基于污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔秀波，路鵬程，李璐璐，劉立明

(北京華信博潤(rùn)科技有限公司，北京 101116)

1 需求分析

為加強(qiáng)污染源監(jiān)管，進(jìn)一步規(guī)范和提升城市染源現(xiàn)代化監(jiān)管水平，江蘇省制定了固定污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法，針對(duì)本行政區(qū)域內(nèi)排放水污染物、大氣污染物的固定污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)、管理和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連云港市贛榆區(qū)劉灣垃圾填埋場(chǎng)依據(jù)江蘇省的固定污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法，建立實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由排污單位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)環(huán)境部門(mén)的監(jiān)控設(shè)備組成。自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在固定污染源現(xiàn)場(chǎng)，包括化學(xué)需氧量(CODcr)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀、氨氮在線分析儀、總磷在線分析儀；通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集傳輸儀；實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)的污染自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備由排污單位負(fù)責(zé)建設(shè)、運(yùn)維。通過(guò)污染自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，市環(huán)保局可以及時(shí)了解污染源水質(zhì)排放情況，水質(zhì)合格的允許排放，不合格的及時(shí)通知排污單位做出相應(yīng)處理，系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。提高污染源監(jiān)管的效率，借助現(xiàn)代化技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)顯得非常重要[1-2]。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

水泵取水樣電氣連接如圖2所示，數(shù)據(jù)采集傳輸儀的定時(shí)繼電器，每間隔一定時(shí)間閉合一段時(shí)間，與流量計(jì)繼電器串聯(lián)在一起，當(dāng)排水管中有水，流量計(jì)繼電器閉合；當(dāng)2個(gè)繼電器都閉合時(shí)，水泵電源導(dǎo)通，水泵取水送至各個(gè)監(jiān)測(cè)儀。

圖2 控制系統(tǒng)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 化學(xué)需氧量(CODcr)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀

CODcr水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀目前主要用于地表水、污水、自來(lái)水、雨水、河道、農(nóng)田、企業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保檢查等，儀器可自動(dòng)完成現(xiàn)場(chǎng)水源地的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

CODcr水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)方法依據(jù)是水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法HJ 354-2019；化學(xué)需氧量CODCr水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是HJ/T 377-2007。儀器觸摸屏采用彩色觸摸屏，界面尺寸為6英寸；監(jiān)測(cè)儀維護(hù)周期大于1月，每次約30 min；監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)記錄為10萬(wàn)次歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(兩年以上全數(shù)據(jù)記錄)；數(shù)據(jù)輸岀接口有兩種，一種為0/4～20 mA，另一種為RS232/485；另外，監(jiān)測(cè)儀還配有無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)接口及聯(lián)動(dòng)控制接口。

3.2 氨氮在線分析儀

水中的氨氮主要來(lái)源于生活污水中含氮有機(jī)物受微生物作用的分解產(chǎn)物，焦化合成氨等工業(yè)廢水以及農(nóng)田排水等。

在堿性環(huán)境和增敏劑存在的情況下，與水楊酸鹽離子、次氯酸離子反應(yīng)生成一種帶色絡(luò)合物，分析儀檢測(cè)此顏色的變化，并將這種變化換算成氨氮值輸出。生成的帶色絡(luò)合物量相當(dāng)于氨氮的含量。本方法適用于氨氮在0～300 mg/L范圍內(nèi)的廢水，過(guò)高的鈣鎂離子、余氯或濁度等可能會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。

分析儀配有彩色觸摸屏(6英寸)；分析儀數(shù)據(jù)記錄為10萬(wàn)次歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(兩年以上全數(shù)據(jù)記錄)；分析儀自帶報(bào)警及儀器狀態(tài)自我診斷功能，能夠有效降低風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生；通信方式數(shù)據(jù)輸岀接口有兩種，一種為0/4～20 mA，另一種為RS232/485；還配有無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)接口及聯(lián)動(dòng)控制接口。

3.3 總磷在線監(jiān)測(cè)儀

總磷在線監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)有污染源在線監(jiān)測(cè)儀的要求，在滿足在線總磷監(jiān)測(cè)國(guó)標(biāo)要求的前提下，還滿足污水處理過(guò)程控制監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室快速分析和環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)使用。符合《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893-89)和《總磷水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T 103-2003)。該儀器采用小型化、標(biāo)準(zhǔn)化、便攜化設(shè)計(jì)，可在站房?jī)?nèi)桌面安裝、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)安裝、監(jiān)測(cè)車內(nèi)安裝以及應(yīng)急監(jiān)測(cè)靈活便攜的使用。

數(shù)據(jù)測(cè)量范圍分3種0.01～1.4 mg/L，0.1～10 mg/L，1～90 mg/L可供選擇；監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)記錄為10萬(wàn)次歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(兩年以上全數(shù)據(jù)記錄)；監(jiān)測(cè)儀自帶報(bào)警及儀器狀態(tài)自我診斷功能，能夠有效降低風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生；通信方式輸岀接口有兩種，一種為0/4～20 mA，另一種為RS232/485；還配有無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)接口及聯(lián)動(dòng)控制接口。

3.4 數(shù)據(jù)采集傳輸儀

數(shù)據(jù)采集傳輸儀是應(yīng)環(huán)保領(lǐng)域各級(jí)國(guó)控、省控及市控污染源環(huán)境在線監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)的需求而開(kāi)發(fā)研制的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)使用的是污染自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，前端則是獨(dú)立站房、獨(dú)立采集系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸共涉及兩個(gè)部分，與上位機(jī)系統(tǒng)通信、與現(xiàn)場(chǎng)儀表(或現(xiàn)場(chǎng)機(jī))通信。當(dāng)前，所有上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)供應(yīng)商均采用標(biāo)準(zhǔn)的HJ/T 212— 2005協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)進(jìn)行通信。由于現(xiàn)場(chǎng)儀表通信種類繁多，輸出信號(hào)也不盡相同。數(shù)據(jù)采集傳輸儀通過(guò)數(shù)字通道、模擬通道、開(kāi)關(guān)量通道采集監(jiān)測(cè)儀表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息，然后通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳輸至上位機(jī)；上位機(jī)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集傳輸儀根據(jù)命令控制監(jiān)測(cè)儀表工作。數(shù)據(jù)采集傳輸儀兼容這些通信方式，通過(guò)模擬通道、開(kāi)關(guān)通道、數(shù)字通道(RS232/485)與前端各類監(jiān)測(cè)儀器/儀表實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理與展示，將儀表輸出信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理，并通過(guò) 4G、有線等網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心，使得不同種類的儀表與各個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)都可以實(shí)現(xiàn)“透明傳輸”。市場(chǎng)煙氣和水質(zhì)系統(tǒng)大都自帶工控機(jī)，但工控機(jī)僅作為儀器端的一部分，也需要數(shù)據(jù)采集傳輸儀實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸。

一款數(shù)據(jù)采集傳輸儀簡(jiǎn)介如下，無(wú)線傳輸方式可選WCDMA/CDMA2000/GRPS/TD-SCDMA等方式，配有一個(gè)10 M/100 M的RJ45接口；上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心支持多中心傳輸，有線傳輸方式支持VPDN/ADSL/ISDN等方式上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集傳輸儀支持多信道通信，可以同時(shí)向多個(gè)中心發(fā)送數(shù)據(jù)(標(biāo)配有線上傳3個(gè)中心，無(wú)線上傳5個(gè)中心)，也可同時(shí)接3個(gè)DTU；與環(huán)境監(jiān)測(cè)終端設(shè)備可通過(guò)數(shù)字接口、模擬量接口及開(kāi)關(guān)量接口連接；數(shù)據(jù)采集傳輸儀自身標(biāo)配2路數(shù)字接口，也可擴(kuò)展到6路，其中COM5和COM6可擴(kuò)展為485口，8路模擬量輸入接口，8路開(kāi)關(guān)量輸入接口，5路開(kāi)關(guān)量輸出接口；數(shù)據(jù)采集傳輸儀通過(guò)串行端口連接時(shí)，需要設(shè)備用戶提供環(huán)境監(jiān)測(cè)終端設(shè)備的通信協(xié)議。

4 數(shù)據(jù)采集傳輸儀與檢測(cè)儀器的采集通道配置

3臺(tái)儀表采用RS485，標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通信方式與數(shù)據(jù)采集傳輸儀連接，設(shè)置相應(yīng)的MODBUS站點(diǎn)號(hào)、波特率、校驗(yàn)碼等，調(diào)試各個(gè)儀表與數(shù)據(jù)采集傳輸儀的通信，至正常通信狀態(tài)，通道號(hào)：1，2，3(接線對(duì)應(yīng)COM1，COM2，COM3，3個(gè)儀器采用RS485通信與數(shù)據(jù)采集傳輸儀通信，占用3個(gè)接線端子)。選擇采集數(shù)據(jù)，之后選擇相應(yīng)的儀器，部分操作界面示例如圖3所示。

圖3 儀器與數(shù)據(jù)采集傳輸儀串口通信示例

數(shù)采儀與上位機(jī)平臺(tái)采用IP地址端口號(hào)進(jìn)行通信，具體參數(shù)如圖4所示，其中，中心地址、中心端口和MN號(hào)由國(guó)家平臺(tái)或相應(yīng)的平臺(tái)提供。

如圖4所示，MN號(hào)碼是平臺(tái)分配的MN號(hào)碼，是區(qū)分每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別碼；中心地址為平臺(tái)IP地址；中心端口是平臺(tái)提供的端口號(hào)；訪問(wèn)密碼為平臺(tái)的訪問(wèn)密碼；超時(shí)時(shí)間是發(fā)送數(shù)據(jù)之后，等待平臺(tái)響應(yīng)的超時(shí)時(shí)間，單位s。

圖4 數(shù)據(jù)采集傳輸儀與自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)通信設(shè)置

平臺(tái)類型分國(guó)家平臺(tái)、省平臺(tái)、市平臺(tái)、區(qū)平臺(tái)、企業(yè)平臺(tái)、運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)等，用于區(qū)分連接的平臺(tái)，顯示在實(shí)時(shí)界面，方便查看，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇。報(bào)警周期是發(fā)生數(shù)據(jù)超標(biāo)報(bào)警事件之后的報(bào)警數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔，單位s；心跳周期是心跳包的上傳時(shí)間間隔，單位min，其他參數(shù)不再多敘述。

5 數(shù)據(jù)采集傳輸儀與污染自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)的通信

數(shù)據(jù)采集傳輸儀是現(xiàn)場(chǎng)儀表與上位機(jī)系統(tǒng)的連接儀器，通過(guò)數(shù)字通道、模擬通道、開(kāi)關(guān)量通道采集監(jiān)測(cè)儀表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息，然后通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集傳輸儀根據(jù)命令控制監(jiān)測(cè)儀表工作。在整個(gè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，上位機(jī)是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的統(tǒng)稱，下位機(jī)則是現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的統(tǒng)稱，包括儀表供應(yīng)商提供的具有計(jì)算處理能力的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

通過(guò)4G等多種通信方式，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)環(huán)保等水環(huán)境信息自動(dòng)采集、預(yù)警、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程發(fā)送到環(huán)保監(jiān)控中心；工作人員可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行各種操作，從而徹底實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)人值守與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

數(shù)據(jù)采集傳輸儀與自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)的通信設(shè)置需要由4G網(wǎng)絡(luò)完成，系統(tǒng)通信原理如圖5所示。數(shù)據(jù)采集傳輸儀中連接現(xiàn)場(chǎng)儀表和環(huán)保局監(jiān)控中心、企業(yè)監(jiān)控平臺(tái)的中間核心設(shè)備。

6 污染自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)

污染自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)以環(huán)境感知物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)、以大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心，按照“環(huán)保部門(mén)統(tǒng)一監(jiān)管、企業(yè)主體責(zé)任、社會(huì)多元共治”的環(huán)境管理改革理念，致力于構(gòu)建管理和服務(wù)互融、數(shù)據(jù)和信息互通的“互聯(lián)網(wǎng)+”管理體系，助力提升環(huán)境管理能力、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。在支持環(huán)保部門(mén)提升業(yè)務(wù)能力的前提下，該平臺(tái)可以在環(huán)評(píng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、污染源監(jiān)控、環(huán)境應(yīng)急管理等方面為環(huán)保行政部門(mén)提供監(jiān)管手段和新鮮的一手?jǐn)?shù)據(jù)，解決人員缺乏與監(jiān)管任務(wù)繁重的矛盾，是利用科學(xué)技術(shù)提高管理水平的典型應(yīng)用?！叭旨夹g(shù)、七分管理”，該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)是為環(huán)境監(jiān)管服務(wù)的，同時(shí)也需要一個(gè)完善的運(yùn)營(yíng)管理體制，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、一致性、完整性等的同時(shí)，也要解決管理能力不足、運(yùn)維記錄作假及現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)資料不全等問(wèn)題[3]。

平臺(tái)由省級(jí)或市級(jí)環(huán)保局統(tǒng)一提供，各個(gè)排污企業(yè)統(tǒng)一將各自的污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至該平臺(tái)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸符合HJ212協(xié)議最新版本要求。排污單位安裝在監(jiān)控站房、排放口、治污設(shè)施關(guān)鍵位置的視頻監(jiān)控設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠被省、市生態(tài)環(huán)境主管部門(mén)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問(wèn)，并能遠(yuǎn)程調(diào)取6個(gè)月內(nèi)的錄像信息，排污單位對(duì)自建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性負(fù)責(zé)。安裝用電監(jiān)控設(shè)備的排污單位應(yīng)當(dāng)至少每15 min傳輸電量、功率數(shù)據(jù)一次，確保數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到99%以上。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備停運(yùn)或故障期間，排污單位或其委托的運(yùn)維單位應(yīng)當(dāng)按照有關(guān)規(guī)定和技術(shù)規(guī)范，采用手工監(jiān)測(cè)等方式，對(duì)污染物排放狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在72 h內(nèi)向有管轄權(quán)的生態(tài)環(huán)境主管部門(mén)報(bào)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

7 企業(yè)監(jiān)測(cè)中心

企業(yè)監(jiān)測(cè)中心由數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)通信、監(jiān)測(cè)設(shè)備3部分組成。企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種在線監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)對(duì)污染物排放口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器采集到監(jiān)測(cè)中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元處理后，由通信裝置上傳至污染自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)。

企業(yè)監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)處理器具有本地存儲(chǔ)功能。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，企業(yè)監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)；在通信恢復(fù)后，自動(dòng)將故障期間的全部未上傳數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，保證數(shù)據(jù)的完整性。

8 結(jié)語(yǔ)

本文基于實(shí)際工程案例，利用當(dāng)前流行的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、智能物聯(lián)等技術(shù)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)，上傳至自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，接受環(huán)保行政管理監(jiān)督，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理分析、設(shè)備信息顯示控制功能。系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)控制方法簡(jiǎn)易，采用數(shù)據(jù)采集傳輸儀控制取水泵的啟停，省去了編寫(xiě)控制程序。

(2)數(shù)據(jù)采集傳輸儀將COD、氨氮和總磷等多項(xiàng)數(shù)據(jù)集成在一起，按相關(guān)國(guó)標(biāo)協(xié)議，打包發(fā)送給自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)。

(3)企業(yè)和環(huán)保行政管理都可以通過(guò)Web可視化進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)保存查詢及相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)警等功能。