数据流程图形软件LabVIEW的应用

张文艺1，陈玉宝2，蔡建安1，钟梅英1，胡小兵1
(1.安徽工业大学化工系，安徽马鞍山243002；2.马鞍山钢铁总公司，安徽马鞍山243005)

　　摘　要：数据流程图形软件LabVIEW是著名的虚拟仪器开发平台，对该软件的特点、设计结构、运算方式作了介绍，并通过实例将其应用于废水生化曝气反应池工艺流程的动态仿真。
　　关键词：LabVIEW;前面板;框图程序；虚拟仪器
　　中图分类号：X703文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)12-0038-03

1　LabVIEW图形软件及其语言特点

　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)软件是美国Ni公司(National Instrument Corp.)研制的一种用于科学计算、过程控制、测试及度量领域的图形编程软件。近年来，在电子学测试、过程监测与控制 、实验室自动化、航天等领域获得了广泛应用。LabVIEW使用了一种基于图形的程序设计语言——G语言［1、2］，它的每一条语句都是由图形来表示，这有别于文本语言(如BASIC、C、FORTRAN语言等)。其程序的执行是由块之间的数据流来决定的，这也有别于传统的文本语言按命令次序连续执行的方式。
　　LabVIEW的基本程序单位是VI(Virtual Instrument)，常称作虚拟仪器或虚拟仪表，它包括两个部分：前面板(Front Panel)和框图程序(Block Diagram)^［3］。前面板用于输入数值、显示及形象化输出量。在LabVIEW中，输入量被称作Controls，输出量被称作Indicators。用户可以使用LabVIEW提供的图标(如旋钮、表盘、温度计面板、开关等)在前面板上画出控制变量和输出变量。框图程序使用图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。图1为计算1+2+3+…+100=5 050(100以内数字之和)的LabVIEW数据流程与Visual Basic 6.0源程序之比较，可见二者在表现方式上有着很大差别。
　　前面板是用户的主要界面，用户通过Control菜单在面板上设置控制及显示机制，以完成对被测对象的测试。其中控制包括各种类型的输入如数字、布尔、字符串控制等，显示包括各种类型的输出(如图、表等)。VI的创建、打开、保存、关闭等管理操作也由面板上的菜单命令完成。框图程序(Block Diagram)是测试人员设计测试方案及测试步骤的界面，可以通过Functions选择不同的图形化模块，组成相应的测试逻辑、完成测试编程或建立所需的数学模型。其开发环境［2］如表1所示。

表1　LabVIEW开发环境 控件与指示器 按钮/开头/LED，滑块/数显，计量器/刻度盘/旋钮，水槽/温度表，文本框 仪器控制 GPIB，VXI，SERIAL，CAMAC，PLC等600多种仪器驱动器 文件I/O 电子表格，二进制，ASCII码等 开放性联接 Internet,SQL,TCP/IP,ActiveX,Dlls,DDE等 数据采集 DAQ，单点输入/输出，TTL/CMOS输入/输出，数字握手，图像采集 程序设计结构 While Loops,For Loop,Case结构，顺序结构，基于文本的公式结等 程序设计原则 算术、字符串、布尔运算，多数据类型结构，子程序等 数学分析 信号发生，信号处理，图像处理，曲线拟合，统计等 程序调试 断点，探针，单步执行，帮助窗口，在线帮助(Online-Help)等

2　废水处理动态仿真

　　图2为活性污泥法曝气反应池工艺流程。
　　要对该系统进行动态仿真(或在线控制)，若使用VB、VC等软件开发，非一般工程技术人员力所能及，而应用LabVIEW却能较方便地实现这一仿真过程。操作步骤如下：
　　①在LabVIEW前面板上画出4个区域：进水、池况、回流、动力学(见图3)；
　　②在“进水”区域画出曝气池进水流量旋钮及进水BOD浓度显示盘，分别作为曝气池流量和进水BOD浓度控制变量；

　　Q：进出曝气反应池系统的废水流量，m³/h；R：回流比；S0：进水污染物浓度，mg/L；Se：出水污染物浓度，mg/L；V：曝气反应池容积，m3；RQ：回流污泥量，m³；X：曝气池中活性污泥总量，m³；Xr：回流与外排剩余污泥浓度，mg/L。

　　③在“回流”显示区域画出运行水温、回流污泥浓度、回流等4个控制变量的图标，用来显示、模拟回流比等操作参数；
　　④在“池况”面板上画出曝气池池深、池宽、池容、原始污泥浓度等显示图标和活性污泥浓度、溶解氧浓度、出水BOD浓度等曝气池工况参数的显示图标，用来模拟曝气运行工况；
　　⑤在“动力学”面板上画出表达曝气池活性污泥动力学参数的图标，如衰减系数Kd、产率系数Y、污泥负荷、污泥龄、挥发比、底物降解速度K、容积负荷、底物去除率、水力停留时间等；
　　⑥进入框图程序(Block Diagram)，根据活性污泥曝气池运行的数学模型［4］在对应的变量之间进行数据流连线，这就如同印刷电路板上的各电子元件间的信号连线一样(如图4所示)。
　　这样，一个活性污泥法曝气反应池工艺流程动态仿真系统软件编程就完成了。图3为程序运行状况，用鼠标在面板上调节进水流量、回流比及进水BOD浓度等图标数据时，可以看出其他工艺参数及出水BOD浓度也会立即发生相应变化，从而实现了动态仿真。

3　结语

　　数据流程图形软件LabVIEW以其编程灵活方便、可视性强的特点而具有功能强大的数据采集、VXI、GPIB/Q串行仪器控制、数据分析、数据表述的数据存贮等工具库而日益得到广泛应用。将其应用到废水处理系统的工艺参数设计、模拟仿真及现场在线控制等领域，程序设计简单、周期短、可视性强，特别适合编程经验不足的广大水处理工程技术人员使用。

参考文献：

　　［1］刘松强.数据流编程的图形软件LabVIEW及其应用［J］.小型微型计算机系统，1994，15(10)：30-34.
　　［2］刘昱，等.仪器仪表测试平台与LabVIEW编程环境［J］.计算机工程与应用，1996，23(2)：58-60.
　　［3］张文艺，钟梅英，等.活性污泥法人工神经网络建模研究［J］.安徽工业大学学报，2000，18(3)：34-37.
　　［4］李扬，等.图形化编程语言LabVIEW环境及其开放性［J］.计算机工程，1999，25(4)：63-65.

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　　收稿日期：2001-04-29