雙流縣金馬河飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)介紹

王 波,劉建東,陳芝貴

(成都市雙流縣環(huán)境監(jiān)測站,成都 610200)

1 前 言

金馬河是雙流縣的飲用水水源保護地。近年來隨著上游地區(qū)發(fā)展步伐的加快,引入了較多的洗沙廠和工業(yè)企業(yè),由于違法排污現(xiàn)象的存在,嚴(yán)重地威脅到流域內(nèi)供水安全。為了及時、準(zhǔn)確地掌握金馬河的水質(zhì)及其變化狀況,雙流縣建立了飲用水源水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),極大的提高了在飲用水水源地保護、管理、預(yù)警方面的能力。

2 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)簡介

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)是運用現(xiàn)代傳感器、自動測量、自動控制、計算機等高新技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測體系,是對地表水、飲用水源以及污染源水質(zhì)水量進行實時快速監(jiān)控的數(shù)字化管理平臺,是環(huán)境保護部門實現(xiàn)有效監(jiān)控水源環(huán)境變化因子、控制環(huán)境污染的重要的技術(shù)手段[1]。

雙流縣飲用水水源水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測用房、采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、在線自動分析儀器系統(tǒng)、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng)。由于水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)核心的部分是系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng),本文將對其進行詳細介紹。

2.1 監(jiān)測用房

站房選址兼顧配電、通訊、給水 (自來水)、通風(fēng)等條件以及防雷擊、防洪、防盜竊、防潮濕、廢液排放處理、交通方便等因素,建設(shè)在成都岷江自來水廠廠區(qū)內(nèi)距原水取水口 10米處,采用二層小樓設(shè)計,一樓用于監(jiān)控室、主分析儀表室、輔助設(shè)備室,二樓用于值班室、接待室和會議室,站房內(nèi)安裝柜式空調(diào)和除濕機,二樓安有投影儀。

2.2 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)布設(shè)在距離取水口較近,現(xiàn)場條件好的部位,且取水方式簡單。采用自吸泵抽水方式,取水頭在水面下 0.5 m,雙回路設(shè)計 (一用一備),輸水管路中配有流量和壓力監(jiān)控裝置。為了避免污垢等的不利影響,系統(tǒng)中有自來水反向清洗、加藥除垢清洗、高壓氣體輔助清洗及管路全排空等功能。

2.3 水樣預(yù)處理系統(tǒng)

針對金馬河水質(zhì)狀況,采用二級處理措施,第一級是一個包含粗過濾器取水頭的沉砂分離裝置,主要是通過粗過濾芯和靜置、塵降,除去水樣中的粒徑較大的顆粒物 (粒徑大于 200μm),第二級則是通過分析儀器自帶的微濾裝置過濾粒徑較小的泥沙顆粒 (粒徑大于 50μm)。

2.4 在線自動分析儀器系統(tǒng)[2]

雙流縣飲用水源水質(zhì)自動監(jiān)測站的監(jiān)測項目包括：水溫、pH、DO、電導(dǎo)率、濁度、NH3-N、CODMn、TP、TN、揮發(fā)酚、氟化物、重金屬砷。儀器型號與分析方法見下表。

表 儀器型號與分析方法Tab. The models of the instruments and their analyticalmethods

2.5 系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng)

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)核心的部分是系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng),該系統(tǒng)基于國際標(biāo)準(zhǔn)的可靠的通訊機制,具有很強的適應(yīng)性和可擴展性。包括以下幾個部分：現(xiàn)場控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、水質(zhì)監(jiān)控中心管理系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)控WEB發(fā)布系統(tǒng)。

2.5.1 現(xiàn)場控制單元

現(xiàn)場控制單元由 PLC、控制柜以及執(zhí)行元件構(gòu)成。控制系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的程序負責(zé)完成系統(tǒng)采水、配水控制,啟動測試、標(biāo)定、超標(biāo)自動留樣、清洗、除藻、反沖洗等一系列的動作。同時可以監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài),并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)對系統(tǒng)動作做相應(yīng)的調(diào)整,確保水質(zhì)自動站的穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)控制支持自動模式、手動模式和遠程模式,系統(tǒng)運行支持連續(xù)模式和間歇模式,兩種模式可以自由切換。系統(tǒng)的反沖清洗工藝支持單獨水洗、高壓空氣擦洗,水氣混和洗、加藥除藻等工作。關(guān)鍵設(shè)備及執(zhí)行元件均采用進口設(shè)備,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性大幅提升?？刂茊卧捎媚K化設(shè)計,可對設(shè)備進行擴展并且已經(jīng)預(yù)留擴展接口,方便系統(tǒng)將來升級。

2.5.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元完成對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)的采集、顯示、處理。數(shù)據(jù)采集單元包括工控機 (安裝有基站軟件)、數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場總線等組成。數(shù)據(jù)采集模塊以現(xiàn)場監(jiān)控軟件包為核心,配合模擬量和數(shù)字量采集模塊、串口模塊、485模塊實現(xiàn)監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)采集單元見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集單元功能模塊Fig.1 The functionalmodule of data acquisition unit

現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)采集采用總線通訊與模擬量采集相結(jié)合的方式：對于具有 RS232/RS485輸出接口的儀器,采用總線方式采集儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù),并給儀器發(fā)出控制指令等;對于環(huán)境參數(shù)及部分具備 4～20mA輸出的儀器用 PLC模擬量采集模塊進行采集。系統(tǒng)能根據(jù)儀器返回的狀態(tài)參數(shù)和報警信號值自動判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性,將處理后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫中保存。

2.5.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元完成子站與中心站的數(shù)據(jù)傳輸,遠程控制及遠程診斷功能。數(shù)據(jù)傳輸單元由通訊服務(wù)器、遠程輸出設(shè)備及傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。數(shù)據(jù)通訊是水質(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制的必要條件。過去自動站數(shù)據(jù)通訊常見的問題有：通訊鏈路不穩(wěn)定,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不正常;協(xié)議不公開,導(dǎo)致異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)互通有問題;支持通訊方式單一,導(dǎo)致適應(yīng)性小,難以滿足復(fù)雜的地域環(huán)境要求。

該系統(tǒng)在遠程數(shù)據(jù)通訊機制上進行了深入的研究,采取以下解決措施,確立了一套可靠的通訊機制,增強了系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

基于 TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸,在傳輸層協(xié)議上確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?采用開放的通訊協(xié)議,采用開放的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層通訊協(xié)議,方便與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng);同時支持多種通訊方式,支持 PSTN, ADSL,GPRS,GS M等多種通訊方式。

2.5.4 水質(zhì)監(jiān)控中心管理系統(tǒng)

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中心站是一個集遠程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯總、分析以及遠程控制等功能組成的系統(tǒng),包括中心站服務(wù)器及中心站管理軟件及WEB發(fā)布程序。

(1)中心站服務(wù)器

中心站服務(wù)器位于內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi),其中一臺作為通訊服務(wù)器,負責(zé)跟水質(zhì)監(jiān)測子站的數(shù)據(jù)通訊,其所配設(shè)備滿足多種通訊方式,如 PSTN,ADSL, GPRS等。可以通過短信收發(fā)器接收子站的報警數(shù)據(jù)等信息,并可將報警信息轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)的系統(tǒng)維護人員。通訊服務(wù)器的配置及其性能足夠滿足當(dāng)前系統(tǒng)通訊需求以及將來系統(tǒng)擴展需求。通訊服務(wù)器將接收的遠程子站的數(shù)據(jù)存儲在本機的 SQL大型數(shù)據(jù)庫中。中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖 2。

圖2 中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 The network structure of central station

另一臺服務(wù)器作為應(yīng)用服務(wù)器,負責(zé)對傳送的數(shù)據(jù)進行處理,生成報表數(shù)據(jù),實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能,并提供基于WEB的數(shù)據(jù)共享功能,使得局域網(wǎng)內(nèi)以及局域網(wǎng)外的授權(quán)用戶可以通過瀏覽器直接訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)與公共網(wǎng)之間通過防火墻連接,避免系統(tǒng)遭受病毒以及黑客的襲擊,最大程度的保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全。

(2)中心管理軟件系統(tǒng)

水質(zhì)自動監(jiān)控中心管理系統(tǒng)既是水質(zhì)監(jiān)測管理的數(shù)據(jù)中心,也是管理服務(wù)中心。中心監(jiān)控軟件體系架構(gòu)見圖3。

圖3 中心監(jiān)控軟件體系架構(gòu)Fig.3 The framework of central control software system

中心監(jiān)控軟件按功能可以劃分為 5個基本模塊和 1個可選模塊,5個基本模塊是：運行監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、監(jiān)測站點管理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、系統(tǒng)安全管理模塊和秘書提示服務(wù)模塊。前5個模塊為基本模塊,比較常見,本文重點對秘書服務(wù)模塊進行介紹。

圖4 秘書提示服務(wù)模塊流程圖Fig.4 A flow diagram of secretarial servicesmodule

秘書提示服務(wù)模塊提供高級信息服務(wù)。它使用GS M網(wǎng)絡(luò),讓用戶實時掌握現(xiàn)場的測量、運行及報警狀況數(shù)據(jù)。具有兩種方式：一種是主動發(fā)送方式,按時將特定的數(shù)據(jù)信息,發(fā)送到特定人員的手機上。其中也包括一旦有重要的報警信息,系統(tǒng)也會及時發(fā)送給指定人員。另一種方式是請求發(fā)送方式。當(dāng)用戶需要得到所需數(shù)據(jù)時,他可以向秘書提示服務(wù)模塊發(fā)出申請的短信,用來申請獲取數(shù)據(jù)。經(jīng)過系統(tǒng)安全認證后,用戶就會得到所需的數(shù)據(jù)[3]。秘書提示服務(wù)模塊見圖 4。

3 結(jié) 語

雙流縣飲用水源水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)通過實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測飲用水源地原水的水質(zhì)及其變化狀況,提供實時水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及預(yù)警信息,保證了飲用水源地水質(zhì)的安全,對飲用水水源地保護、管理、預(yù)警能力的提高,具有積極意義,也為其他自動水站的構(gòu)建提供有益的參考。

[1] 王玉華,趙學(xué)民,周懷東 .水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].水文,2004,24(3)：54-55,61.

[2] HJ/T 96-103-2003,水質(zhì)自動分析儀技術(shù)要求[S].

[3] 王樹東,李海濤,李景志,等.模糊控制和 GS M在水監(jiān)測系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表,2007,131(3)：5-8.