基于LabVIEW的污水处理吸附柱在线测控系统

0 引言 
    在人类的日常生活中，在工业生产中，都会产生大量并向外排放的废数污水。这些排放出来的污水中，含有大量有毒物质，容易形成不易消失的泡沫，给自然环境带来许多不利影响，对水生动植物以及人类都会造成严重的危害。因此污水处理显得十分重要。 
在污水处理系统中，采用阴离子树脂或活性炭吸附柱吸附有害物质，是一种很好的污水处理方法[1>。 
本文介绍的是根据吸附处理原理[2>，研究和开发的基于LabVIEW的吸附柱测检系统。 
1 吸附柱测控系统的组成 
1.1 LabVIEW开发环境 
    所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件和计算机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。它是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理软件、通信软件及图形用户界面的有效结合。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。虚拟仪器技术的提出及发展，标志着21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向[3>。 
     LabVIEW(laboratory  virtual  instrument  engineering  workbench)是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，这种环境是目前上应用zui广的虚拟仪器开发环境之一。它是美国NI公司的产品，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示等领域。 
1.2  吸附柱测控系统的主要任务和功能 
吸附柱测控系统是污水处理系统中的重要组成部分，要完成数据采集、分析、存储和远程控制等任务，主要功能有： 
①实现吸附柱内污水的pH值的实时采集功能，主要由单片机系统完成： 
②实现下位机和上位机的实时通信功能； 
③由上位机实现pH值数据实时显示功能，并将数据保存在数据库中，备日后数据分析用； 
④上位机根据pH实时值实时发出控制命令，使下位机完成控制功能，保持吸附柱的*工作状态和污水的吸附处理。控制对象是10个电磁阀，这10个电磁阀的操作使2个吸附柱轮流工作。 
1.3  吸附柱测控系统的硬件设计 
要完成数据的实时采集和上位机传递数据，执行控制命令等功能，因此硬件设计是系统的重要组成部分。本系统设计采用以In 8061为核心的AT89C55单片机组成下位机。硬件结构框图如图1所示： 
图中，pH传感器检测处理过的污水pH值，由此反映吸附柱的处理情况；传感器信号由变送器转换成4~20mA的标准电流信号，再由I/V功能模块转换为1～5V的电压信号供AD转换器，把模拟电压信号转换为数字信号，再由单片机系统把数据送往上位机系统。上位机系统负责数据分析处理、滤波以及显示存储。因此，下位机主要功能是采集数据和执行控制命令。 

                图1   下位机硬件系统框图 
2  吸附柱测控系统的软件开发 
2.1  下位机软件设计 
    由于硬件系统已把吸附柱内pH信号提取出来并转换成标准的电压信号，因此下位机软件设计包括采集、转换的程序、和上位机通信程序以及控制程序等的编写。程序设计框图如图2所示： 

                   图2  下位机软件的开发设计 
2.2 上位机软件的开发设计 
    上位机软件要完成的主要功能是：实时接收下位机传来的采集数据；进行数据处理，如滤波等；将数据实时显示在软件界面上供软件使用者阅读；将数据存于后台的数据库中；操作者根据读数随时发布控制下位机及电磁阀的开关操作命令。该上位机软件在LabVIEW开发环境下编写，充分利用LabVIEW开发环境的数据处理、显示、存储等强大功能。 
上位机软件主要包括以下几个功能模块： 
①数据显示区域和串口通信接收数据模块 
    数据由下位机采集并通过串口和LabVIEW进行通信连接，然后将数据显示在数据显示区域。串行通信中需要通过握手使发送和接收数据协调起来。LabVIEW7.0中有硬件和软件握手协议，用VISA  Config-ure Serial Port. Vi 可以设置串口的波特率、数据位、奇偶校验、流量控制（握手控制）等参数，使之与下位机系统的通信保持协调。VISA Read.vi的子VI用来读取在串口设备上的数据，并将读入的数据放入数据缓冲区。 
对来自下位机的二进制的pH值进行数据处理，并将之转化为0～14的浮点数显示。

数据显示采用实时趋势图Waveform Charts控件，它可以把新的数据连续扩展在已有数据之后，使数据连续向前推进显示，也使操作者很清楚地观测数据变化过程。数据显示区同时还显示PC机的系统实践，以将采集时间和采集数据对应起来。
②数据存储功能模块 
吸附柱测控系统需要将测量数据存储起来，以便供系统使用者日后将所存储的污水pH值等数据与工艺相关的操作起来进行再研究。本系统采用主程序VI调用子程序SubVI的方法来构建数据存储功能模块，以有效地利用SubVI，简化主VI程序框图的结构，提高系统的运行效率。调用数据存储SubVI的程序如图3所示：  
 
                      图3调用数据库子VI的建立过程 
数据存储SubVI建立数据库连接的方法是通过LabVIEW附加工具包Database  Connectivity Toolset里面的DB Tools Open  Connection.vi、DB  Tools  Insert Data.vi和DB Tools Close Connection.vi来编写程序框图的。 
DB  Tools Open Connection.vi中的connection  infor-mation连续数据库名和数据源，由Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0提供Avvess数据库的驱动程序，Data Source=文件目录/*.mdb提供数据源，这种方法比在PC机上用相应的管理工具来配置数据源的方法要简单，面的软件使用者手动配置数据源。 
数据库的创建将下位机采集的数据保存起来，并且把采集时间、用户设定的报警初值一并保存在数据库里面，以供查询、分析、打印用。 
③控制功能模块和串行数据发送模块 
控制功能模块要完成的任务是使用户能够根据实时测量数据及其下达控制各个电磁阀的开关操作。电磁阀的开关切换只要在操作界面框上轻轻一点即可完成。电磁阀的开关状态一旦改变，程序立即把电磁阀的开关状态组合成二进制数由串行送往下位机，其数据格式和发送程序框图如图4所示：  
 
           图4 控制功能、数据发送模块程序框图 
    前面部分是把所有电磁阀的开关状态转化为二进制数，再转化为可以串口发送的ASCII字符，由VISA  Configure  Serial  Port.vi对串口初始化，VISA  Read.vi子VI对串口发送数据，下位机中断接收命令数据，接收完毕则立即执行相应的电磁阀动作，从而完成整个控制过程。 
3 试验验证 
  吸附柱测控系统的硬件和软件联合调试完毕之后，进行了现场试验。 
  ①试验环境和硬件设备：现场污水处理吸附柱两套，标准pH测试仪，pH传感器及变送器一套，蠕动泵2个，电磁阀10个，PC机1台。
  ②软件：WIN2000操作系统，LabVIEW7.0虚拟集成测试系统，污水处理在线测控程序。
  ③试验方法：在pH值范围0～14人为改变被测污水的pH值，用该测控系统进行测试检验和控制，测试结果如图5所示。

                     图5  pH值测试数据图
   试验验证，系统测试值和pH测试仪测量的值基本吻合，10次测量的平均值为9.572571，其中zui大误差为0.047843，zui小误差为0.001025，平均误差为0.158128，基本满足使用要求。被控电磁阀动作正常，保证了吸附柱系统正常运作和特殊情况下的紧急操作。
4  结束语
   文中给出的基于LabVIEW的污水吸附柱在线测控系统具有体积小、使用方便灵活、能够完成污水pH值的自动采集显示、控制吸附柱正常运行，保证污水处理系统处于*工作状态。经实践验证：系统运行正确稳定、可靠性高，效果很好。