την συναρµολόγηση των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων στις κάρτες διαφέρουν σε µεγάλο βαθµό από αυτές της σύνδεσης των καρτών σε ένα σύνολο. Στο πεδίο του λογισµικού η σύνδεση των επιµέρους κοµµατιών σε υπο-ρουτίνες διαφέρει από την σύνδεση των υπο-ρουτινών σε λογισµικό, και αυτές οι δραστηριότητες διαφέρουν πολύ από την σύνδεση των προγραµµάτων για να δηµιουργήσουν συστήµατα. Όµως το µοντέλο του εικονικού οργάνου µε την οµογενοποιηµένη δοµή απλοποιεί σε µεγάλο βαθµό την δοµή των προγραµµάτων, κάτι που οδηγεί σε βελτίωση της παραγωγικότητας όσον αφορά την ανάπτυξη των προγραµµάτων. Από µία πρακτική θεώρηση των πραγµάτων, ήταν θεµελιώδες τα εικονικά όργανα να εµπεριέχουν ένα υπερσύνολο των περιοχών που είχαν τα αναλογικά προγράµµατα τα οποία αντικαθιστούσαν. Γι αυτό το λόγο το LabVIEW κατά κάποιο τρόπο ήταν υποχρεωτικό να έχει την υπολογιστική ικανότητα των συµβατικών γλωσσών προγραµµατισµού και την δυνατότητα ύπαρξης παράλληλων προγραµµάτων. Ένα από τα πλέον βασικά χαρακτηριστικά όσον αφορά τον σχεδιασµό του εικονικού οργάνου είναι ότι κάθε VI έχει ως τµήµα του την διασύνδεση µε τον χρήστη (user interface). Χρησιµοποιώντας την προσέγγιση των συµβατικών γλωσσών προγραµµατισµού, η διασύνδεση µε τον χρήστη γίνεται µε µία απλή γραµµή εντολών, η οποία ακόµα και για ένα τυπικό πρόγραµµα ελέγχου ήταν ένας περίπλοκος λαβύρινθος εισόδων και εξόδων που συχνά προστίθενται µετά την ανάπτυξη του κυρίου σώµατος του προγράµµατος. Μέσω του εικονικού οργάνου η σύνδεση µε τον χρήστη καθίσταται ένα ενοποιηµένο σύνολο µαζί µε το πρόγραµµα. Για παράδειγµα, 16

ένας µηχανικός µπορεί να επέµβει σε οποιοδήποτε VI, σε οποιοδήποτε επίπεδο του συστήµατος, απλά επεµβαίνοντας στο τµήµα εκείνο του εικονικού οργάνου στο οποίο πραγµατοποιείται η διασύνδεση µε τον χρήστη. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά εύκολο τον έλεγχο των επιµέρους προγραµµάτων που αναπτύσσονται για την κατασκευή του συστήµατος, ενώ παράλληλα αναπτύσσεται και το ίδιο το σύστηµα. Επιπλέον, επειδή η διασύνδεση µε τον χρήστη και το εικονικό όργανο είναι ένα ενοποιηµένο κοµµάτι, είναι εύκολη η διόρθωση των λαθών όποτε κι όταν αυτά συµβαίνουν. Το επόµενο βήµα ήταν τα εικονικά όργανα να είναι µε τέτοιο τόπο κατασκευασµένα ώστε να αποτελούν την καλύτερη δυνατή διασύνδεση µεταξύ του χρήστη και του λογισµικού που αναπτύσσει. Ο στόχος αυτός επιτεύχθηκε µε το να δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να κατασκευάζει στην εµπρόσθια επιφάνεια των γραφικών (graphical front panel) τους πιστά αντίγραφα των εµπρόσθιων ταµπλό (front panel) των πραγµατικών οργάνων. Οι περισσότεροι µηχανικοί µαθαίνουν πώς λειτουργεί ένα πραγµατικό όργανο µελετώντας το εµπρόσθιο ταµπλό του και κάνοντας πειράµατα σε αυτό. Οι εµπρόσθιες επιφάνειες των γραφικών τους λειτουργούν χρησιµοποιώντας το ποντίκι (mouse) και είναι απλοί στον χειρισµό τους. Ένας χρήστης µπορεί να µάθει τον τρόπο λειτουργίας τους εξαιρετικά εύκολα και γρήγορα χωρίς να χρειάζεται να χρησιµοποιήσει τα εγχειρίδια λειτουργίας των των εικονικών οργάνων (δηλ. το documentation των προγραµµάτων). Το τελευταίο κοµµάτι ήταν η τεχνική του προγραµµατισµού στο LabVIEW. Ο κώδικας που πρέπει να αναπτυχθεί για την κατασκευή και λειτουργία µίας εύχρηστης εµπρόσθιας επιφάνειας είναι αναµφισβήτητα πιο περίπλοκος από αυτόν που απαιτείται για την κατασκευή και λειτουργία του εµπρόσθιου ταµπλό ενός πραγµατικού οργάνου. Ένα VI µε εύχρηστη εµπρόσθια επιφάνεια (front panel) οι λειτουργίες της οποίας προγραµµατίζονται στο δοµικό διάγραµµα (block diagram) σε γλώσσα BASIC ή C θα ήταν εύκολο στην λειτουργία του αλλά θα καθιστούσε την ανάπτυξή του, ή αλλιώς τον προγραµµατισµό του, δύσκολο. Για την αντιµετώπιση του προβλήµατος άρχισαν να µελετώνται τα φύλλα εργασίας (spreadsheets), τα δοµικά διαγράµµατα που χρησιµοποιούν οι µηχανικοί (block diagram), τα γραφήµατα ροής (flowcharts) και τα διαγράµµατα ροής των δεδοµένων (dataflow diagrams) τα οποία έχουν πολλά κοινά µε τα δοµικά διαγράµµατα. Ο στόχος ήταν η τεχνική του προγραµµατισµού που θα αναπτυσσόταν να παρείχε την δυνατότητα της ροής των δεδοµένων µέσα στο πρόγραµµα. Η λύση που δόθηκε τελικά ήταν τα κουτιά (box), 17