基于LabVIEW的污水生化處理在線監(jiān)測平臺設(shè)計

王正軍

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518057）

污水處理在線監(jiān)測是將藥劑配制、預(yù)處理、反應(yīng)和計量等水質(zhì)分析過程完全自動化并組合集成后最終實現(xiàn)過程控制的技術(shù)。該技術(shù)通過放置在水環(huán)境現(xiàn)場的探頭和儀器實現(xiàn)對水質(zhì)的連續(xù)或定時檢測，所得數(shù)據(jù)通過儲存、加工以及遠(yuǎn)程傳輸后最終進(jìn)行集中監(jiān)控管理，實現(xiàn)及時、準(zhǔn)確地掌握污水水質(zhì)及其變化情況[1]。

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由測量儀器、自動檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。污水生化處理在線平臺，配備有溫控系統(tǒng)、在線COD分析儀、在線氨氮測試儀、在線溶解氧測試儀等儀器對裝置運(yùn)行中的各個指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控，建立基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)[2，3]的污水生化處理在線裝置平臺的在線檢測系統(tǒng)，以提高試驗運(yùn)行過程中指標(biāo)測量的自動化程度、精度，形成完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。

1 虛擬儀器技術(shù)介紹

虛擬儀器技術(shù)[4]綜合應(yīng)用了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和軟件工程方法，代表了測量儀器與自動測試系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。虛擬儀器開發(fā)環(huán)境包括圖形化軟件編程方法和集成開發(fā)環(huán)境。它不僅構(gòu)成了虛擬儀器技術(shù)研究的重要內(nèi)容，同時奠定該技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的基礎(chǔ)。其中，LabVIEW是由NI開發(fā)的一種圖形化編程語言（G語言），作為目前應(yīng)用最廣泛、最成功的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境[5]，它不僅整合了GPIB、VXI、PXI、RS-232和RS-485和數(shù)據(jù)采集卡等多種硬件通信的全部功能，同時內(nèi)置了TCP/IP、ActiveX軟件的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)和MATLAB、C語言的接口，具有高效的圖形化開發(fā)環(huán)境、豐富的信號處理功能以及強(qiáng)大的硬件接口能力等優(yōu)點。因此，LabVIEW非常適合作為自動化測試與控制應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺。

2 基于虛擬儀器的控制流程設(shè)計

2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。硬件主要由NI CompactRIO、工業(yè)I/0模塊、溶解氧檢測儀器、氨氮檢測儀、COD檢測儀和工業(yè)PC組成。整個系統(tǒng)平臺以NI CompactRIO控制器為核心，控制器和PC相連接，基于MODBUS通信協(xié)議和LDO檢測儀、氨氮檢測儀和COD檢測儀進(jìn)行通信，檢測儀將檢測到的數(shù)據(jù)實時傳送給控制器，控制器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并傳輸給PC機(jī)，運(yùn)行在PC機(jī)上基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)測控軟件可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的條件參數(shù)，控制CompactRIO中的工業(yè)I/O模塊輸出不同的信號，從而控制不同的功能閥體和泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

CompactRIO控制器是一款可編程自動控制器（PAC），其本身不但具有傳統(tǒng)邏輯控制器的優(yōu)勢，同時也具有高速數(shù)據(jù)采集分析、大容量數(shù)據(jù)存儲空間、基于FPGA的同步技術(shù)、數(shù)據(jù)記錄等自身優(yōu)勢。

LDO分析儀、COD分析儀和氨氮分析儀的控制器模塊都帶有MODBUS（RS232）接口，CompactRIO也帶有多個RS232接口，控制器和分析儀可以非常方便地通過MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信以完成數(shù)據(jù)和指令的傳送。

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

污水生化處理在線裝置平臺工藝流程如圖2所示。待處理的污水（滿足進(jìn)水條件下）經(jīng)溫控儀控制溫度在20～30℃進(jìn)好氧生化反應(yīng)器進(jìn)行生化反應(yīng)處理，加藥系統(tǒng)將配制好的溶液由計量泵打入好氧生化反應(yīng)器。好氧生化反應(yīng)器床所需氣源由壓縮機(jī)提供。出水進(jìn)入一級沉降罐進(jìn)行泥水快速分離。分離后的污泥一部分回流到好氧生化反應(yīng)器，剩余部分排到排泥管線。

圖2 污水生化處理PID流程

測控系統(tǒng)中的在線COD分析儀、在線氨氮測試儀、在線溶解氧測試儀等對好氧生化反應(yīng)器中水質(zhì)的COD、氨氮、PH及溶解氧等指標(biāo)實時在線監(jiān)測，檢測儀檢測到的數(shù)據(jù)再基于MODBUS通信協(xié)議傳輸給CompactRIO控制器，控制器和工業(yè)PC采用以太網(wǎng)連接方式實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行在工業(yè)PC上的測控軟件對控制器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，測控軟件可根據(jù)用戶事先設(shè)定好的執(zhí)行條件，再依據(jù)對測試數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，來協(xié)調(diào)控制器中不同的工業(yè)I/0模塊控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶事先設(shè)定好的溫度條件及對水溫的實時監(jiān)控來判斷是否要控制加熱系統(tǒng)工作等。同時，測控軟件可以實時對采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行存儲，也可生成數(shù)據(jù)報表。

該系統(tǒng)的上位機(jī)測控軟件基于NI LabVIEW圖形化編程語言平臺開發(fā)，運(yùn)行在工業(yè)PC機(jī)上，具有優(yōu)異的人機(jī)交互界面和高可靠性。測控軟件主要包含以下功能模塊：MODBUS通信模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和報表生成模塊。

在線監(jiān)測系統(tǒng)執(zhí)行流程圖如下圖3所示。整個系統(tǒng)主要以NI CompactRIO控制器為核心，采用MODBUS通信的方式，完成對各個在線測試儀的數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和繪圖顯示，并保存記錄數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)報表。同時，對整個系統(tǒng)平臺中的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送不同的控制量，控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的功能。

圖3 在線監(jiān)測系統(tǒng)執(zhí)行流程

測控軟件的流程圖如下圖4所示。系統(tǒng)初始化后開始自檢，如自檢不通過直接提示故障并結(jié)束程序；如自檢通過則加載參數(shù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，分析數(shù)據(jù)后發(fā)送控制指令；如無其他指令可退出軟件，如有其他指令可重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集、分析后可生成報表。

圖4 測控軟件流程

3 虛擬儀器運(yùn)行中存在的問題和解決辦法

3.1 虛擬儀器運(yùn)行中存在的問題

虛擬儀器運(yùn)用于污水生化處理在線監(jiān)測，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理、自動顯示、自動存儲等功能，具有明顯的優(yōu)勢，但也存在一些問題：

首先，現(xiàn)有污水處理在線監(jiān)控儀器主要監(jiān)控的指標(biāo)包括COD、氨氮、PH及溶解氧等，但對于微生物等指標(biāo)暫時無法實現(xiàn)自動監(jiān)測，仍然需要人力監(jiān)測。導(dǎo)致在線監(jiān)測指標(biāo)不全面，無法為后續(xù)指令的下達(dá)提供充分的判斷依據(jù)，影響后續(xù)指令措施的準(zhǔn)確性。

其次，現(xiàn)有污水處理場受限于投入等原因，盡管在部分單元已經(jīng)安裝了一些包括COD、氨氮、PH及溶解氧等指標(biāo)的在線測量監(jiān)控儀器，但在線監(jiān)控設(shè)備實際覆蓋率仍不高。大多數(shù)污水處理場的在線監(jiān)控儀器僅安裝在一些涉及出水的位置或者只對污水處理中間環(huán)節(jié)進(jìn)行部分覆蓋。這一情況導(dǎo)致在線監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)無法完全反映系統(tǒng)的實際運(yùn)行情況，尤其是對于生化處理段。在數(shù)據(jù)采集不充分的前提下，系統(tǒng)無法給出合適的生產(chǎn)調(diào)整指令。

另外，受限于投入的問題和污水處理場本身所接納污水有害成分的復(fù)雜性，污水容易對設(shè)備尤其是精密儀器造成損害，導(dǎo)致設(shè)備壽命周期短、維修成本高等問題?，F(xiàn)有污水場自動控制設(shè)備覆蓋率普遍不高，導(dǎo)致LabVIEW軟件分析的結(jié)果多數(shù)仍需要人力去調(diào)整設(shè)備，無法實現(xiàn)完全自動化。

3.2 解決辦法

基于上述問題，可以從如下幾方面考慮解決辦法：一是在LabVIEW軟件中設(shè)置人工監(jiān)測指標(biāo)的輸入接口，優(yōu)化操作界面，便于定期或根據(jù)人工實際監(jiān)測情況調(diào)整沒有在線監(jiān)控的指標(biāo)參數(shù)，作為系統(tǒng)下達(dá)指令調(diào)整生產(chǎn)的輔助依據(jù)；二是優(yōu)先針對具備在線監(jiān)控和自控設(shè)備的單元開展相關(guān)工作，在系統(tǒng)中預(yù)留端口，再根據(jù)自動監(jiān)測和控制設(shè)備的覆蓋率逐步推進(jìn)；三是污水生化處理在線監(jiān)測平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對好氧生化反應(yīng)器中水質(zhì)的COD、氨氮、PH及溶解氧等指標(biāo)實時在線監(jiān)測，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與泵、壓縮機(jī)、加熱設(shè)備等的控制。結(jié)合LabVIEW軟件提升監(jiān)測設(shè)備的智能化水平，可以在該平臺上結(jié)合用戶特性及需要進(jìn)行針對性二次開發(fā)，使操作界面直觀，具有更好適用性。

4 結(jié)論

基于虛擬儀器技術(shù)的污水生化處理在線監(jiān)測裝置平臺，其優(yōu)勢在于所需硬件少，反應(yīng)時間短、精度高；由于利用軟件進(jìn)行編程控制，控制界面可自行修改，操作控制更直觀方便，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理、自動顯示、自動存儲等功能。結(jié)合LabVIEW軟件對傳統(tǒng)試驗測試與工程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測進(jìn)行改造升級，通過改造升級提高研究質(zhì)量水平，提高生產(chǎn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行周期，進(jìn)而提高設(shè)備服役壽命，對提高生產(chǎn)裝置的綜合收益等具有重要意義。