李 群

（廈門斯坦道科學(xué)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(shù)發(fā)展迅猛,推動了水質(zhì)監(jiān)測逐漸向自動化、智能化方向發(fā)展,但我國水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)依舊存在著諸多問題亟待解決,同時,水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)亦不斷完善,呈現(xiàn)出多樣化態(tài)勢,如何避免二次污染的出現(xiàn)成為當(dāng)前研究的重點,在此背景下生物在線監(jiān)測技術(shù)出現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

水質(zhì)在線檢測及自動化控制系統(tǒng)主要由四部分組成,包括取、配水系統(tǒng)、監(jiān)測儀以及監(jiān)控系統(tǒng)。取樣過程主要是借助PLC 控制,實現(xiàn)自動化（見圖1）。水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集則是借助單片機控制AD 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)；而遠程傳輸則以GPRS 模塊為載體,對相關(guān)數(shù)據(jù)進行傳輸；遠程監(jiān)控系統(tǒng)則便于工作人員對監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備使用情況等進行實時監(jiān)控,有利于提高工作效率。

圖1 水質(zhì)在線監(jiān)測及采樣自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 水質(zhì)分析單元設(shè)計

1.2.1參數(shù)概述

在水質(zhì)在線監(jiān)測中,水溫、pH 值、渾濁度、水位、溶解氧等項目發(fā)展已經(jīng)非常成熟,而COD、氨氮、總磷、總氮等項目則是常規(guī)監(jiān)測項目。本文所選取的水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)為pH、氨氮、COD。

1.2.2pH 在線監(jiān)測儀

在pH 測量中常用方法是電極法,以玻璃電極應(yīng)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(zhǔn)測量時,需要補償溫度。本設(shè)計選用的是貝爾BPH-200 A 監(jiān)測儀,該pH 計不僅可以實現(xiàn)精準(zhǔn)測量,同時還能自動進行溫度補償,具有較高的穩(wěn)定性[1]。

1.2.3氨氮在線分析儀

水體中若是氨氮超標(biāo)會對人體和環(huán)境造成極大的危害,因此氨氮被列為我國水體環(huán)境監(jiān)測的主要指標(biāo)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(guī)水質(zhì)監(jiān)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(fā)生反應(yīng)會生成藍色化合物,且氨氮含量將直接決定其色度。本設(shè)計中,選用Milli-Q Advantage A10 型純水機,S200 K 型多參數(shù)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(luò)酸鉀法（CODCr）測定,將過量的重絡(luò)酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液精準(zhǔn)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(luò)酸鉀以試亞鐵靈作為指示劑,根據(jù)所消耗的重絡(luò)酸鉀溶液來計算出水樣中的COD。本設(shè)計所選用的5B-5 型COD 在線分析儀,具有極強的穩(wěn)定性,精準(zhǔn)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(tǒng)設(shè)計

1.3.1采水系統(tǒng)設(shè)計

此采水系統(tǒng)必須要具備自動清潔功能,其設(shè)計如下：

一是管路排空。排空閥設(shè)計在管道最低點,當(dāng)一個采樣周期結(jié)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(tǒng)出現(xiàn)異常,譬如停電、故障等,采水系統(tǒng)也會自主排水。

二是反向清洗。該系統(tǒng)中的增壓泵主要是排放高壓水,以達到清洗系統(tǒng)的目的。

三是高壓輔助清洗。在高壓作用下,水將會發(fā)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(tǒng)的重要組成部分,其安全性將直接決定著系統(tǒng)的運行效率,在調(diào)節(jié)水流量時,通過調(diào)速泵能夠快速調(diào)節(jié),同時還能將相關(guān)信號反饋給系統(tǒng),適合在線自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

1.3.2配水系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分析方法和儀器對樣品水的預(yù)處理要求,采取必要的預(yù)處理、清洗措施,除去水中的較大顆粒雜質(zhì)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(tǒng)主要包括水樣預(yù)處理裝置和自動清洗裝置。其中預(yù)處理系統(tǒng)主要功能是過濾,并起到靜置作用,減少雜質(zhì)堵塞管道的發(fā)生幾率,從而對檢測結(jié)果造成影響。當(dāng)然,過濾器必須要符合相關(guān)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(jié)合實際情況合理選擇相應(yīng)儀器；旁路系統(tǒng)位于取水管理中,在調(diào)節(jié)系統(tǒng)時主要是通過手動球閥進行,同時旁路系統(tǒng)也可以作為維護渠道；系統(tǒng)能夠?qū)苈愤M行清洗,避免污染,從而造成結(jié)果不精準(zhǔn)；配水單元的所有操作均可通過控制單元實現(xiàn)運行控制,并可以實現(xiàn)遠程控制。

1.3.3PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)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(fā)生器等設(shè)備運行情況進行實時監(jiān)控,以此來實現(xiàn)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(tǒng)發(fā)送相關(guān)指令,此時閥門關(guān)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(tǒng)傳輸信號,此時取樣泵和閥門自動關(guān)閉。

三是水質(zhì)分析。分析儀為自動化設(shè)備,可以對水質(zhì)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(guān)閉。

五是臭氧除藻。將閥門打開,空壓機、臭氧發(fā)生器等設(shè)備隨即啟動,一段時間后設(shè)備關(guān)閉。

1.4 控制單元設(shè)計

1.4.1遠程監(jiān)控中心遠程監(jiān)控中心系統(tǒng)功能見圖2。

圖2 遠程監(jiān)控中心系統(tǒng)功能圖

用戶在登錄操作界面時,必須要進行權(quán)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(jiān)測點模塊,且能夠直觀看到各個監(jiān)測點的相關(guān)信息。

圖3 系統(tǒng)登錄流程圖

1.4.2報警管理

遠程服務(wù)中心可以對潛水泵、增壓機、空壓機、取樣泵等設(shè)備的電流電壓信息進行實時監(jiān)控,當(dāng)所監(jiān)測的信息與系統(tǒng)設(shè)定參考值存在較大差異,或是當(dāng)系統(tǒng)無法獲取這些參數(shù)信息時,服務(wù)端就會立即發(fā)送警報,同時,監(jiān)測設(shè)備自帶報警功能,設(shè)備異常報警機制被觸發(fā),報警系統(tǒng)同步上傳至中控。具體報警流程見圖4。

圖4 設(shè)備故障報警流程圖

1.5 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

本設(shè)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(shù)據(jù)傳輸；同時還能采集串口設(shè)備數(shù)據(jù),并支持遠程設(shè)置和修改相關(guān)參數(shù)。

1.5.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集流程見圖5。通過GPRS 通信對子監(jiān)測點傳輸?shù)乃|(zhì)pH 值、氨氮、COD 等數(shù)據(jù)進行自動接收,同時還能根據(jù)具體的站點生成對應(yīng)的表格,并對歷史數(shù)據(jù)進行保存,方便工作人員后期進行比對查詢。

圖5 數(shù)據(jù)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(fù)位,當(dāng)通信模塊無網(wǎng)絡(luò)連接時,將進行自主聯(lián)網(wǎng),直至連接成功；若連接成功,則進行數(shù)據(jù)傳輸,若連接不成功,模塊將繼續(xù)電源復(fù)位操作,直至連接上網(wǎng)絡(luò)。模塊傳輸數(shù)據(jù)的過程中,控制中心會對這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行相關(guān)處理；若是不合法則會向無線模塊模塊發(fā)送重新傳輸數(shù)據(jù)的指令。

1.5.2數(shù)據(jù)管理

遠程監(jiān)控中心服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)信息后,人機交互界面將會以圖表的形式呈現(xiàn)出相關(guān)數(shù)據(jù),并且還能存儲數(shù)據(jù)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(dāng)標(biāo)志位發(fā)生變化、頁面數(shù)據(jù)標(biāo)志物發(fā)生變化都需要進行更新。此外,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,具備自檢及死機自動恢復(fù)功能；支持有線、無線、專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）通訊方式,具有校驗功能的通訊協(xié)議,能夠及時糾正傳輸錯誤的數(shù)據(jù)包,能按要求接受、處理和反饋遠程控制命令,能夠通過網(wǎng)絡(luò)路由器實現(xiàn)與局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的連接[3]。

2 結(jié)語

水資源短缺在很大程度上抑制了我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展,加之日益嚴(yán)峻的水污染形勢,水質(zhì)不達標(biāo)情況愈發(fā)嚴(yán)重,加強水質(zhì)監(jiān)測已經(jīng)刻不容緩、迫在眉睫。水質(zhì)在線監(jiān)測不僅促進維護水環(huán)境健康,同時為水環(huán)境污染防治提供數(shù)據(jù)支撐,為進一步實現(xiàn)綠水青山的可持續(xù)發(fā)展理念提供基礎(chǔ)保障?？偠灾?水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用廣泛較廣,具有重要意義,前景廣闊,值得我們深入研究。當(dāng)前,監(jiān)測技術(shù)還具有較大的提升空間,在線自動化監(jiān)測必將成為主流趨勢。