水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李 群

（廈門斯坦道科學(xué)儀器股份有限公司,福建 廈門 361008）

0 引言

近年來,檢測(cè)儀器技術(shù)發(fā)展迅猛,推動(dòng)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)逐漸向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,但我國水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)依舊存在著諸多問題亟待解決,同時(shí),水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)亦不斷完善,呈現(xiàn)出多樣化態(tài)勢(shì),如何避免二次污染的出現(xiàn)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn),在此背景下生物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)出現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水質(zhì)在線檢測(cè)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由四部分組成,包括取、配水系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)儀以及監(jiān)控系統(tǒng)。取樣過程主要是借助PLC 控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化（見圖1）。水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集則是借助單片機(jī)控制AD 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)選擇器來實(shí)現(xiàn)；而遠(yuǎn)程傳輸則以GPRS 模塊為載體,對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)則便于工作人員對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)、設(shè)備使用情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,有利于提高工作效率。

圖1 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)及采樣自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 水質(zhì)分析單元設(shè)計(jì)

1.2.1參數(shù)概述

在水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)中,水溫、pH 值、渾濁度、水位、溶解氧等項(xiàng)目發(fā)展已經(jīng)非常成熟,而COD、氨氮、總磷、總氮等項(xiàng)目則是常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。本文所選取的水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)為pH、氨氮、COD。

1.2.2pH 在線監(jiān)測(cè)儀

在pH 測(cè)量中常用方法是電極法,以玻璃電極應(yīng)用為例,公式如下：

式中：E表示電壓,T表示溫度。

電壓與溫度是pH 值的重要影響因素,因此在對(duì)pH 值進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量時(shí),需要補(bǔ)償溫度。本設(shè)計(jì)選用的是貝爾BPH-200 A 監(jiān)測(cè)儀,該pH 計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量,同時(shí)還能自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,具有較高的穩(wěn)定性[1]。

1.2.3氨氮在線分析儀

水體中若是氨氮超標(biāo)會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成極大的危害,因此氨氮被列為我國水體環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)之一,通過其含量可以有效推斷出水體的污染程度。目前,常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)均采用比色法、水楊酸分光光度法。其原理是存在亞硝酸鐵氰化鈉條件下,氨氮與水楊酸鹽-次氯酸鹽發(fā)生反應(yīng)會(huì)生成藍(lán)色化合物,且氨氮含量將直接決定其色度。本設(shè)計(jì)中,選用Milli-Q Advantage A10 型純水機(jī),S200 K 型多參數(shù)測(cè)試儀以及LAMBDA25 型紫外可見分光光度計(jì),同時(shí)配有10 mm～30 mm 比色皿。

1.2.4COD 分析儀

通常采用重絡(luò)酸鉀法（CODCr）測(cè)定,將過量的重絡(luò)酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液精準(zhǔn)加入到強(qiáng)酸性溶液中,通過加熱回流使得水樣中有機(jī)物氧化。過量重絡(luò)酸鉀以試亞鐵靈作為指示劑,根據(jù)所消耗的重絡(luò)酸鉀溶液來計(jì)算出水樣中的COD。本設(shè)計(jì)所選用的5B-5 型COD 在線分析儀,具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性,精準(zhǔn)性高,同時(shí)還能自動(dòng)校正和清洗,可以有效降低人工維護(hù)成本。

1.3 采配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1采水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此采水系統(tǒng)必須要具備自動(dòng)清潔功能,其設(shè)計(jì)如下：

一是管路排空。排空閥設(shè)計(jì)在管道最低點(diǎn),當(dāng)一個(gè)采樣周期結(jié)束后,在PLC 控制下排空閥被打開,將會(huì)把水樣完全排空。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常,譬如停電、故障等,采水系統(tǒng)也會(huì)自主排水。

二是反向清洗。該系統(tǒng)中的增壓泵主要是排放高壓水,以達(dá)到清洗系統(tǒng)的目的。

三是高壓輔助清洗。在高壓作用下,水將會(huì)發(fā)生振動(dòng),從而加大其與管道的接觸面,使得清潔面擴(kuò)大,清洗更加徹底。

水泵作為采水系統(tǒng)的重要組成部分,其安全性將直接決定著系統(tǒng)的運(yùn)行效率,在調(diào)節(jié)水流量時(shí),通過調(diào)速泵能夠快速調(diào)節(jié),同時(shí)還能將相關(guān)信號(hào)反饋給系統(tǒng),適合在線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.3.2配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分析方法和儀器對(duì)樣品水的預(yù)處理要求,采取必要的預(yù)處理、清洗措施,除去水中的較大顆粒雜質(zhì)和泥沙等干擾儀器的因素,將樣品水自動(dòng)分配到各個(gè)儀器,保證儀器的正常工作。因此,配水系統(tǒng)主要包括水樣預(yù)處理裝置和自動(dòng)清洗裝置。其中預(yù)處理系統(tǒng)主要功能是過濾,并起到靜置作用,減少雜質(zhì)堵塞管道的發(fā)生幾率,從而對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。當(dāng)然,過濾器必須要符合相關(guān)要求,盡可能將過濾偏差將至最低[2]。

此外,在樣品水處理上,除直接使用源水進(jìn)行分析,還需要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇相應(yīng)儀器；旁路系統(tǒng)位于取水管理中,在調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)主要是通過手動(dòng)球閥進(jìn)行,同時(shí)旁路系統(tǒng)也可以作為維護(hù)渠道；系統(tǒng)能夠?qū)苈愤M(jìn)行清洗,避免污染,從而造成結(jié)果不精準(zhǔn)；配水單元的所有操作均可通過控制單元實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制,并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1.3.3PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中接觸器開閉主要是通過PLC 進(jìn)行控制,進(jìn)而控制電磁閥開閉,并對(duì)潛水泵、增壓泵、采水泵、空壓機(jī)、臭氧發(fā)生器等設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,以此來實(shí)現(xiàn)采配水、沖洗、臭氧除藻等（選配）過程的自動(dòng)化控制,具體步驟如下：

一是水樣采集。啟動(dòng)潛水泵,打開閥門,向沉降池注水,待水位達(dá)到檢測(cè)點(diǎn)時(shí),會(huì)自動(dòng)向系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)指令,此時(shí)閥門關(guān)系,潛水泵停止工作。

二是水樣處理。靜置水樣,打開閥門,啟動(dòng)采水泵,取樣池中水滿后,水位計(jì)將會(huì)向系統(tǒng)傳輸信號(hào),此時(shí)取樣泵和閥門自動(dòng)關(guān)閉。

三是水質(zhì)分析。分析儀為自動(dòng)化設(shè)備,可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析,并自動(dòng)生成分析報(bào)告。

四是沖洗水道。閥門打開一段時(shí)間后,增壓泵將會(huì)啟動(dòng),高壓水將會(huì)沖洗沉降池及水道,待一定時(shí)間后閥門自動(dòng)關(guān)閉。

五是臭氧除藻。將閥門打開,空壓機(jī)、臭氧發(fā)生器等設(shè)備隨即啟動(dòng),一段時(shí)間后設(shè)備關(guān)閉。

1.4 控制單元設(shè)計(jì)

1.4.1遠(yuǎn)程監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)功能見圖2。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)功能圖

用戶在登錄操作界面時(shí),必須要進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證,若用戶名與密碼不正確,且錯(cuò)誤3 次,那么為保證安全,登錄界面將被鎖定,同時(shí)在一定間隔時(shí)間后由管理員解除鎖定。具體登錄流程見圖3。操作界面具有添加、刪除監(jiān)測(cè)點(diǎn)模塊,且能夠直觀看到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)信息。

圖3 系統(tǒng)登錄流程圖

1.4.2報(bào)警管理

遠(yuǎn)程服務(wù)中心可以對(duì)潛水泵、增壓機(jī)、空壓機(jī)、取樣泵等設(shè)備的電流電壓信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)所監(jiān)測(cè)的信息與系統(tǒng)設(shè)定參考值存在較大差異,或是當(dāng)系統(tǒng)無法獲取這些參數(shù)信息時(shí),服務(wù)端就會(huì)立即發(fā)送警報(bào),同時(shí),監(jiān)測(cè)設(shè)備自帶報(bào)警功能,設(shè)備異常報(bào)警機(jī)制被觸發(fā),報(bào)警系統(tǒng)同步上傳至中控。具體報(bào)警流程見圖4。

圖4 設(shè)備故障報(bào)警流程圖

1.5 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中GPRS 通信模塊采用的是無線模塊,該模塊功耗較低,支持GPRS 雙通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)還能采集串口設(shè)備數(shù)據(jù),并支持遠(yuǎn)程設(shè)置和修改相關(guān)參數(shù)。

1.5.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集流程見圖5。通過GPRS 通信對(duì)子監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳輸?shù)乃|(zhì)pH 值、氨氮、COD 等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)接收,同時(shí)還能根據(jù)具體的站點(diǎn)生成對(duì)應(yīng)的表格,并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,方便工作人員后期進(jìn)行比對(duì)查詢。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

在GPRS 通信模塊運(yùn)行前,需要對(duì)無線模塊進(jìn)行電源復(fù)位,當(dāng)通信模塊無網(wǎng)絡(luò)連接時(shí),將進(jìn)行自主聯(lián)網(wǎng),直至連接成功；若連接成功,則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,若連接不成功,模塊將繼續(xù)電源復(fù)位操作,直至連接上網(wǎng)絡(luò)。模塊傳輸數(shù)據(jù)的過程中,控制中心會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)的安全性、合法性進(jìn)行判定和評(píng)估,若是合法控制中心將進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理；若是不合法則會(huì)向無線模塊模塊發(fā)送重新傳輸數(shù)據(jù)的指令。

1.5.2數(shù)據(jù)管理

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)信息后,人機(jī)交互界面將會(huì)以圖表的形式呈現(xiàn)出相關(guān)數(shù)據(jù),并且還能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)圖表,便于今后進(jìn)行查詢。因此,需要定期更新人機(jī)交互界面。此外,當(dāng)標(biāo)志位發(fā)生變化、頁面數(shù)據(jù)標(biāo)志物發(fā)生變化都需要進(jìn)行更新。此外,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,具備自檢及死機(jī)自動(dòng)恢復(fù)功能；支持有線、無線、專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）通訊方式,具有校驗(yàn)功能的通訊協(xié)議,能夠及時(shí)糾正傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包,能按要求接受、處理和反饋遠(yuǎn)程控制命令,能夠通過網(wǎng)絡(luò)路由器實(shí)現(xiàn)與局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的連接[3]。

2 結(jié)語

水資源短缺在很大程度上抑制了我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展,加之日益嚴(yán)峻的水污染形勢(shì),水質(zhì)不達(dá)標(biāo)情況愈發(fā)嚴(yán)重,加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)已經(jīng)刻不容緩、迫在眉睫。水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)不僅促進(jìn)維護(hù)水環(huán)境健康,同時(shí)為水環(huán)境污染防治提供數(shù)據(jù)支撐,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠水青山的可持續(xù)發(fā)展理念提供基礎(chǔ)保障。總而言之,水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用廣泛較廣,具有重要意義,前景廣闊,值得我們深入研究。當(dāng)前,監(jiān)測(cè)技術(shù)還具有較大的提升空間,在線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)必將成為主流趨勢(shì)。