基于污染源在線監控系統的實時水質監測系統設計

崔秀波，路鵬程，李璐璐，劉立明

(北京華信博潤科技有限公司，北京 101116)

1 需求分析

為加強污染源監管，進一步規范和提升城市染源現代化監管水平，江蘇省制定了固定污染源自動監控管理辦法，針對本行政區域內排放水污染物、大氣污染物的固定污染源自動監控系統的建設、運行、維護、管理和現場監督檢查。

2 系統設計

連云港市贛榆區劉灣垃圾填埋場依據江蘇省的固定污染源自動監控管理辦法，建立實時水質監測系統，該系統由排污單位的自動監測設備、通信傳輸網絡和生態環境部門的監控設備組成。自動監測設備安裝在固定污染源現場，包括化學需氧量(CODcr)水質在線監測儀、氨氮在線分析儀、總磷在線分析儀；通信傳輸的數據采集傳輸儀；實時監控并記錄數據的污染自動監控平臺。現場檢測設備由排污單位負責建設、運維。通過污染自動監控平臺，市環保局可以及時了解污染源水質排放情況，水質合格的允許排放，不合格的及時通知排污單位做出相應處理，系統工藝流程如圖1所示。提高污染源監管的效率，借助現代化技術加以實現顯得非常重要[1-2]。

圖1 系統工藝流程

水泵取水樣電氣連接如圖2所示，數據采集傳輸儀的定時繼電器，每間隔一定時間閉合一段時間，與流量計繼電器串聯在一起，當排水管中有水，流量計繼電器閉合；當2個繼電器都閉合時，水泵電源導通，水泵取水送至各個監測儀。

圖2 控制系統

3 硬件設計

3.1 化學需氧量(CODcr)水質在線監測儀

CODcr水質在線自動監測儀目前主要用于地表水、污水、自來水、雨水、河道、農田、企業生產、環保檢查等，儀器可自動完成現場水源地的數據監測。

CODcr水質在線自動監測儀的監測方法依據是水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法HJ 354-2019；化學需氧量CODCr水質自動監測儀采用的技術標準是HJ/T 377-2007。儀器觸摸屏采用彩色觸摸屏，界面尺寸為6英寸；監測儀維護周期大于1月，每次約30 min；監測儀的數據記錄為10萬次歷史數據存儲(兩年以上全數據記錄)；數據輸岀接口有兩種，一種為0/4～20 mA，另一種為RS232/485；另外，監測儀還配有無線物聯網接口及聯動控制接口。

3.2 氨氮在線分析儀

水中的氨氮主要來源于生活污水中含氮有機物受微生物作用的分解產物，焦化合成氨等工業廢水以及農田排水等。

在堿性環境和增敏劑存在的情況下，與水楊酸鹽離子、次氯酸離子反應生成一種帶色絡合物，分析儀檢測此顏色的變化，并將這種變化換算成氨氮值輸出。生成的帶色絡合物量相當于氨氮的含量。本方法適用于氨氮在0～300 mg/L范圍內的廢水，過高的鈣鎂離子、余氯或濁度等可能會對測量產生干擾。

分析儀配有彩色觸摸屏(6英寸)；分析儀數據記錄為10萬次歷史數據存儲(兩年以上全數據記錄)；分析儀自帶報警及儀器狀態自我診斷功能，能夠有效降低風險產生；通信方式數據輸岀接口有兩種，一種為0/4～20 mA，另一種為RS232/485；還配有無線物聯網接口及聯動控制接口。

3.3 總磷在線監測儀

總磷在線監測儀設計滿足現有污染源在線監測儀的要求，在滿足在線總磷監測國標要求的前提下，還滿足污水處理過程控制監測、實驗室快速分析和環境應急監測使用。符合《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893-89)和《總磷水質自動分析儀技術要求》(HJ/T 103-2003)。該儀器采用小型化、標準化、便攜化設計，可在站房內桌面安裝、標準機柜內安裝、監測車內安裝以及應急監測靈活便攜的使用。

數據測量范圍分3種0.01～1.4 mg/L，0.1～10 mg/L，1～90 mg/L可供選擇；監測儀數據記錄為10萬次歷史數據存儲(兩年以上全數據記錄)；監測儀自帶報警及儀器狀態自我診斷功能，能夠有效降低風險產生；通信方式輸岀接口有兩種，一種為0/4～20 mA，另一種為RS232/485；還配有無線物聯網接口及聯動控制接口。

3.4 數據采集傳輸儀

數據采集傳輸儀是應環保領域各級國控、省控及市控污染源環境在線監控(監測)系統的需求而開發研制的產品，實現了數據傳輸的標準化。在線監測系統上位機使用的是污染自動監控平臺，前端則是獨立站房、獨立采集系統。現場系統中的數據傳輸共涉及兩個部分，與上位機系統通信、與現場儀表(或現場機)通信。當前，所有上位機監控平臺供應商均采用標準的HJ/T 212— 2005協議與現場機進行通信。由于現場儀表通信種類繁多，輸出信號也不盡相同。數據采集傳輸儀通過數字通道、模擬通道、開關量通道采集監測儀表的監測數據、狀態等信息，然后通過傳輸網絡將數據、狀態傳輸至上位機；上位機通過傳輸網絡發送控制命令，數據采集傳輸儀根據命令控制監測儀表工作。數據采集傳輸儀兼容這些通信方式，通過模擬通道、開關通道、數字通道(RS232/485)與前端各類監測儀器/儀表實現無縫連接，進行本地數據采集、存儲、處理與展示，將儀表輸出信號或數據進行標準化數據處理，并通過 4G、有線等網絡將數據遠傳至監控中心，使得不同種類的儀表與各個數據監控平臺都可以實現“透明傳輸”。市場煙氣和水質系統大都自帶工控機，但工控機僅作為儀器端的一部分，也需要數據采集傳輸儀實現標準化數據傳輸。

一款數據采集傳輸儀簡介如下，無線傳輸方式可選WCDMA/CDMA2000/GRPS/TD-SCDMA等方式，配有一個10 M/100 M的RJ45接口；上傳數據至監控中心支持多中心傳輸，有線傳輸方式支持VPDN/ADSL/ISDN等方式上傳數據至監控中心。數據采集傳輸儀支持多信道通信，可以同時向多個中心發送數據(標配有線上傳3個中心，無線上傳5個中心)，也可同時接3個DTU；與環境監測終端設備可通過數字接口、模擬量接口及開關量接口連接；數據采集傳輸儀自身標配2路數字接口，也可擴展到6路，其中COM5和COM6可擴展為485口，8路模擬量輸入接口，8路開關量輸入接口，5路開關量輸出接口；數據采集傳輸儀通過串行端口連接時，需要設備用戶提供環境監測終端設備的通信協議。

4 數據采集傳輸儀與檢測儀器的采集通道配置

3臺儀表采用RS485，標準MODBUS RTU通信方式與數據采集傳輸儀連接，設置相應的MODBUS站點號、波特率、校驗碼等，調試各個儀表與數據采集傳輸儀的通信，至正常通信狀態，通道號：1，2，3(接線對應COM1，COM2，COM3，3個儀器采用RS485通信與數據采集傳輸儀通信，占用3個接線端子)。選擇采集數據，之后選擇相應的儀器，部分操作界面示例如圖3所示。

圖3 儀器與數據采集傳輸儀串口通信示例

數采儀與上位機平臺采用IP地址端口號進行通信，具體參數如圖4所示，其中，中心地址、中心端口和MN號由國家平臺或相應的平臺提供。

如圖4所示，MN號碼是平臺分配的MN號碼，是區分每個監控點的唯一標準識別碼；中心地址為平臺IP地址；中心端口是平臺提供的端口號；訪問密碼為平臺的訪問密碼；超時時間是發送數據之后，等待平臺響應的超時時間，單位s。

圖4 數據采集傳輸儀與自動監控平臺通信設置

平臺類型分國家平臺、省平臺、市平臺、區平臺、企業平臺、運營商平臺等，用于區分連接的平臺，顯示在實時界面，方便查看，可根據現場情況選擇。報警周期是發生數據超標報警事件之后的報警數據上傳時間間隔，單位s；心跳周期是心跳包的上傳時間間隔，單位min，其他參數不再多敘述。

5 數據采集傳輸儀與污染自動監控平臺的通信

數據采集傳輸儀是現場儀表與上位機系統的連接儀器，通過數字通道、模擬通道、開關量通道采集監測儀表的監測數據、狀態等信息，然后通過傳輸網絡將數據、狀態傳輸至上位機。上位機通過傳輸網絡發送控制命令，數據采集傳輸儀根據命令控制監測儀表工作。在整個環境在線監測系統中，上位機是在線監測系統軟件平臺的統稱，下位機則是現場儀器儀表的統稱，包括儀表供應商提供的具有計算處理能力的工業控制計算機。

通過4G等多種通信方式，系統可實現環保等水環境信息自動采集、預警、存儲及遠程發送到環保監控中心；工作人員可通過網絡遠程登錄數據采集終端進行各種操作，從而徹底實現系統的無人值守與實時監測的目的。

數據采集傳輸儀與自動監控平臺網的通信設置需要由4G網絡完成，系統通信原理如圖5所示。數據采集傳輸儀中連接現場儀表和環保局監控中心、企業監控平臺的中間核心設備。

6 污染自動監控平臺

污染自動監控平臺以環境感知物聯網為基礎、以大數據技術為核心，按照“環保部門統一監管、企業主體責任、社會多元共治”的環境管理改革理念，致力于構建管理和服務互融、數據和信息互通的“互聯網+”管理體系，助力提升環境管理能力、改善生態環境質量、實現環境經濟協調發展。在支持環保部門提升業務能力的前提下，該平臺可以在環評質量監測、污染源監控、環境應急管理等方面為環保行政部門提供監管手段和新鮮的一手數據，解決人員缺乏與監管任務繁重的矛盾，是利用科學技術提高管理水平的典型應用。“三分技術、七分管理”，該水質監測系統的建設是為環境監管服務的，同時也需要一個完善的運營管理體制，保證數據的真實性、一致性、完整性等的同時，也要解決管理能力不足、運維記錄作假及現場基礎資料不全等問題[3]。

平臺由省級或市級環保局統一提供，各個排污企業統一將各自的污染監測數據上傳至該平臺，自動監測數據傳輸符合HJ212協議最新版本要求。排污單位安裝在監控站房、排放口、治污設施關鍵位置的視頻監控設備應當能夠被省、市生態環境主管部門遠程實時訪問，并能遠程調取6個月內的錄像信息，排污單位對自建視頻監控系統的安全性負責。安裝用電監控設備的排污單位應當至少每15 min傳輸電量、功率數據一次，確保數據傳輸率達到99%以上。

自動監測監控設備停運或故障期間，排污單位或其委托的運維單位應當按照有關規定和技術規范，采用手工監測等方式，對污染物排放狀況進行監測，并在72 h內向有管轄權的生態環境主管部門報送監測數據。

7 企業監測中心

企業監測中心由數據采集與處理、數據通信、監測設備3部分組成。企業現場的各種在線監測設備自動對污染物排放口進行實時監測，其監測數據由數據采集器采集到監測中心，經數據處理單元處理后，由通信裝置上傳至污染自動監控平臺。

企業監測中心的數據處理器具有本地存儲功能。當通信網絡出現故障時，企業監測中心系統會自動保存數據；在通信恢復后，自動將故障期間的全部未上傳數據上傳至監測中心服務器，保證數據的完整性。

8 結語

本文基于實際工程案例，利用當前流行的水質監測、智能物聯等技術，將實時監測到的水質，上傳至自動監控平臺，接受環保行政管理監督，實現了數據遠程傳輸、實時數據采集、數據管理分析、設備信息顯示控制功能。系統有以下優點：

(1)控制方法簡易，采用數據采集傳輸儀控制取水泵的啟停，省去了編寫控制程序。

(2)數據采集傳輸儀將COD、氨氮和總磷等多項數據集成在一起，按相關國標協議，打包發送給自動監控平臺。

(3)企業和環保行政管理都可以通過Web可視化進行管理，實現歷史數據保存查詢及相關數據報警等功能。