王 波,劉建東,陳芝貴

(成都市雙流縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,成都 610200)

1 前 言

金馬河是雙流縣的飲用水水源保護(hù)地。近年來(lái)隨著上游地區(qū)發(fā)展步伐的加快,引入了較多的洗沙廠和工業(yè)企業(yè),由于違法排污現(xiàn)象的存在,嚴(yán)重地威脅到流域內(nèi)供水安全。為了及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握金馬河的水質(zhì)及其變化狀況,雙流縣建立了飲用水源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),極大的提高了在飲用水水源地保護(hù)、管理、預(yù)警方面的能力。

2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是運(yùn)用現(xiàn)代傳感器、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)綜合性的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系,是對(duì)地表水、飲用水源以及污染源水質(zhì)水量進(jìn)行實(shí)時(shí)快速監(jiān)控的數(shù)字化管理平臺(tái),是環(huán)境保護(hù)部門實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控水源環(huán)境變化因子、控制環(huán)境污染的重要的技術(shù)手段[1]。

雙流縣飲用水水源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)用房、采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、在線自動(dòng)分析儀器系統(tǒng)、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng)。由于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心的部分是系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng),本文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 監(jiān)測(cè)用房

站房選址兼顧配電、通訊、給水 (自來(lái)水)、通風(fēng)等條件以及防雷擊、防洪、防盜竊、防潮濕、廢液排放處理、交通方便等因素,建設(shè)在成都岷江自來(lái)水廠廠區(qū)內(nèi)距原水取水口 10米處,采用二層小樓設(shè)計(jì),一樓用于監(jiān)控室、主分析儀表室、輔助設(shè)備室,二樓用于值班室、接待室和會(huì)議室,站房?jī)?nèi)安裝柜式空調(diào)和除濕機(jī),二樓安有投影儀。

2.2 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)布設(shè)在距離取水口較近,現(xiàn)場(chǎng)條件好的部位,且取水方式簡(jiǎn)單。采用自吸泵抽水方式,取水頭在水面下 0.5 m,雙回路設(shè)計(jì) (一用一備),輸水管路中配有流量和壓力監(jiān)控裝置。為了避免污垢等的不利影響,系統(tǒng)中有自來(lái)水反向清洗、加藥除垢清洗、高壓氣體輔助清洗及管路全排空等功能。

2.3 水樣預(yù)處理系統(tǒng)

針對(duì)金馬河水質(zhì)狀況,采用二級(jí)處理措施,第一級(jí)是一個(gè)包含粗過(guò)濾器取水頭的沉砂分離裝置,主要是通過(guò)粗過(guò)濾芯和靜置、塵降,除去水樣中的粒徑較大的顆粒物 (粒徑大于 200μm),第二級(jí)則是通過(guò)分析儀器自帶的微濾裝置過(guò)濾粒徑較小的泥沙顆粒 (粒徑大于 50μm)。

2.4 在線自動(dòng)分析儀器系統(tǒng)[2]

雙流縣飲用水源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：水溫、pH、DO、電導(dǎo)率、濁度、NH3-N、CODMn、TP、TN、揮發(fā)酚、氟化物、重金屬砷。儀器型號(hào)與分析方法見(jiàn)下表。

表 儀器型號(hào)與分析方法Tab. The models of the instruments and their analyticalmethods

2.5 系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心的部分是系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及通訊系統(tǒng),該系統(tǒng)基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的可靠的通訊機(jī)制,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。包括以下幾個(gè)部分：現(xiàn)場(chǎng)控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、水質(zhì)監(jiān)控中心管理系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)控WEB發(fā)布系統(tǒng)。

2.5.1 現(xiàn)場(chǎng)控制單元

現(xiàn)場(chǎng)控制單元由 PLC、控制柜以及執(zhí)行元件構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的程序負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)采水、配水控制,啟動(dòng)測(cè)試、標(biāo)定、超標(biāo)自動(dòng)留樣、清洗、除藻、反沖洗等一系列的動(dòng)作。同時(shí)可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài),并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)作做相應(yīng)的調(diào)整,確保水質(zhì)自動(dòng)站的穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)控制支持自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和遠(yuǎn)程模式,系統(tǒng)運(yùn)行支持連續(xù)模式和間歇模式,兩種模式可以自由切換。系統(tǒng)的反沖清洗工藝支持單獨(dú)水洗、高壓空氣擦洗,水氣混和洗、加藥除藻等工作。關(guān)鍵設(shè)備及執(zhí)行元件均采用進(jìn)口設(shè)備,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性大幅提升。控制單元采用模塊化設(shè)計(jì),可對(duì)設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展并且已經(jīng)預(yù)留擴(kuò)展接口,方便系統(tǒng)將來(lái)升級(jí)。

2.5.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元完成對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的采集、顯示、處理。數(shù)據(jù)采集單元包括工控機(jī) (安裝有基站軟件)、數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線等組成。數(shù)據(jù)采集模塊以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件包為核心,配合模擬量和數(shù)字量采集模塊、串口模塊、485模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)采集單元見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集單元功能模塊Fig.1 The functionalmodule of data acquisition unit

現(xiàn)場(chǎng)控制器的數(shù)據(jù)采集采用總線通訊與模擬量采集相結(jié)合的方式：對(duì)于具有 RS232/RS485輸出接口的儀器,采用總線方式采集儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù),并給儀器發(fā)出控制指令等;對(duì)于環(huán)境參數(shù)及部分具備 4～20mA輸出的儀器用 PLC模擬量采集模塊進(jìn)行采集。系統(tǒng)能根據(jù)儀器返回的狀態(tài)參數(shù)和報(bào)警信號(hào)值自動(dòng)判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性,將處理后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫(kù)中保存。

2.5.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元完成子站與中心站的數(shù)據(jù)傳輸,遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程診斷功能。數(shù)據(jù)傳輸單元由通訊服務(wù)器、遠(yuǎn)程輸出設(shè)備及傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。數(shù)據(jù)通訊是水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制的必要條件。過(guò)去自動(dòng)站數(shù)據(jù)通訊常見(jiàn)的問(wèn)題有：通訊鏈路不穩(wěn)定,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不正常;協(xié)議不公開(kāi),導(dǎo)致異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)互通有問(wèn)題;支持通訊方式單一,導(dǎo)致適應(yīng)性小,難以滿足復(fù)雜的地域環(huán)境要求。

該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊機(jī)制上進(jìn)行了深入的研究,采取以下解決措施,確立了一套可靠的通訊機(jī)制,增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

基于 TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸,在傳輸層協(xié)議上確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?采用開(kāi)放的通訊協(xié)議,采用開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層通訊協(xié)議,方便與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng);同時(shí)支持多種通訊方式,支持 PSTN, ADSL,GPRS,GS M等多種通訊方式。

2.5.4 水質(zhì)監(jiān)控中心管理系統(tǒng)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心站是一個(gè)集遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯總、分析以及遠(yuǎn)程控制等功能組成的系統(tǒng),包括中心站服務(wù)器及中心站管理軟件及WEB發(fā)布程序。

(1)中心站服務(wù)器

中心站服務(wù)器位于內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi),其中一臺(tái)作為通訊服務(wù)器,負(fù)責(zé)跟水質(zhì)監(jiān)測(cè)子站的數(shù)據(jù)通訊,其所配設(shè)備滿足多種通訊方式,如 PSTN,ADSL, GPRS等。可以通過(guò)短信收發(fā)器接收子站的報(bào)警數(shù)據(jù)等信息,并可將報(bào)警信息轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)的系統(tǒng)維護(hù)人員。通訊服務(wù)器的配置及其性能足夠滿足當(dāng)前系統(tǒng)通訊需求以及將來(lái)系統(tǒng)擴(kuò)展需求。通訊服務(wù)器將接收的遠(yuǎn)程子站的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本機(jī)的 SQL大型數(shù)據(jù)庫(kù)中。中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。

圖2 中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 The network structure of central station

另一臺(tái)服務(wù)器作為應(yīng)用服務(wù)器,負(fù)責(zé)對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成報(bào)表數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,并提供基于WEB的數(shù)據(jù)共享功能,使得局域網(wǎng)內(nèi)以及局域網(wǎng)外的授權(quán)用戶可以通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)與公共網(wǎng)之間通過(guò)防火墻連接,避免系統(tǒng)遭受病毒以及黑客的襲擊,最大程度的保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全。

(2)中心管理軟件系統(tǒng)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控中心管理系統(tǒng)既是水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理的數(shù)據(jù)中心,也是管理服務(wù)中心。中心監(jiān)控軟件體系架構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 中心監(jiān)控軟件體系架構(gòu)Fig.3 The framework of central control software system

中心監(jiān)控軟件按功能可以劃分為 5個(gè)基本模塊和 1個(gè)可選模塊,5個(gè)基本模塊是：運(yùn)行監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)管理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、系統(tǒng)安全管理模塊和秘書提示服務(wù)模塊。前5個(gè)模塊為基本模塊,比較常見(jiàn),本文重點(diǎn)對(duì)秘書服務(wù)模塊進(jìn)行介紹。

圖4 秘書提示服務(wù)模塊流程圖Fig.4 A flow diagram of secretarial servicesmodule

秘書提示服務(wù)模塊提供高級(jí)信息服務(wù)。它使用GS M網(wǎng)絡(luò),讓用戶實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量、運(yùn)行及報(bào)警狀況數(shù)據(jù)。具有兩種方式：一種是主動(dòng)發(fā)送方式,按時(shí)將特定的數(shù)據(jù)信息,發(fā)送到特定人員的手機(jī)上。其中也包括一旦有重要的報(bào)警信息,系統(tǒng)也會(huì)及時(shí)發(fā)送給指定人員。另一種方式是請(qǐng)求發(fā)送方式。當(dāng)用戶需要得到所需數(shù)據(jù)時(shí),他可以向秘書提示服務(wù)模塊發(fā)出申請(qǐng)的短信,用來(lái)申請(qǐng)獲取數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)安全認(rèn)證后,用戶就會(huì)得到所需的數(shù)據(jù)[3]。秘書提示服務(wù)模塊見(jiàn)圖 4。

3 結(jié) 語(yǔ)

雙流縣飲用水源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)飲用水源地原水的水質(zhì)及其變化狀況,提供實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)警信息,保證了飲用水源地水質(zhì)的安全,對(duì)飲用水水源地保護(hù)、管理、預(yù)警能力的提高,具有積極意義,也為其他自動(dòng)水站的構(gòu)建提供有益的參考。

[1] 王玉華,趙學(xué)民,周懷東 .水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].水文,2004,24(3)：54-55,61.

[2] HJ/T 96-103-2003,水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求[S].

[3] 王樹(shù)東,李海濤,李景志,等.模糊控制和 GS M在水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2007,131(3)：5-8.