基于LabVIEW的污水生化处理在线监测平台设计

王正军

（中海油安全技术服务有限公司深圳分公司，广东深圳 518057）

污水处理在线监测是将药剂配制、预处理、反应和计量等水质分析过程完全自动化并组合集成后最终实现过程控制的技术。该技术通过放置在水环境现场的探头和仪器实现对水质的连续或定时检测，所得数据通过储存、加工以及远程传输后最终进行集中监控管理，实现及时、准确地掌握污水水质及其变化情况[1]。

水质在线监测系统主要由测量仪器、自动检测系统和数据采集系统组成。污水生化处理在线平台，配备有温控系统、在线COD分析仪、在线氨氮测试仪、在线溶解氧测试仪等仪器对装置运行中的各个指标进行实时监控，建立基于LabVIEW虚拟仪器技术[2，3]的污水生化处理在线装置平台的在线检测系统，以提高试验运行过程中指标测量的自动化程度、精度，形成完整的数据采集、分析和显示系统。

1 虚拟仪器技术介绍

虚拟仪器技术[4]综合应用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。虚拟仪器开发环境包括图形化软件编程方法和集成开发环境。它不仅构成了虚拟仪器技术研究的重要内容，同时奠定该技术应用和发展的基础。其中，LabVIEW是由NI开发的一种图形化编程语言（G语言），作为目前应用最广泛、最成功的虚拟仪器开发环境[5]，它不仅整合了GPIB、VXI、PXI、RS-232和RS-485和数据采集卡等多种硬件通信的全部功能，同时内置了TCP/IP、ActiveX软件的标准库函数和MATLAB、C语言的接口，具有高效的图形化开发环境、丰富的信号处理功能以及强大的硬件接口能力等优点。因此，LabVIEW非常适合作为自动化测试与控制应用软件的开发平台。

2 基于虚拟仪器的控制流程设计

2.1 在线监测系统硬件部分

系统的硬件结构框图如下图1所示。硬件主要由NI CompactRIO、工业I/0模块、溶解氧检测仪器、氨氮检测仪、COD检测仪和工业PC组成。整个系统平台以NI CompactRIO控制器为核心，控制器和PC相连接，基于MODBUS通信协议和LDO检测仪、氨氮检测仪和COD检测仪进行通信，检测仪将检测到的数据实时传送给控制器，控制器对接收到的数据进行分析处理并传输给PC机，运行在PC机上基于LabVIEW开发的上位机测控软件可以对数据进行处理，并可根据预先设置的条件参数，控制CompactRIO中的工业I/O模块输出不同的信号，从而控制不同的功能阀体和泵等执行机构的动作。

图1 在线监测系统硬件结构

CompactRIO控制器是一款可编程自动控制器（PAC），其本身不但具有传统逻辑控制器的优势，同时也具有高速数据采集分析、大容量数据存储空间、基于FPGA的同步技术、数据记录等自身优势。

LDO分析仪、COD分析仪和氨氮分析仪的控制器模块都带有MODBUS（RS232）接口，CompactRIO也带有多个RS232接口，控制器和分析仪可以非常方便地通过MODBUS协议进行通信以完成数据和指令的传送。

2.2 在线监测系统的软件实现

污水生化处理在线装置平台工艺流程如图2所示。待处理的污水（满足进水条件下）经温控仪控制温度在20～30℃进好氧生化反应器进行生化反应处理，加药系统将配制好的溶液由计量泵打入好氧生化反应器。好氧生化反应器床所需气源由压缩机提供。出水进入一级沉降罐进行泥水快速分离。分离后的污泥一部分回流到好氧生化反应器，剩余部分排到排泥管线。

图2 污水生化处理PID流程

测控系统中的在线COD分析仪、在线氨氮测试仪、在线溶解氧测试仪等对好氧生化反应器中水质的COD、氨氮、PH及溶解氧等指标实时在线监测，检测仪检测到的数据再基于MODBUS通信协议传输给CompactRIO控制器，控制器和工业PC采用以太网连接方式实现高速的数据传输，运行在工业PC上的测控软件对控制器采集到的数据进行分析处理，测控软件可根据用户事先设定好的执行条件，再依据对测试数据分析的结果，来协调控制器中不同的工业I/0模块控制各执行机构。例如，系统可以根据用户事先设定好的温度条件及对水温的实时监控来判断是否要控制加热系统工作等。同时，测控软件可以实时对采集到的数据以数据库的方式进行存储，也可生成数据报表。

该系统的上位机测控软件基于NI LabVIEW图形化编程语言平台开发，运行在工业PC机上，具有优异的人机交互界面和高可靠性。测控软件主要包含以下功能模块：MODBUS通信模块、数据采集与处理模块、执行机构控制模块、数据库模块和报表生成模块。

在线监测系统执行流程图如下图3所示。整个系统主要以NI CompactRIO控制器为核心，采用MODBUS通信的方式，完成对各个在线测试仪的数据采集，上位机软件对采集数据进行分析处理和绘图显示，并保存记录数据生成数据报表。同时，对整个系统平台中的各执行机构发送不同的控制量，控制机构执行相应的功能。

图3 在线监测系统执行流程

测控软件的流程图如下图4所示。系统初始化后开始自检，如自检不通过直接提示故障并结束程序；如自检通过则加载参数，执行数据采集，分析数据后发送控制指令；如无其他指令可退出软件，如有其他指令可重新进行数据采集。数据采集、分析后可生成报表。

图4 测控软件流程

3 虚拟仪器运行中存在的问题和解决办法

3.1 虚拟仪器运行中存在的问题

虚拟仪器运用于污水生化处理在线监测，可实现数据自动处理、自动显示、自动存储等功能，具有明显的优势，但也存在一些问题：

首先，现有污水处理在线监控仪器主要监控的指标包括COD、氨氮、PH及溶解氧等，但对于微生物等指标暂时无法实现自动监测，仍然需要人力监测。导致在线监测指标不全面，无法为后续指令的下达提供充分的判断依据，影响后续指令措施的准确性。

其次，现有污水处理场受限于投入等原因，尽管在部分单元已经安装了一些包括COD、氨氮、PH及溶解氧等指标的在线测量监控仪器，但在线监控设备实际覆盖率仍不高。大多数污水处理场的在线监控仪器仅安装在一些涉及出水的位置或者只对污水处理中间环节进行部分覆盖。这一情况导致在线监控采集的数据无法完全反映系统的实际运行情况，尤其是对于生化处理段。在数据采集不充分的前提下，系统无法给出合适的生产调整指令。

另外，受限于投入的问题和污水处理场本身所接纳污水有害成分的复杂性，污水容易对设备尤其是精密仪器造成损害，导致设备寿命周期短、维修成本高等问题。现有污水场自动控制设备覆盖率普遍不高，导致LabVIEW软件分析的结果多数仍需要人力去调整设备，无法实现完全自动化。

3.2 解决办法

基于上述问题，可以从如下几方面考虑解决办法：一是在LabVIEW软件中设置人工监测指标的输入接口，优化操作界面，便于定期或根据人工实际监测情况调整没有在线监控的指标参数，作为系统下达指令调整生产的辅助依据；二是优先针对具备在线监控和自控设备的单元开展相关工作，在系统中预留端口，再根据自动监测和控制设备的覆盖率逐步推进；三是污水生化处理在线监测平台能够实现对好氧生化反应器中水质的COD、氨氮、PH及溶解氧等指标实时在线监测，同时实现数据传输与泵、压缩机、加热设备等的控制。结合LabVIEW软件提升监测设备的智能化水平，可以在该平台上结合用户特性及需要进行针对性二次开发，使操作界面直观，具有更好适用性。

4 结论

基于虚拟仪器技术的污水生化处理在线监测装置平台，其优势在于所需硬件少，反应时间短、精度高；由于利用软件进行编程控制，控制界面可自行修改，操作控制更直观方便，可实现数据自动处理、自动显示、自动存储等功能。结合LabVIEW软件对传统试验测试与工程数据采集与监测进行改造升级，通过改造升级提高研究质量水平，提高生产装置稳定运行周期，进而提高设备服役寿命，对提高生产装置的综合收益等具有重要意义。