自動化控制在地表水水質自動監(jiān)測站點中的應用

＊胡永飛 袁世輝

（1.河北滿華科技有限公司 河北 050000 2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心 河北 050000）

引言

(1)水質在線自動監(jiān)測的介紹

水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)（On-line Water Quality Monitoring System）是一個以在線分析儀表和實驗室研究需求為服務目標，以提供具有代表性、及時性和可靠性的樣品信息為核心任務，運用自動控制技術、傳感器技術、計算機信息技術、遠程傳輸并配以專屬操作平臺軟件，組成一個從采水、配水、分析、質控、預警到數據處理及存貯的完整系統(tǒng)，從而實現對樣品的在線自動監(jiān)測。自動監(jiān)測系統(tǒng)一般包括采樣系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、質控系統(tǒng)、預警系統(tǒng)、在線監(jiān)測分析儀表、數據采集與自動化控制系統(tǒng)、數據處理與傳輸系統(tǒng)及遠程數據管理中心，這些分系統(tǒng)既各成體系，又相互協作，以完成整個在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)可靠地運行。水質在線分析儀器按測量方式通常分為傳感器法和光度計法兩種，根據國標規(guī)范與監(jiān)測需求要求選取不同測量方法。水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)涵蓋飲用水源地、地表河流、生態(tài)濕地、地下水、污染源、城市管網等等。雖然以上現場監(jiān)測參數、監(jiān)測方法、流程基本相似，但是不同監(jiān)測地域、監(jiān)測水體、監(jiān)測對象、監(jiān)測要求的不同對監(jiān)測系統(tǒng)提出了不同的要求。接下來，就以最具有代表性的河流斷面水質自動監(jiān)測系統(tǒng)進行介紹。

(2)系統(tǒng)組成

水質在線監(jiān)測系統(tǒng)是以自動化控制系統(tǒng)、數據處理軟件系統(tǒng)為主，其它執(zhí)行與反饋單元為輔的控制形勢。

1.自動化控制系統(tǒng)

市場上主流控制形勢是以PLC（可編程控制器）為核心的控制方式，主要使用西門子S7系列、三菱FX系列、歐姆龍CP1H系列的32位小型PLC（64點、128點、256點），其兼容開關量、模擬量（4-20MA、0-20MA、0-24V）、232信號、485信號、網口協議。配合繼電器、接觸器、浪涌保護器、信號隔離器、開關電源、液位傳感器、壓力傳感器、有害氣體傳感器、火災報警傳感器、光照感應器等等組成一整套控制系統(tǒng)。

首先PLC接收數據處理軟件系統(tǒng)的啟動指令后會判斷外部條件是否滿足，這些條件包括管道壓力、液位、外部供電等等傳感器信號。接下來，PLC會按照已設定的參數進行采樣、沉降、測試、超標判斷、等步驟進行循環(huán)執(zhí)行，前提是每一步流程都需要符合運行條件。期間，PLC會實時與操作平臺軟件進行信息交換，以致使操作平臺按照流程要求進行監(jiān)測儀器控制、數據采集、數據處理、事件預警、數據傳輸等工作。所以，PLC的可靠運行至關重要，因此控制系統(tǒng)在設計時需要考慮以下幾點因素。

（1）供電：控制系統(tǒng)主體供電分為強電與弱電。強電分為AC380V（三相五線制）與AC220V（兩相3線制），其條件為：外部市電首先接入穩(wěn)壓電源（三相五線制，＞15kW），此時根據采水泵需求進行分相，一部分給采水泵供電（220V或380V），一部分給不間斷電源供電（220V，＞10kW），再由經過UPS過濾的供電提供給系統(tǒng)其它設備。此時特別需要注意地線（＜4Ω）與浪涌保護器的設置與各個用電設備的單獨供電控制。

另外，傳感器、繼電器、通信采集器、光電隔離器等小型設備主要有DC24V或DC12V供電。因此需要配置高性能的多路開關電源作為其供電電源。

（2）控制：分為信號輸入與指令輸出。信號輸入：主要接受采水泵液位、UPS供電信息、管道壓力等信號，他們主要是以4-20mA、232形式反饋。此時需要注意4-20mA加裝光電隔離模塊。指令輸出：主要為開關量信號、DC24V信號形式輸出。開關量信號為低電壓控制小型繼電器形式，強烈建議使用高質量小型繼電器。

（3）通信：PLC與外界通過232、網口通信，主要與工控機的操作軟件進行數據交換。其通信形式沒有本質區(qū)別，只是網口通信速率較高。

（4）可靠性：

水質自動在線監(jiān)測系統(tǒng)一般地處跨界斷面偏遠地區(qū)，自動站系統(tǒng)流程復雜又涉及水和電，因此系統(tǒng)的可靠性運行尤為重要。提高可靠性有以下方法：

①零部件使用知名正規(guī)廠家，例如西門子、施耐德、德力西、歐姆龍等等。

②PLC輸出端回路使用DC24V控制AC220V動作部件。

③設備與系統(tǒng)之間通信加裝光電隔離器，建議使用一對多的串口形式。

④各個儀器設備的有效、良好的接地，并定期檢查。

⑤總供電進線加裝浪涌保護器、漏電保護器。

⑥動力與儀器供電相電分開。

⑦定期檢查系統(tǒng)各個單元部分是否有漏水情況，必須及時修復，以消除安全隱患。

⑧供電、通信部分要與管路、泵閥部分進行充分分離，以避免漏電情況發(fā)生。一般建議線路走系統(tǒng)機柜上端，管路、泵閥部分走下端。

⑨系統(tǒng)機柜下端設置漏水或濕度傳感器，以控制系統(tǒng)供電與預警。

2.數據處理軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)是針對客戶的需求深度開發(fā)、定制的專屬的封閉的人機交互操作平臺軟件。該平臺軟件主要實現與監(jiān)測儀表的雙向控制，PLC指令交換，遠程傳輸平臺的數據通信等數據處理功能。軟件的主體設計形勢包括流程實時監(jiān)控，系統(tǒng)參數設定，歷史數據，數據曲線，運行日志等等功能。平臺軟件還可根據客戶要求隨時修改運行流程和運行條件。以隨時應對監(jiān)測儀表性能考核，事件追溯，突發(fā)事件等狀況。

實時監(jiān)控：該界面需要將系統(tǒng)整體管路流向，設備運行參數信息，進程狀態(tài)、計時，運行操作，報警提示。

系統(tǒng)參數：可以設置修改系統(tǒng)運行參數、儀器特定參數、報警參數、手動操作。

歷史數據：可以顯示、打印、篩選、報表等功能。

數據曲線：顯示各個參數歷史曲線特性，以便于分析數據相關性。

運行日志：顯示系統(tǒng)的運行、操作、報警、參數修正、故障等等日志。

另外，操作平臺軟件在與控制系統(tǒng)、儀器儀表、執(zhí)行單元配合設計時也應考慮整體系統(tǒng)的運行可靠性。分以下事項。

（1）操作平臺軟件不建議使用一分多的串口連接，地址區(qū)分方式與各個監(jiān)測儀表進行通信。

（2）操作平臺軟件應盡可能多的讀取PLC對于各個部件控制信息狀態(tài)，并以動畫形式顯示在人機界面中。增強其易操作性與故障判斷途徑。

（3）操作平臺軟件與儀器儀表之間的雙向通信信息量較大，所以建議將通信間隔設置在10s左右。

3.其它執(zhí)行與反饋單元

此部分主要涉及實現控制系統(tǒng)所需要的執(zhí)行部件與傳感器。其中包括閥體、管道流量計、液位計、壓力傳感器、溫濕度傳感器、電壓電流傳感器等等。該部分設備需要定期檢查其工作狀態(tài)，并定期對其進行保養(yǎng)或更換。

綜合以上情況，在滿足功能要求的前提下，控制系統(tǒng)的可靠性是優(yōu)先考慮的因素。系統(tǒng)可靠性的提高需要技術儲備之外，還特別需要相關從業(yè)人員的經驗滲入。一個可靠的控制系統(tǒng)直接影響整個監(jiān)測站點的運行率與運維成本。

近些年，監(jiān)測數據已經納入全國各地區(qū)生態(tài)考核的重要依據，也是對所有企業(yè)單位排放是否合格的判定標準。主要監(jiān)測方法分為實驗室手工監(jiān)測與儀器在線自動監(jiān)測，實驗室監(jiān)測存在響應慢、成本高、人為偏差、水樣追溯難等不足，但自動在線監(jiān)測可以有效的彌補手工監(jiān)測存在的不足。因此自動在線監(jiān)測系統(tǒng)數據已經逐步成為水質考核的重要依據。