船載水樣自動采集系統(tǒng)

李　超，司惠民*，關(guān)　一，于　灝

(1. 國家海洋技術(shù)中心，天津 300112； 2. 國家海洋局 北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266033)

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船載水樣自動采集系統(tǒng)

李超1，司惠民*1，關(guān)一1，于灝2

(1. 國家海洋技術(shù)中心，天津 300112； 2. 國家海洋局 北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266033)

為了適應(yīng)我國近海海洋環(huán)境監(jiān)測快速、多要素的現(xiàn)場監(jiān)測需求，研制了一套船載水樣自動采集系統(tǒng)，系統(tǒng)控制方式簡單靈活，具有全自動、半自動和手動三種控制模式。該系統(tǒng)由采水泵、復(fù)合采水纜、電動絞車、電控柜、儲水罐等硬件和控制軟件組成。在軟件的控制下，絞車、采水泵等執(zhí)行元件可自動開啟和關(guān)閉，自動完成同一地點不同深度的多層水樣采集。與傳統(tǒng)人工采水方式相比，可大大減輕實驗人員的勞動強度，減小水樣采集的深度誤差。渤海和東海大量的海上試驗證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠適用于營養(yǎng)鹽分析儀對水樣的要求。

海洋環(huán)境監(jiān)測；船載；水泵；自動采樣

0　引言

海洋蘊藏著豐富的資源，海洋開發(fā)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，但同時也帶來了日益嚴重的環(huán)境問題，特別是近岸海洋環(huán)境面臨著越來越大的壓力[1]。隨著國家對海洋的重視，建立了眾多的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。其中海洋水質(zhì)監(jiān)測主要有2種方法：一是通過現(xiàn)場傳感器測定，二是取樣后在實驗室內(nèi)使用相應(yīng)儀器設(shè)備進行分析。由于技術(shù)方面原因，很多參數(shù)還不能通過現(xiàn)場傳感器測定，實驗室分析依然是環(huán)境監(jiān)測的重要手段[2]。

傳統(tǒng)的手動采水器，如南森瓶等，為懸掛在鋼絲繩上并由絞車投放水中的采水瓶。投放水中的采水瓶由沿鋼絲繩滑下的使錘打開瓶塞，從而采集海水樣品。但是，懸掛采水瓶的鋼絲繩在海流中的傾斜無法控制，所以無法準確控制和記錄采樣深度。而且，采水瓶的掛解和使錘的操作也比較繁瑣，經(jīng)常發(fā)生瓶蓋沒有關(guān)閉或丟失的情況。

電控多瓶采水器是目前廣泛應(yīng)用的另一種水樣采集裝置，配合溫、鹽、深傳感器(CTD)使用，在采水的同時獲取即時的海水溫度、電導(dǎo)率和密度曲線。電控多瓶采水器采水時，電磁閥瓶塞根據(jù)甲板控制系統(tǒng)的指令開啟。但是，電控多瓶采水器需要配備價格昂貴的甲板控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般在水文設(shè)施齊全的大型船只上應(yīng)用。另外，所掛的采水瓶一般容量較小，海水水樣的采集量有限。

本文研究的船載水樣自動采集系統(tǒng)，利用水泵并配合管路將水抽到船上，通過分配管路給營養(yǎng)鹽分析儀等船載檢測儀器提供水樣進行現(xiàn)場測量。該系統(tǒng)采集的最大剖面深度為60 m，利用絞車將采水管放置到設(shè)定深度，由控制系統(tǒng)控制水泵自動完成一層或多層水樣的采集。與傳統(tǒng)人工采水的方式相比，大大減輕了實驗人員的勞動強度，縮短了采樣時間。

1　系統(tǒng)介紹

船載水樣自動采集系統(tǒng)是利用采水泵及其它輔助裝置將水樣吸到船上，存放在水樣罐內(nèi)供船載監(jiān)測儀器使用，原理框圖如圖1所示。

圖1　水樣自動采集系統(tǒng)原理框圖Fig.1　Principle diagram of water automatic sampling system

船載水樣自動采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件主要包括采水泵及采水纜、布放回收裝置(絞車)、儲水罐及分配管路以及電控系統(tǒng)；軟件主要包括計算機端上位機軟件和電控系統(tǒng)端的下位機軟件，圖2為采集系統(tǒng)實物圖。

實驗人員在主控平臺(上位PC機)設(shè)定好采樣層數(shù)及采樣深度后，通過RS232串口將指令下達給下位機可編程邏輯控制器(PLC)，PLC控制絞車自動放纜，將安裝在吸水管路末端的采樣頭下放到設(shè)定深度(設(shè)定先采集最底層)；到達設(shè)定深度后采水泵自動開啟，水樣在采水泵的作用下經(jīng)過過濾器進入水樣罐；水樣罐注滿后，采水泵自動停止，絞車自動開始收纜將采樣頭收到設(shè)定的第2層的深度；到達設(shè)定深度后，絞車停止，水泵開啟，將水樣注入到第2個水樣罐內(nèi)；水樣罐注滿后，水泵停止，絞車啟動，重復(fù)以上過程，直到采完設(shè)定的所有層水樣；水樣通過分配管路供給監(jiān)測儀器，分析完畢后，PLC控制電磁閥自動打開，將水樣罐內(nèi)多余的水樣排除。

圖2　水樣自動采集系統(tǒng)實物圖Fig.2　Physical picture of water automatic sampling system

2　關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1多功能復(fù)合采水纜研制

采水纜纏繞在絞車的滾筒上，總長80 m，集成了采水管、信號纜和凱夫拉承重繩，三者的外面包裹聚氨酯材料(圖3)。多功能復(fù)合采水纜兼具采水、信號傳輸和承重的作用。采水管一端連接在絞車上，另一端連接采樣頭，用于吸取水樣；信號纜傳輸壓力傳感器輸出的4～20 mA電流信號，經(jīng)PLC換算輸出深度信號，以此判斷水樣采集的深度，壓力傳感器的使用可減小水樣采集的深度誤差；凱夫拉承重繩用于懸掛配重的鉛魚，破斷力為500 kg，保證能夠承擔(dān)鉛魚和自身的重量；聚氨酯外套起到保護作用，能夠適應(yīng)-20～+40 ℃的溫度，保持特性不變。

多功能復(fù)合采水纜的研制成功解決了以下3個關(guān)鍵問題：(1)復(fù)合采水纜為一體化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了下放和回收時絞車自動排纜；(2)經(jīng)過對采水管、信號纜和承重繩的受力分析，確定三者合適的位置結(jié)構(gòu)，提高抗彎曲、拉伸性能，解決了實驗過程中信號纜受力拉斷的問題；(3)提高了溫度適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)全國大部分海域的環(huán)境溫度，低溫不變硬、皴裂，高溫不變形。

圖3　復(fù)合采水纜Fig.3　Composite water sampling cable

2.2下位機控制軟件

下位機控制系統(tǒng)以PLC為核心[3]，搭配模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊完成對各執(zhí)行元件的控制，控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4　控制原理框圖Fig.4　Block diagram of control principle

控制系統(tǒng)共有全自動、半自動和手動3種控制模式，全自動控制模式為主要控制模式，半自動控制模式和手動控制模式可增加系統(tǒng)的靈活性。3種控制模式均設(shè)有運行狀態(tài)監(jiān)視、故障報警、歷史記錄查詢等多種功能。同時，采用功能強大、簡單易用的大屏幕彩色觸摸屏作為人機交互界面[4]，提供采樣深度設(shè)定、時間設(shè)定以及動態(tài)顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)及采樣深度等功能。

PLC控制軟件采用最常用的梯形圖形式編寫[5]，先編寫各功能模塊子程序，然后將不同模塊的程序整合成完整的程序，程序軟件工作流程如圖5所示。水樣采集系統(tǒng)主要功能分為取水樣、純水控制及管路清洗三個方面，其中取水是最為核心的功能。系統(tǒng)上電運行后，首先進行初始化檢查，完成后進入取水主程序，等待開始命令；取水完畢后，通知主控平臺，并提示回收采樣頭；待檢測儀器完成分析后，排空水樣罐，然后清洗管路。純水的控制獨立于取水環(huán)節(jié)，目的是隨時可以制作純水，保證時刻有足夠的純水。

圖5　采水系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5　Program flow chart of water sampling system software

2.3上位機控制軟件

上位機軟件以船載計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，具有設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集傳輸、通訊及現(xiàn)場信息服務(wù)的功能。建設(shè)基于Internet/Intranet技術(shù)標準的船載計算機網(wǎng)絡(luò)以及B/S體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)化、模塊化的系統(tǒng)集成技術(shù)，完成對船載海水樣品自動采集系統(tǒng)和其他船載監(jiān)測儀器的控制，同時能夠采集船載GPS、水文氣象等設(shè)備的參數(shù)并進行顯示，實現(xiàn)對船載設(shè)備工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)收集、提取、分析、處理與存貯，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳回地面支持系統(tǒng)進行信息產(chǎn)品制作和發(fā)布。水樣采集的自動化控制業(yè)務(wù)流程圖如圖6所示。

主界面表現(xiàn)層主要實現(xiàn)被監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，水文氣象信息等連續(xù)觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過曲線、表盤、數(shù)據(jù)表格、矢量地圖、Led燈轉(zhuǎn)換等形式實現(xiàn)

圖6　水樣采集自動化控制業(yè)務(wù)流程圖Fig.6　Automatic control flow chart of water sampling system

數(shù)據(jù)信息的動態(tài)形象方面的展示。通過文本數(shù)據(jù)輸入控件、按鈕控件、列表控件、下拉列表控件等基本控件形式實現(xiàn)控制信息的輸入、運行狀態(tài)的控制等功能，如圖7所示。

圖7　軟件主界面顯示圖Fig.7　Main interface graph of software

3　海上試驗

船載海水樣品自動采集系統(tǒng)在船上安裝完畢后，在我國渤海和東海做了大量的海上試驗，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了充分驗證。渤海試驗分別在春季和冬季各進行2個航次，每季的2個航次均連續(xù)試驗，歷時40多天。根據(jù)海試大綱的要求，共計設(shè)置86個站位，404個點位(不同站位采樣的層數(shù)不同)。東海海試選在嵊泗附近海域，共設(shè)置17個站位，51個點位(圖8為海試站位圖)。海試期間，船載海水樣品自動采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運行可靠，系統(tǒng)采用壓力傳感器定位采樣深度，精度能夠控制在0.1 m。

由于海上試驗受到天氣的制約，在天氣好的時候通常24 h連續(xù)采樣，這樣就導(dǎo)致人工采水的實驗人員體力嚴重透支，而自動采樣系統(tǒng)不需過多的人為干預(yù)，可大大減輕實驗人員的數(shù)量和體力。

圖8　海試站位圖Fig.8　Distribution map of sea trials sites

4　小結(jié)

船載水樣自動采集系統(tǒng)經(jīng)過“十五”和“十一五”兩期“863”項目的支持，在中國渤海和東海做了大量的海上試驗，方案的可行性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了驗證，已經(jīng)成為一項技術(shù)成熟的水樣采集手段，目前已成功安裝在向陽紅08船、海監(jiān)47船和向陽紅28船3條船上，大大提升了我國近海海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行能力。另外，該系統(tǒng)也可以做到小型

化，推廣應(yīng)用到眾多沿海或江河、湖泊等岸基實驗室內(nèi)，完成海水、淡水水質(zhì)樣品的采集與分配，為實時在線監(jiān)測儀器設(shè)備提供水樣。

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Shipborne seawater automatic sampling system

LI Chao1, SI Hui-min*1, GUAN Yi1, YU Hao2

(1.NationalOceanTechnologyCenter，Tianjin300112，China；2.NorthChinaSeaMarineTechnicalSupportCenter，SOA，Qingdao266033，China)

In order to meet the requirements of fast and multi-factors monitoring of the marine environment, a kind of shipborne automatic sampling system (SASS) was developed. SASS has a simple and flexible operation system, and has three control modes: automatic, semi-automatic and manual mode. The hardware of SASS mainly consists of pump, composite cable, electric winch, electric control cabinet and storage tank. With the control of the software, the devices such as winch and collecting pump can open and close automatically, to complete the collection of multi-level seawater samples in same site. Compared with the traditional method, this system can greatly reduce the labor intensity of the experimenters, and improve the precision of sampling depth. After a large number of sea trials in the Bohai Sea and in the East China Sea, SASS has been proved to be stable.

marine environment monitoring; shipborne; pump; automatic sampling

2016-01-18

2016-07-10

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863計劃”)項目資助(2007AA09210112，2007AA092001-8)

李超(1978-)，男，天津市人，高級工程師，主要從事海洋觀測技術(shù)研究。E-mail：superman5867@163.com

司惠民(1987-)，男，工程師，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究。E-mail：zdhshm@163.com

P715

A

1001-909X(2016)03-0080-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.013

李超，司惠民，關(guān)一，等.船載水樣自動采集系統(tǒng)[J].海洋學(xué)研究,2016,34(3):80-85,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.013.

LI Chao, SI Hui-min, GUAN Yi，et al. Shipborne seawater automatic sampling system[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(3):80-85, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.013.