廣西工學(xué)院電控系 何偉剛 吳其琪

1.引言

早期水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)定時(shí)定點(diǎn)在河流的代表性斷面取得瞬時(shí)水樣后在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)技術(shù)分析手段的方法實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)目的，但是這種人工抽查的監(jiān)測(cè)手段發(fā)揮的作用很有限，不能將實(shí)際不斷變化著的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、有針對(duì)性的獲得，從而影響了后期分析的正確性。21世紀(jì)水利水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)作為系統(tǒng)工程的主要研究對(duì)象仍是流域或區(qū)域水環(huán)境，水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)僅僅只是它的組成的基礎(chǔ)部分，工作的重心是將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，在全國(guó)水質(zhì)站網(wǎng)和監(jiān)測(cè)信息中心的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息互通，統(tǒng)計(jì)、分類和整合各級(jí)監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)，建立與數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的水體分析模型來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際水質(zhì)情況，可為未知水資源的開(kāi)發(fā)利用、優(yōu)化保護(hù)現(xiàn)有水環(huán)境提供有力支持。設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，內(nèi)含詳盡的國(guó)家飲用水物質(zhì)數(shù)據(jù)指標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)即時(shí)警告，并能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)、連續(xù)化，設(shè)備簡(jiǎn)便化。

2.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括水樣采集控制子系統(tǒng)、水質(zhì)和水量監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)五大部分組成。

(1)水樣采集控制子系統(tǒng)，包括的部分有傳感器、采水單元、配水單元傳感器的組成部件通常有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子線路。包括水泵、管路、供電及安裝結(jié)構(gòu)部分。在設(shè)計(jì)上必須對(duì)各種氣候、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應(yīng)的解決措施，并能夠自動(dòng)連續(xù)地與整個(gè)系統(tǒng)同步工作，給系統(tǒng)提供可靠、有效的水樣。配水單元主要有水樣預(yù)處理裝置、自動(dòng)清洗裝置及輔助部分三部分。配水單元的水壓和水量應(yīng)滿足監(jiān)測(cè)儀器的要求，它負(fù)責(zé)供水給監(jiān)測(cè)儀器、去除水的泥沙和過(guò)濾，自動(dòng)/手動(dòng)兩用管道的反沖洗和除藻。預(yù)處理單元水樣進(jìn)入五參數(shù)測(cè)試池之前沒(méi)有任何過(guò)濾和攔截，最大限度保持水樣完整性，不影響五參數(shù)測(cè)試。

(2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為監(jiān)測(cè)管理中心、區(qū)域監(jiān)控站和監(jiān)控終端三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)管理中心的主要部分包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控業(yè)務(wù)臺(tái)，負(fù)責(zé)完成全網(wǎng)所有監(jiān)控信息的采集、統(tǒng)計(jì)、處理和比對(duì)分析，同時(shí)也將這些信息傳送給區(qū)域監(jiān)控站。每個(gè)終端收集所有數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在服務(wù)器中。管理中心是收集統(tǒng)計(jì)，查詢和分析監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警信息系統(tǒng)平臺(tái)，也是統(tǒng)計(jì)結(jié)果和監(jiān)測(cè)情況曲線的地方。電腦上的系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)在局部地區(qū)監(jiān)測(cè)站，由具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力的中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集中控制，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)情況。此外，所有監(jiān)測(cè)終端都采用了抗干擾能力強(qiáng)的PLC可編程邏輯器件，負(fù)責(zé)采集針對(duì)某些特定指標(biāo)的數(shù)據(jù)(監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示)。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(3)信息傳輸子系統(tǒng)采用GSM無(wú)線短消息、GPRS和公用電話網(wǎng)等平臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控信息管理中心，同時(shí)也會(huì)接收來(lái)自于本中心的各類無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)控指令。

單片機(jī)接收到終端的數(shù)據(jù)信息后，要通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心。GPRS模塊使用了內(nèi)部集成GSM控制器、TCP/IP協(xié)議，同時(shí)提供了2個(gè)串口等。該模塊提供GSM語(yǔ)音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，支持RS-232異步串行通信，由呼叫控制指令、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)命令、電話本命令、短消息命令和自定義命令等組成，使用AT命令集可實(shí)現(xiàn)模塊系統(tǒng)操作。把無(wú)線收發(fā)模塊到上位機(jī)的系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)GSM短信數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在上位機(jī)和監(jiān)控信息管理中心之間的雙向傳輸。除了通過(guò)RS-232與單片機(jī)通信外，還有一個(gè)用戶識(shí)別模塊SIM卡。SIM卡上包含了所有用戶的信息，個(gè)人識(shí)別碼可以防止SIM卡未經(jīng)授權(quán)而使用。每當(dāng)移動(dòng)用戶開(kāi)機(jī)時(shí)，GPRS先要自動(dòng)鑒別用戶的合法性，只有在系統(tǒng)認(rèn)可之后，才為該用戶提供服務(wù)。

3.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)與功能

(1)穩(wěn)定、可靠、安全

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，擺脫有線的束縛的范圍廣，運(yùn)行費(fèi)用低，它收集的數(shù)據(jù)可立即發(fā)送到數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器和存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，防止由于沒(méi)有數(shù)據(jù)采集終端而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，充分保證了數(shù)據(jù)的安全性；數(shù)據(jù)采集終端與離網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器失敗，數(shù)據(jù)采集終端的服務(wù)將暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)鏈路，系統(tǒng)可恢復(fù)正常，緩存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；另一方面，嚴(yán)格認(rèn)證的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程、驗(yàn)證、加密措施共同保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性。

(2)實(shí)時(shí)在線

數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集終端保持實(shí)時(shí)，并連接到環(huán)保部門，以5分鐘為間隔及時(shí)、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)排污操作和開(kāi)發(fā)污染物排放趨勢(shì)和查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化的排放。

(3)全面控管

所有企業(yè)污染源在線監(jiān)測(cè)的同時(shí)，在相同的接口，只需要觀察屏幕上的各種業(yè)務(wù)圖標(biāo)樣式或顏色就可以了解所有的企業(yè)各污染物排放口設(shè)備的運(yùn)行，污染物排放濃度，流量，排放量和其他等信息。

(4)實(shí)時(shí)報(bào)警

分為超標(biāo)告警，故障報(bào)警和黃色預(yù)警。

1)超標(biāo)告警：污染物排放濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，告警系統(tǒng)啟動(dòng)，相應(yīng)的企業(yè)圖標(biāo)將停2)故障報(bào)警：數(shù)據(jù)采集終端或污染源在線監(jiān)測(cè)儀器故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。

3)黃色預(yù)警：污染物濃度接近超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，監(jiān)管

部門據(jù)此發(fā)布信息，通知企業(yè)采取措施處理和控制污染物排放至符合標(biāo)準(zhǔn)，從而可以實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警。

(5)豐富的統(tǒng)計(jì)與管理體制功能

依據(jù)排污申報(bào)，環(huán)境統(tǒng)計(jì)等報(bào)表要求，全面反映企業(yè)的基本情況，以圖標(biāo)、表格、圖形等形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)排污口設(shè)備的運(yùn)行狀況，污染物排放濃度、流量、排放量等信息，可以匯總統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有污染物的排放總量，掌握和量化污染物的排放趨勢(shì)，為區(qū)域內(nèi)控制污染物排放總量提供技術(shù)支持，為環(huán)保部門現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法和排污收費(fèi)提供依據(jù)。

(6)總量控制與管理

整個(gè)系統(tǒng)充分體現(xiàn)總量控制的原則，為管理提供依據(jù)，為決策提供支持，各種統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告和圖表可以歸類總結(jié)各污染物的排放量，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的總排放量的污染物可以進(jìn)行直觀的比較分析，同時(shí)跟蹤總排放量每天變化趨勢(shì)的曲線得出結(jié)論，對(duì)于超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)值，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)階段的實(shí)際情況和該地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)定出該企業(yè)的總排放量的最大上限值，一旦接近或超過(guò)最大上限時(shí)值發(fā)出預(yù)警，這充分體現(xiàn)發(fā)展結(jié)合實(shí)際的總原則。同時(shí)借助統(tǒng)計(jì)手段總結(jié)需要控制污染物排放總量的地區(qū)的污染物排放總量趨勢(shì)，掌握和量化的趨勢(shì)污染物的排放規(guī)律，提供監(jiān)測(cè)依據(jù)和技術(shù)支持給執(zhí)法部門以及環(huán)保部門。

(7)遠(yuǎn)程訪問(wèn)

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可了解各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，獲取實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(8)日志管理

分類匯總統(tǒng)計(jì)各種報(bào)警及故障信息形成日志，通過(guò)系統(tǒng)日志能分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有效性，同時(shí)還可以全面了解在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，便于系統(tǒng)的管理和維護(hù)，日志管理包括報(bào)警日志、故障日志、停電日志。

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