水質在線監測及自動化控制系統的設計研究

李 群

（廈門斯坦道科學儀器股份有限公司,福建 廈門 361008）

0 引言

近年來,檢測儀器技術發展迅猛,推動了水質監測逐漸向自動化、智能化方向發展,但我國水質在線監測技術依舊存在著諸多問題亟待解決,同時,水質監測指標亦不斷完善,呈現出多樣化態勢,如何避免二次污染的出現成為當前研究的重點,在此背景下生物在線監測技術出現。

1 系統設計方案

1.1 系統總體設計

水質在線檢測及自動化控制系統主要由四部分組成,包括取、配水系統、監測儀以及監控系統。取樣過程主要是借助PLC 控制,實現自動化（見圖1）。水質參數數據的采集則是借助單片機控制AD 轉換器、數據選擇器來實現；而遠程傳輸則以GPRS 模塊為載體,對相關數據進行傳輸；遠程監控系統則便于工作人員對監測參數、設備使用情況等進行實時監控,有利于提高工作效率。

圖1 水質在線監測及采樣自動控制系統結構框圖

1.2 水質分析單元設計

1.2.1參數概述

在水質在線監測中,水溫、pH 值、渾濁度、水位、溶解氧等項目發展已經非常成熟,而COD、氨氮、總磷、總氮等項目則是常規監測項目。本文所選取的水質監測參數為pH、氨氮、COD。

1.2.2pH 在線監測儀

在pH 測量中常用方法是電極法,以玻璃電極應用為例,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pH 值進行精準測量時,需要補償溫度。本設計選用的是貝爾BPH-200 A 監測儀,該pH 計不僅可以實現精準測量,同時還能自動進行溫度補償,具有較高的穩定性[1]。

1.2.3氨氮在線分析儀

水體中若是氨氮超標會對人體和環境造成極大的危害,因此氨氮被列為我國水體環境監測的主要指標之一,通過其含量可以有效推斷出水體的污染程度。目前,常規水質監測均采用比色法、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-次氯酸鹽發生反應會生成藍色化合物,且氨氮含量將直接決定其色度。本設計中,選用Milli-Q Advantage A10 型純水機,S200 K 型多參數測試儀以及LAMBDA25 型紫外可見分光光度計,同時配有10 mm～30 mm 比色皿。

1.2.4COD 分析儀

通常采用重絡酸鉀法（CODCr）測定,將過量的重絡酸鉀標準溶液精準加入到強酸性溶液中,通過加熱回流使得水樣中有機物氧化。過量重絡酸鉀以試亞鐵靈作為指示劑,根據所消耗的重絡酸鉀溶液來計算出水樣中的COD。本設計所選用的5B-5 型COD 在線分析儀,具有極強的穩定性,精準性高,同時還能自動校正和清洗,可以有效降低人工維護成本。

1.3 采配水系統設計

1.3.1采水系統設計

此采水系統必須要具備自動清潔功能,其設計如下：

一是管路排空。排空閥設計在管道最低點,當一個采樣周期結束后,在PLC 控制下排空閥被打開,將會把水樣完全排空。一旦系統出現異常,譬如停電、故障等,采水系統也會自主排水。

二是反向清洗。該系統中的增壓泵主要是排放高壓水,以達到清洗系統的目的。

三是高壓輔助清洗。在高壓作用下,水將會發生振動,從而加大其與管道的接觸面,使得清潔面擴大,清洗更加徹底。

水泵作為采水系統的重要組成部分,其安全性將直接決定著系統的運行效率,在調節水流量時,通過調速泵能夠快速調節,同時還能將相關信號反饋給系統,適合在線自動化監測系統。

1.3.2配水系統設計

根據標準分析方法和儀器對樣品水的預處理要求,采取必要的預處理、清洗措施,除去水中的較大顆粒雜質和泥沙等干擾儀器的因素,將樣品水自動分配到各個儀器,保證儀器的正常工作。因此,配水系統主要包括水樣預處理裝置和自動清洗裝置。其中預處理系統主要功能是過濾,并起到靜置作用,減少雜質堵塞管道的發生幾率,從而對檢測結果造成影響。當然,過濾器必須要符合相關要求,盡可能將過濾偏差將至最低[2]。

此外,在樣品水處理上,除直接使用源水進行分析,還需要結合實際情況合理選擇相應儀器；旁路系統位于取水管理中,在調節系統時主要是通過手動球閥進行,同時旁路系統也可以作為維護渠道；系統能夠對管路進行清洗,避免污染,從而造成結果不精準；配水單元的所有操作均可通過控制單元實現運行控制,并可以實現遠程控制。

1.3.3PLC 控制系統設計

本設計中接觸器開閉主要是通過PLC 進行控制,進而控制電磁閥開閉,并對潛水泵、增壓泵、采水泵、空壓機、臭氧發生器等設備運行情況進行實時監控,以此來實現采配水、沖洗、臭氧除藻等（選配）過程的自動化控制,具體步驟如下：

一是水樣采集。啟動潛水泵,打開閥門,向沉降池注水,待水位達到檢測點時,會自動向系統發送相關指令,此時閥門關系,潛水泵停止工作。

二是水樣處理。靜置水樣,打開閥門,啟動采水泵,取樣池中水滿后,水位計將會向系統傳輸信號,此時取樣泵和閥門自動關閉。

三是水質分析。分析儀為自動化設備,可以對水質進行分析,并自動生成分析報告。

四是沖洗水道。閥門打開一段時間后,增壓泵將會啟動,高壓水將會沖洗沉降池及水道,待一定時間后閥門自動關閉。

五是臭氧除藻。將閥門打開,空壓機、臭氧發生器等設備隨即啟動,一段時間后設備關閉。

1.4 控制單元設計

1.4.1遠程監控中心遠程監控中心系統功能見圖2。

圖2 遠程監控中心系統功能圖

用戶在登錄操作界面時,必須要進行權限驗證,若用戶名與密碼不正確,且錯誤3 次,那么為保證安全,登錄界面將被鎖定,同時在一定間隔時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、刪除監測點模塊,且能夠直觀看到各個監測點的相關信息。

圖3 系統登錄流程圖

1.4.2報警管理

遠程服務中心可以對潛水泵、增壓機、空壓機、取樣泵等設備的電流電壓信息進行實時監控,當所監測的信息與系統設定參考值存在較大差異,或是當系統無法獲取這些參數信息時,服務端就會立即發送警報,同時,監測設備自帶報警功能,設備異常報警機制被觸發,報警系統同步上傳至中控。具體報警流程見圖4。

圖4 設備故障報警流程圖

1.5 數據采集單元設計

本設計中GPRS 通信模塊采用的是無線模塊,該模塊功耗較低,支持GPRS 雙通道進行數據傳輸；同時還能采集串口設備數據,并支持遠程設置和修改相關參數。

1.5.1數據采集

數據采集流程見圖5。通過GPRS 通信對子監測點傳輸的水質pH 值、氨氮、COD 等數據進行自動接收,同時還能根據具體的站點生成對應的表格,并對歷史數據進行保存,方便工作人員后期進行比對查詢。

圖5 數據采集流程圖

在GPRS 通信模塊運行前,需要對無線模塊進行電源復位,當通信模塊無網絡連接時,將進行自主聯網,直至連接成功；若連接成功,則進行數據傳輸,若連接不成功,模塊將繼續電源復位操作,直至連接上網絡。模塊傳輸數據的過程中,控制中心會對這些數據的安全性、合法性進行判定和評估,若是合法控制中心將進一步對數據進行相關處理；若是不合法則會向無線模塊模塊發送重新傳輸數據的指令。

1.5.2數據管理

遠程監控中心服務器接收到數據信息后,人機交互界面將會以圖表的形式呈現出相關數據,并且還能存儲數據圖表,便于今后進行查詢。因此,需要定期更新人機交互界面。此外,當標志位發生變化、頁面數據標志物發生變化都需要進行更新。此外,系統穩定可靠,具備自檢及死機自動恢復功能；支持有線、無線、專用網絡（VPN）通訊方式,具有校驗功能的通訊協議,能夠及時糾正傳輸錯誤的數據包,能按要求接受、處理和反饋遠程控制命令,能夠通過網絡路由器實現與局域網或廣域網的連接[3]。

2 結語

水資源短缺在很大程度上抑制了我國經濟高質量發展,加之日益嚴峻的水污染形勢,水質不達標情況愈發嚴重,加強水質監測已經刻不容緩、迫在眉睫。水質在線監測不僅促進維護水環境健康,同時為水環境污染防治提供數據支撐,為進一步實現綠水青山的可持續發展理念提供基礎保障。總而言之,水質監測應用廣泛較廣,具有重要意義,前景廣闊,值得我們深入研究。當前,監測技術還具有較大的提升空間,在線自動化監測必將成為主流趨勢。