基于LabVIEW的污水生化處理在線監測平臺設計

王正軍

（中海油安全技術服務有限公司深圳分公司，廣東深圳 518057）

污水處理在線監測是將藥劑配制、預處理、反應和計量等水質分析過程完全自動化并組合集成后最終實現過程控制的技術。該技術通過放置在水環境現場的探頭和儀器實現對水質的連續或定時檢測，所得數據通過儲存、加工以及遠程傳輸后最終進行集中監控管理，實現及時、準確地掌握污水水質及其變化情況[1]。

水質在線監測系統主要由測量儀器、自動檢測系統和數據采集系統組成。污水生化處理在線平臺，配備有溫控系統、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行中的各個指標進行實時監控，建立基于LabVIEW虛擬儀器技術[2，3]的污水生化處理在線裝置平臺的在線檢測系統，以提高試驗運行過程中指標測量的自動化程度、精度，形成完整的數據采集、分析和顯示系統。

1 虛擬儀器技術介紹

虛擬儀器技術[4]綜合應用了計算機技術、數字信號處理技術、標準總線技術和軟件工程方法，代表了測量儀器與自動測試系統未來的發展方向。虛擬儀器開發環境包括圖形化軟件編程方法和集成開發環境。它不僅構成了虛擬儀器技術研究的重要內容，同時奠定該技術應用和發展的基礎。其中，LabVIEW是由NI開發的一種圖形化編程語言（G語言），作為目前應用最廣泛、最成功的虛擬儀器開發環境[5]，它不僅整合了GPIB、VXI、PXI、RS-232和RS-485和數據采集卡等多種硬件通信的全部功能，同時內置了TCP/IP、ActiveX軟件的標準庫函數和MATLAB、C語言的接口，具有高效的圖形化開發環境、豐富的信號處理功能以及強大的硬件接口能力等優點。因此，LabVIEW非常適合作為自動化測試與控制應用軟件的開發平臺。

2 基于虛擬儀器的控制流程設計

2.1 在線監測系統硬件部分

系統的硬件結構框圖如下圖1所示。硬件主要由NI CompactRIO、工業I/0模塊、溶解氧檢測儀器、氨氮檢測儀、COD檢測儀和工業PC組成。整個系統平臺以NI CompactRIO控制器為核心，控制器和PC相連接，基于MODBUS通信協議和LDO檢測儀、氨氮檢測儀和COD檢測儀進行通信，檢測儀將檢測到的數據實時傳送給控制器，控制器對接收到的數據進行分析處理并傳輸給PC機，運行在PC機上基于LabVIEW開發的上位機測控軟件可以對數據進行處理，并可根據預先設置的條件參數，控制CompactRIO中的工業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行機構的動作。

圖1 在線監測系統硬件結構

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邏輯控制器的優勢，同時也具有高速數據采集分析、大容量數據存儲空間、基于FPGA的同步技術、數據記錄等自身優勢。

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協議進行通信以完成數據和指令的傳送。

2.2 在線監測系統的軟件實現

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（滿足進水條件下）經溫控儀控制溫度在20～30℃進好氧生化反應器進行生化反應處理，加藥系統將配制好的溶液由計量泵打入好氧生化反應器。好氧生化反應器床所需氣源由壓縮機提供。出水進入一級沉降罐進行泥水快速分離。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器中水質的COD、氨氮、PH及溶解氧等指標實時在線監測，檢測儀檢測到的數據再基于MODBUS通信協議傳輸給CompactRIO控制器，控制器和工業PC采用以太網連接方式實現高速的數據傳輸，運行在工業PC上的測控軟件對控制器采集到的數據進行分析處理，測控軟件可根據用戶事先設定好的執行條件，再依據對測試數據分析的結果，來協調控制器中不同的工業I/0模塊控制各執行機構。例如，系統可以根據用戶事先設定好的溫度條件及對水溫的實時監控來判斷是否要控制加熱系統工作等。同時，測控軟件可以實時對采集到的數據以數據庫的方式進行存儲，也可生成數據報表。

該系統的上位機測控軟件基于NI LabVIEW圖形化編程語言平臺開發，運行在工業PC機上，具有優異的人機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、數據采集與處理模塊、執行機構控制模塊、數據庫模塊和報表生成模塊。

在線監測系統執行流程圖如下圖3所示。整個系統主要以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據采集，上位機軟件對采集數據進行分析處理和繪圖顯示，并保存記錄數據生成數據報表。同時，對整個系統平臺中的各執行機構發送不同的控制量，控制機構執行相應的功能。

圖3 在線監測系統執行流程

測控軟件的流程圖如下圖4所示。系統初始化后開始自檢，如自檢不通過直接提示故障并結束程序；如自檢通過則加載參數，執行數據采集，分析數據后發送控制指令；如無其他指令可退出軟件，如有其他指令可重新進行數據采集。數據采集、分析后可生成報表。

圖4 測控軟件流程

3 虛擬儀器運行中存在的問題和解決辦法

3.1 虛擬儀器運行中存在的問題

虛擬儀器運用于污水生化處理在線監測，可實現數據自動處理、自動顯示、自動存儲等功能，具有明顯的優勢，但也存在一些問題：

首先，現有污水處理在線監控儀器主要監控的指標包括COD、氨氮、PH及溶解氧等，但對于微生物等指標暫時無法實現自動監測，仍然需要人力監測。導致在線監測指標不全面，無法為后續指令的下達提供充分的判斷依據，影響后續指令措施的準確性。

其次，現有污水處理場受限于投入等原因，盡管在部分單元已經安裝了一些包括COD、氨氮、PH及溶解氧等指標的在線測量監控儀器，但在線監控設備實際覆蓋率仍不高。大多數污水處理場的在線監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節進行部分覆蓋。這一情況導致在線監控采集的數據無法完全反映系統的實際運行情況，尤其是對于生化處理段。在數據采集不充分的前提下，系統無法給出合適的生產調整指令。

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雜性，污水容易對設備尤其是精密儀器造成損害，導致設備壽命周期短、維修成本高等問題。現有污水場自動控制設備覆蓋率普遍不高，導致LabVIEW軟件分析的結果多數仍需要人力去調整設備，無法實現完全自動化。

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軟件中設置人工監測指標的輸入接口，優化操作界面，便于定期或根據人工實際監測情況調整沒有在線監控的指標參數，作為系統下達指令調整生產的輔助依據；二是優先針對具備在線監控和自控設備的單元開展相關工作，在系統中預留端口，再根據自動監測和控制設備的覆蓋率逐步推進；三是污水生化處理在線監測平臺能夠實現對好氧生化反應器中水質的COD、氨氮、PH及溶解氧等指標實時在線監測，同時實現數據傳輸與泵、壓縮機、加熱設備等的控制。結合LabVIEW軟件提升監測設備的智能化水平，可以在該平臺上結合用戶特性及需要進行針對性二次開發，使操作界面直觀，具有更好適用性。

4 結論

基于虛擬儀器技術的污水生化處理在線監測裝置平臺，其優勢在于所需硬件少，反應時間短、精度高；由于利用軟件進行編程控制，控制界面可自行修改，操作控制更直觀方便，可實現數據自動處理、自動顯示、自動存儲等功能。結合LabVIEW軟件對傳統試驗測試與工程數據采集與監測進行改造升級，通過改造升級提高研究質量水平，提高生產裝置穩定運行周期，進而提高設備服役壽命，對提高生產裝置的綜合收益等具有重要意義。