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(jiān)管，進一步規(guī)范和提升城市染源現(xiàn)代化監(jiān)管水平，江蘇省制定了固定污染源自動監(jiān)控管理辦法，針對本行政區(qū)域內(nèi)排放水污染物、大氣污染物的固定污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)、運行、維護、管理和現(xiàn)場監(jiān)督檢查。

2 系統(tǒng)設(shè)計

連云港市贛榆區(qū)劉灣垃圾填埋場依據(jù)江蘇省的固定污染源自動監(jiān)控管理辦法，建立實時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由排污單位的自動監(jiān)測設(shè)備、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)環(huán)境部門的監(jiān)控設(shè)備組成。自動監(jiān)測設(shè)備安裝在固定污染源現(xiàn)場，包括化學(xué)需氧量(CODcr)水質(zhì)在線監(jiān)測儀、氨氮在線分析儀、總磷在線分析儀；通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集傳輸儀；實時監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)的污染自動監(jiān)控平臺。現(xiàn)場檢測設(shè)備由排污單位負責建設(shè)、運維。通過污染自動監(jiān)控平臺，市環(huán)保局可以及時了解污染源水質(zhì)排放情況，水質(zhì)合格的允許排放，不合格的及時通知排污單位做出相應(yīng)處理，系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。提高污染源監(jiān)管的效率，借助現(xiàn)代化技術(shù)加以實現(xiàn)顯得非常重要[1-2]。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

水泵取水樣電氣連接如圖2所示，數(shù)據(jù)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(lián)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(dǎo)通，水泵取水送至各個監(jiān)測儀。

圖2 控制系統(tǒng)

3 硬件設(shè)計

3.1 化學(xué)需氧量(CODcr)水質(zhì)在線監(jiān)測儀

CODcr水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀目前主要用于地表水、污水、自來水、雨水、河道、農(nóng)田、企業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保檢查等，儀器可自動完成現(xiàn)場水源地的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

CODcr水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀的監(jiān)測方法依據(jù)是水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法HJ 354-2019；化學(xué)需氧量CODCr水質(zhì)自動監(jiān)測儀采用的技術(shù)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(jiān)測儀維護周期大于1月，每次約30 min；監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)記錄為10萬次歷史數(shù)據(jù)存儲(兩年以上全數(shù)據(jù)記錄)；數(shù)據(jù)輸岀接口有兩種，一種為0/4～20 mA，另一種為RS232/485；另外，監(jiān)測儀還配有無線物聯(lián)網(wǎng)接口及聯(lián)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(chǎn)物，焦化合成氨等工業(yè)廢水以及農(nóng)田排水等。

在堿性環(huán)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(yīng)生成一種帶色絡(luò)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(luò)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(nèi)的廢水，過高的鈣鎂離子、余氯或濁度等可能會對測量產(chǎn)生干擾。

分析儀配有彩色觸摸屏(6英寸)；分析儀數(shù)據(jù)記錄為10萬次歷史數(shù)據(jù)存儲(兩年以上全數(shù)據(jù)記錄)；分析儀自帶報警及儀器狀態(tài)自我診斷功能，能夠有效降低風險產(chǎn)生；通信方式數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)接口及聯(lián)動控制接口。

3.3 總磷在線監(jiān)測儀

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

數(shù)據(jù)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(jiān)測儀數(shù)據(jù)記錄為10萬次歷史數(shù)據(jù)存儲(兩年以上全數(shù)據(jù)記錄)；監(jiān)測儀自帶報警及儀器狀態(tài)自我診斷功能，能夠有效降低風險產(chǎn)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(lián)網(wǎng)接口及聯(lián)動控制接口。

3.4 數(shù)據(jù)采集傳輸儀

數(shù)據(jù)采集傳輸儀是應(yīng)環(huán)保領(lǐng)域各級國控、省控及市控污染源環(huán)境在線監(jiān)控(監(jiān)測)系統(tǒng)的需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴驶?。在線監(jiān)測系統(tǒng)上位機使用的是污染自動監(jiān)控平臺，前端則是獨立站房、獨立采集系統(tǒng)?，F(xiàn)場系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸共涉及兩個部分，與上位機系統(tǒng)通信、與現(xiàn)場儀表(或現(xiàn)場機)通信。當前，所有上位機監(jiān)控平臺供應(yīng)商均采用標準的HJ/T 212— 2005協(xié)議與現(xiàn)場機進行通信。由于現(xiàn)場儀表通信種類繁多，輸出信號也不盡相同。數(shù)據(jù)采集傳輸儀通過數(shù)字通道、模擬通道、開關(guān)量通道采集監(jiān)測儀表的監(jiān)測數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息，然后通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳輸至上位機；上位機通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集傳輸儀根據(jù)命令控制監(jiān)測儀表工作。數(shù)據(jù)采集傳輸儀兼容這些通信方式，通過模擬通道、開關(guān)通道、數(shù)字通道(RS232/485)與前端各類監(jiān)測儀器/儀表實現(xiàn)無縫連接，進行本地數(shù)據(jù)采集、存儲、處理與展示，將儀表輸出信號或數(shù)據(jù)進行標準化數(shù)據(jù)處理，并通過 4G、有線等網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠傳至監(jiān)控中心，使得不同種類的儀表與各個數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺都可以實現(xiàn)“透明傳輸”。市場煙氣和水質(zhì)系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集傳輸儀實現(xiàn)標準化數(shù)據(jù)傳輸。

一款數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)至監(jiān)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(shù)據(jù)至監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集傳輸儀支持多信道通信，可以同時向多個中心發(fā)送數(shù)據(jù)(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(huán)境監(jiān)測終端設(shè)備可通過數(shù)字接口、模擬量接口及開關(guān)量接口連接；數(shù)據(jù)采集傳輸儀自身標配2路數(shù)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(guān)量輸入接口，5路開關(guān)量輸出接口；數(shù)據(jù)采集傳輸儀通過串行端口連接時，需要設(shè)備用戶提供環(huán)境監(jiān)測終端設(shè)備的通信協(xié)議。

4 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集傳輸儀連接，設(shè)置相應(yīng)的MODBUS站點號、波特率、校驗碼等，調(diào)試各個儀表與數(shù)據(jù)采集傳輸儀的通信，至正常通信狀態(tài)，通道號：1，2，3(接線對應(yīng)COM1，COM2，COM3，3個儀器采用RS485通信與數(shù)據(jù)采集傳輸儀通信，占用3個接線端子)。選擇采集數(shù)據(jù)，之后選擇相應(yīng)的儀器，部分操作界面示例如圖3所示。

圖3 儀器與數(shù)據(jù)采集傳輸儀串口通信示例

數(shù)采儀與上位機平臺采用IP地址端口號進行通信，具體參數(shù)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(yīng)的平臺提供。

如圖4所示，MN號碼是平臺分配的MN號碼，是區(qū)分每個監(jiān)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(fā)送數(shù)據(jù)之后，等待平臺響應(yīng)的超時時間，單位s。

圖4 數(shù)據(jù)采集傳輸儀與自動監(jiān)控平臺通信設(shè)置

平臺類型分國家平臺、省平臺、市平臺、區(qū)平臺、企業(yè)平臺、運營商平臺等，用于區(qū)分連接的平臺，顯示在實時界面，方便查看，可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇。報警周期是發(fā)生數(shù)據(jù)超標報警事件之后的報警數(shù)據(jù)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(shù)不再多敘述。

5 數(shù)據(jù)采集傳輸儀與污染自動監(jiān)控平臺的通信

數(shù)據(jù)采集傳輸儀是現(xiàn)場儀表與上位機系統(tǒng)的連接儀器，通過數(shù)字通道、模擬通道、開關(guān)量通道采集監(jiān)測儀表的監(jiān)測數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息，然后通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳輸至上位機。上位機通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集傳輸儀根據(jù)命令控制監(jiān)測儀表工作。在整個環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)中，上位機是在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺的統(tǒng)稱，下位機則是現(xiàn)場儀器儀表的統(tǒng)稱，包括儀表供應(yīng)商提供的具有計算處理能力的工業(yè)控制計算機。

通過4G等多種通信方式，系統(tǒng)可實現(xiàn)環(huán)保等水環(huán)境信息自動采集、預(yù)警、存儲及遠程發(fā)送到環(huán)保監(jiān)控中心；工作人員可通過網(wǎng)絡(luò)遠程登錄數(shù)據(jù)采集終端進行各種操作，從而徹底實現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守與實時監(jiān)測的目的。

數(shù)據(jù)采集傳輸儀與自動監(jiān)控平臺網(wǎng)的通信設(shè)置需要由4G網(wǎng)絡(luò)完成，系統(tǒng)通信原理如圖5所示。數(shù)據(jù)采集傳輸儀中連接現(xiàn)場儀表和環(huán)保局監(jiān)控中心、企業(yè)監(jiān)控平臺的中間核心設(shè)備。

6 污染自動監(jiān)控平臺

污染自動監(jiān)控平臺以環(huán)境感知物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)、以大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心，按照“環(huán)保部門統(tǒng)一監(jiān)管、企業(yè)主體責任、社會多元共治”的環(huán)境管理改革理念，致力于構(gòu)建管理和服務(wù)互融、數(shù)據(jù)和信息互通的“互聯(lián)網(wǎng)+”管理體系，助力提升環(huán)境管理能力、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、實現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。在支持環(huán)保部門提升業(yè)務(wù)能力的前提下，該平臺可以在環(huán)評質(zhì)量監(jiān)測、污染源監(jiān)控、環(huán)境應(yīng)急管理等方面為環(huán)保行政部門提供監(jiān)管手段和新鮮的一手數(shù)據(jù)，解決人員缺乏與監(jiān)管任務(wù)繁重的矛盾，是利用科學(xué)技術(shù)提高管理水平的典型應(yīng)用?！叭旨夹g(shù)、七分管理”，該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)是為環(huán)境監(jiān)管服務(wù)的，同時也需要一個完善的運營管理體制，保證數(shù)據(jù)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(xiàn)場基礎(chǔ)資料不全等問題[3]。

平臺由省級或市級環(huán)保局統(tǒng)一提供，各個排污企業(yè)統(tǒng)一將各自的污染監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至該平臺，自動監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸符合HJ212協(xié)議最新版本要求。排污單位安裝在監(jiān)控站房、排放口、治污設(shè)施關(guān)鍵位置的視頻監(jiān)控設(shè)備應(yīng)當能夠被省、市生態(tài)環(huán)境主管部門遠程實時訪問，并能遠程調(diào)取6個月內(nèi)的錄像信息，排污單位對自建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性負責。安裝用電監(jiān)控設(shè)備的排污單位應(yīng)當至少每15 min傳輸電量、功率數(shù)據(jù)一次，確保數(shù)據(jù)傳輸率達到99%以上。

自動監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備停運或故障期間，排污單位或其委托的運維單位應(yīng)當按照有關(guān)規(guī)定和技術(shù)規(guī)范，采用手工監(jiān)測等方式，對污染物排放狀況進行監(jiān)測，并在72 h內(nèi)向有管轄權(quán)的生態(tài)環(huán)境主管部門報送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

7 企業(yè)監(jiān)測中心

企業(yè)監(jiān)測中心由數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)通信、監(jiān)測設(shè)備3部分組成。企業(yè)現(xiàn)場的各種在線監(jiān)測設(shè)備自動對污染物排放口進行實時監(jiān)測，其監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器采集到監(jiān)測中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元處理后，由通信裝置上傳至污染自動監(jiān)控平臺。

企業(yè)監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)處理器具有本地存儲功能。當通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，企業(yè)監(jiān)測中心系統(tǒng)會自動保存數(shù)據(jù)；在通信恢復(fù)后，自動將故障期間的全部未上傳數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測中心服務(wù)器，保證數(shù)據(jù)的完整性。

8 結(jié)語

本文基于實際工程案例，利用當前流行的水質(zhì)監(jiān)測、智能物聯(lián)等技術(shù)，將實時監(jiān)測到的水質(zhì)，上傳至自動監(jiān)控平臺，接受環(huán)保行政管理監(jiān)督，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠程傳輸、實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理分析、設(shè)備信息顯示控制功能。系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

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

(2)數(shù)據(jù)采集傳輸儀將COD、氨氮和總磷等多項數(shù)據(jù)集成在一起，按相關(guān)國標協(xié)議，打包發(fā)送給自動監(jiān)控平臺。

(3)企業(yè)和環(huán)保行政管理都可以通過Web可視化進行管理，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)保存查詢及相關(guān)數(shù)據(jù)報警等功能。