自來水自動采樣留樣儀設計及實現

李浩然，王 賽，沈 彥

(上海市西派埃智能化系統有限公司，上海 200233)

0 引言

自來水是人們日常生活中不可或缺的基本物質之一。自來水廠的水質是人民健康安全的基本保障。根據《水質樣品的保存和管理技術規定》(HJ 493—2009)和水廠實際情況，水廠會每隔1 h對出廠自來水進行采樣留樣，并在2～6 ℃的冷藏環境中保存樣品24 h，方便化驗人員隨時對于前24 h內任何時間點水樣進行抽檢化驗[1]。

國內當前市場上針對水質采樣的設備多數為采集地表水、湖泊河流等。這種采樣設備在遭遇惡劣天氣時，會面臨采樣困難甚至無法采樣的困境[2]。目前，國外水質采樣設備同樣聚集于地表水以及湖泊河流等，通過蠕動泵驅動平靜的水面或者湖泊采集水樣。其采用的方式和目前國內的相近，對于自來水采樣方面并沒有對應的智能化設備[3]。

目前，針對水廠自來水的采樣設備屈指可數。水廠自來水采集通常用采樣瓶開蓋采樣，依然需要人力每天擔負此工作。此外，自來水樣品與空氣接觸時間長會導致水質出現變化。

通過對于以上現狀分析，得出以下問題：①目前采樣設備集中于地表水采樣，缺乏自來水的智能化采樣設備；②自來水需24 h不間斷采樣以及留存24 h，人工采樣方式會存在疏漏；③現有裝置采樣的自來水樣品與空氣接觸時間長，會導致水質出現變化。

本文針對以上問題設計了水廠自動采樣留樣裝置及方法[4]，并闡述了其在水廠采樣留樣工作中起到的作用。該研究可有效推進水廠在工業互聯網方向的發展。

1 硬件設計

本文依據上述問題以及行業標準，從在線采樣、流量等比例采樣、分瓶采樣、真空密封保存等方面進行自來水自動采樣留樣儀的設計[5-6]。

1.1 硬件整體設計

自來水自動采樣留樣儀設計框圖如圖1所示。

圖1 自來水自動采樣留樣儀設計框圖

自來水采樣留樣儀由冷藏柜、采樣器、留樣水袋、觸摸屏等組成。采樣器整體分為上下兩層。上層有13個留樣水袋。下層有12個留樣水袋。共計25個留樣水袋按照時間順序(0～23點)排布，最后1個作為超標留樣使用。固定架與冷藏柜固定連接，固定架的上側和下側與冷藏柜之間分別設有滑軌與采樣器進行滑軌式連接。總進水閥與進水端連接的一端設有用于測量水壓的水壓表，另一端設有進水流量傳感器。排水泵的進水口設有排水流量傳感器。冷藏柜底部朝采樣器的一側設有漏水探測器，用于檢測自來水自動采樣留樣儀是否出現漏水。

1.2 控制硬件設計

硬件系統采用以SIMATIC S7-1200 控制器為核心的控制繼電器、交換機、報警器和漏水探測器等硬件。控制硬件設計框架如圖2所示。

圖2 控制硬件設計框架圖

觸摸屏作為可視化界面，可進行人機交互，顯示當前時間日期、溫濕度以及工作進度，并可手動操控定點進排水。SIMATIC S7-1200控制器通過繼電器信號控制電磁閥和排水泵的通斷，從而控制每個時間點的進排水情況。

繼電器是保護電路、安全隔離的自動化設備電路中的自動開關元件，既可以作為輸入部分又可以作為輸出部分，在上端和下端之間起到承上啟下的保護電路作用[7]。

交換機是電信號轉發設備。編寫好的程序通過交換機(網線連接傳輸)下載傳輸到設備中進行信息傳輸。由于交換機供電為5 V，所以需要5 V電源轉換器將24 V轉為5 V。

進水和排水流量傳感器可以檢測在進水和排水時是否有水流通過，以此判斷當前進排水有無故障。當進水和排水流量傳感器出現異常時，進水和排水流量傳感器將采集信息傳輸到控制器，隨后與觸摸屏進行交互顯示以提醒出現異常。

漏水探測器用于判斷裝置是否漏水。當其檢測到漏水，將信號傳輸到控制器，再由控制器將信號傳輸到報警器進行報警。溫濕度探測器用于監測設備內溫濕度。

2 軟件設計

自來水采樣留樣儀軟件設計主要分為上位機監控和下位機控制兩部分。軟件邏輯框架如圖3所示。上位機主要監控設備狀態以及下發水質超標信號。下位機主要分為手動模式和自動模式。

圖3 軟件邏輯框架圖

2.1 上位機

如圖3左側所示，上位機上接制造執行系統(manufacturing excution system,MES)、下接下位機，使數據整體連通。

上位機監控的本質是為了監控設備的運行狀況以及遠程操控，因此對于監控界面的設計要求簡潔明了、方便操作。上位機界面可以實時顯示設備的狀態和數據等信息，設計人機交互操作方式，通過上位機對下位機進行控制[8]。上位機主要顯示4個方面的內容，分別為溫濕度以及進排水流量的實時數據、當前設備運行狀況、采樣進度、是否有超標采樣樣品。

上位機與下位機之間的通信是將上位機和下位機接入同網段通過設置進行IP通信，設定對應的通信協議和對應點位。上位機直接拉入對應數據。

自來水作為居民生活用水，水質把控不容馬虎。水廠需要隨時做好緊急狀況的應對策略。緊急采樣是查出原因的第一步。當發現出廠水質有問題，水廠通過下發采樣指令，由設備對當前出廠水進行超標采樣。

2.2 下位機

如圖3右側所示，下位機主要處理自動循環采樣和現場手動采樣。現場手動采樣通過觸摸屏對每個時間點的水袋進行單獨控制，在觸摸屏上輸入設置對應時間點，以控制對應電磁閥通斷，從而達到對應水袋采樣的目的。

自動循環采樣無需人工操作，由自動采樣、模擬信號處理以及報警三部分組成。

(1)自動采樣邏輯。

①排空舊樣品水。在預設采樣時間控制對應的采樣通道工作，打開對應的排水電磁閥和抽水泵，將對應的仿生真空水袋抽成真空狀態。

②清洗仿生真空水袋。關閉對應的排水電磁閥和抽水泵以及常出口電磁閥，打開對應的進水電磁閥，注入新樣品水，清洗仿生真空水袋。

③排空用于清洗的新樣品水。關閉對應的進水電磁閥，打開對應的排水電磁閥和抽水泵，以及常出口電磁閥，將對應的仿生真空水袋抽成真空狀態。

④采集新樣品水。關閉對應的排水電磁閥和抽水泵，以及常出口電磁閥，打開對應的進水電磁閥，注入新樣品水。

⑤關閉對應的進水電磁閥，打開常出口電磁閥。

(2)模擬信號處理邏輯。

模擬信號數據主要由4個傳感器采集，分別為溫度探測器、濕度探測器、進水流量傳感器和排水流量傳感器。傳感器和探測器將采集到的溫度、濕度、流量等數據轉化為模擬信號(電壓信號/電流信號)。SIMATIC S7-1200控制器對模擬信號進行A/D轉換，將數字信號與觸摸屏進行交互傳輸，記錄生成表單并作可視化處理。

(3)報警邏輯。

設備可以通過故障報警及時反映設備的運行狀況，也可以將報警記錄生成表單。這些記錄可以反映設備的不足和改進方向，從而促進迭代升級。

設備報警通過漏水探測器來檢測是否存在漏水狀況。當出現漏水，漏水探測器將發出信號。信號傳遞到SIMATIC S7-1200控制器。SIMATIC S7-1200控制器對報警器下發指令進行報警，并與觸摸屏進行交互以生成報警表單，便于后續對數據進行分析。

3 應用分析及展望

3.1 現場運行測試

自來水廠對于自來水出廠質量控制嚴格。自來水自動采樣留樣儀在現場運行超過一年，幫助水廠實現自來水自動化精準采樣及保存，并與水廠上位機實現對接控制。投用一年內，自來水自動采樣留樣儀的應用成效獲水廠工作人員一致好評。

3.1.1 采樣量穩定

水廠的出水壓力每天均會出現浮動。自來水采樣留樣儀在實際運行中采樣量穩定。采樣量與出廠壓力數據如表1所示。

表1 采樣量與出廠壓力數據

3.1.2 溫濕度監測

當前設備現場運行環境溫度一直保持在2～6 ℃，而自來水樣品存儲時間不宜過長。因此，溫濕度檢測功能對于樣品保存環境的記錄很有必要。

3.1.3 超標自動采樣

水廠內部會對自來水出水的水質進行實時監測。當水質檢測出問題時，上位機可以對自來水采樣留樣儀下發指令進行超標留樣，留存于第二十五個袋子。工作人員將超標留樣水袋取走，并更換、安裝新水袋。這將為市民的生活用水構筑起保障，能及時、盡早發現問題并進行檢測復核。

3.1.4 全程真空保存

自來水留樣采樣儀直接連接出廠水的水龍頭，進入采集器。內部采樣保存樣品全程密封，確保樣品不與外界空氣接觸。這就保證了水質的原始狀態，有利于后續樣品檢測的準確性。

3.2 展望

工廠目前正在對可替代的重復性工作進行儀器設備代替。智能化設備可以幫助工廠提升整體控制管理效率。

將現有的工作進行簡單數字化復制，并不能解決問題。切實地從制造業內部去發現問題、解決問題，解放被浪費的人力資源，更精準地對設備進行管理，才是數字化轉型的關鍵。自來水留樣采樣儀從根本上解決了重復性工作帶來的人力資源浪費。其具備的設備運行數據采集與上位機的交互顯示功能也在彰顯數字化設備的發展方向。

當前，我國正進入工業互聯網高速發展階段，工業互聯網平臺的應用場景不斷豐富，接入平臺設備數量持續上升。現有重點工業互聯網平臺設備連接數量已突破7 000萬臺，并且設備種類由單一逐漸向多元化發展。重點平臺連接設備涉及電力、交通、電工/電子、冶煉、儀器儀表等十幾個重點行業。因此，智能化設備在協助工業互聯網化方面的效果顯而易見[9-11]。

當前，自來水自動采樣留樣儀可實現與上位機的數據互通和聯控。下一步是將數據以及3D模型接入工廠數字孿生平臺。數據信息及表單將通過TCP/IP、Http、Socket傳輸到數字孿生平臺，與整廠控制及管理集成一體。未來，整廠的數字孿生平臺也可以定位到設備現場，實現遠程查看現場情況。工業互聯網平臺發展也必定是向數字孿生的方向不斷拓展深化。

4 結論

自來水自動采樣留樣儀主要是針對自來水廠出廠水的留樣問題所作的設計。本文結合水廠實際情況要求和《水質樣品的保存和管理技術規定》(HJ 493—2009)，在自來水自動采集留樣儀中設計了24 h整點自動采樣模式和超標自動留樣模式。自來水自動采樣留樣儀一方面將人力從重復繁瑣的工作中釋放出來，另一方面有助于自來水廠在工業互聯網平臺方面更加完善的發展。