河流水质标准型自动监测站建设

河流水质标准型自动监测站建设

水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京210012摘要：为实现对河流水质的全面实时监测，并将监测数据发送至巡测基地，实现基地远程查看测站数据和视频监控图像，全面监测水质变化。水质自动监测系统是以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通信网络组成的综合性的在线自动监测体系。水质标准型自动监测站点具有良好的可用性、适用性，该系统可以实现对河流水质环境实时监测，及时发现河流不同时间段污染问题，并保留污染水样。从而使得河流水质管理工作效率大大提升，为后续相关智能部门进行水质管理和保护工作给予很大程度上的帮助。关键词：水质自动监测站，实时监测，测站数据1背景我国水资源条件并不优越，人均水资源量只占世界平均的28%，水资源60%至80%集中在汛期。经过长期发展，水资源形势越来越危急。地表水资源短缺：如黄河流域、海河流域、辽河流域，这些地方近二三十年偏干旱，再加上人为原因，水资源逐渐衰减，很多地方衰减率达到10%、20%以上。地表水资源污染：目前我们国家每年排放的废弃污水约为700亿吨，大大加深了对江河湖泊的水源环境、质量造成威胁，甚至我国有些地方的水源地的水质也开始逐渐恶化。2系统结构设计标准型水质自动监测站，监测项目有水温、pH、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、生物毒性、VOC等11个参数。系统通过光线网络、4G网络（备用信道），将监测数据传输到分中心数据平台。水质自动监测系统结构图如下：水质自动监测系统主要包括取水泵、取水浮台、管路、沉沙桶、过滤器、进样分流装置、多参数测量池、分析仪表、控制柜、嵌入式工控机、应用软件、除藻装置、空压机、水质分瓶采样器、废液收集装置及各类阀门等组成，采用双泵双管路冗余结构，给水管采用PPR管材，排水管选用PVC管材。3自动监测站结构设计水质自动监测系统的运行通过工控机、PLC、水泵、阀门等完成测站的取水、源水预处理、分析仪表测定、数据采集等过程，监测项目包括水温、pH、溶解氧、浊度、电导率、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、VOC、生物毒性共11个参数，通过有线光纤网络、无线4G将监测信息传输至数据中心。3.1水质自动监测站组成结构水质自动监测站主要由组合机柜、取水单元、预处理单元、水质监测分析单元、控制单元、通信单元、辅助单元、运行环境支持单元等组成。图3-1系统结构示意图水质自动监测站实现水质参数的自动分析、处理、采集、控制等功能，其由组合机柜、取水单元、预处理单元、辅助分析单元、运行环境支持单元、数据传输单元、系统控制单元、水质监测分析单元等组成。组合机柜：负责完成各单元主要仪器设备的集成。取水单元：负责完成水样采集和输送。预处理单元：主要完成源水水样的预处理，使之符合水质分析仪表对水样的要求，延长仪表的使用寿命。辅助分析单元：主要由空压机、除藻热水器、供水设施等组成。运行环境支持单元：为系统提供正常工作条件的支撑，包括供电、防雷、运行环境等方面。数据传输单元：由光纤、4G无线通信模块等组成，数据传输途径为有线光纤网络和4G无线网络。系统控制单元：实现对管路、电路的控制及数据的采集、传输工作，主要由工业控制计算机、PLC模块组件、直流电源模块、集中监控采集器和现地控制柜及电气组件等组成。水质监测分析单元：水质自动监测系统中的重要环节，由各种水质分析仪表及其通信链路组成。3.1.2组合机柜现场所有控制单元和控制部件全部集中在控制柜中，控制柜内包括工控机、PLC控制器、控制继电器组、直流电源模块、通讯转换模块、信号避雷器、仪表控制电源开关等设备。3-2控制柜、预处理柜、仪表柜示意图3.1.3取水单元取水单元分为取水部分与配水部分，负责完成水样的采集和传输。（1）取水部分构成取水部分由取样浮台、取水水泵、取水管路和调节阀、中性的保温水管等组成。取水部分构成如下表：表1取水部分构成分项说明主要设备取水浮台源水取水平台及防护网罩不锈钢浮台取水水泵源水取水泵自吸泵压力传感器管路压力监测压力传感器取水管路源水取水管路及阀门PVC盘丝管、PPR管各类阀门取水管路控制电动球阀、手动阀如下图所示，滑杆竖式取水方式，结构由取水浮台、防护罩、竖井滑杆、取水水泵、压力传感器等部分组成，取水口液面位于水面以下0.5m-1m处。取水浮台采用304不锈钢材料制成，表面喷塑，中间用不锈钢耳与竖井滑杆配合。防护罩由不锈钢制成，安装在浮筒底部，用于拦截较大的杂物和悬浮物、水中颗粒物。滑杆采用方形钢管制成，上端与站房立柱固定，底部直接打入河底。图3-3滑杆竖井式取水装置结构图为实现取水管路的除藻及反吹功能，系统中取水泵选用的是自吸泵。取水泵采用双泵双管互为备份的方式。双泵双管即两台水泵并联在输水管路上使用，当一台水泵遇故障后立即自动切换到另外一台水泵工作，并自动报警，通知管理人员进行检修。取水管路中取水浮台连接管路采用高性能盘丝管，高于最高水位部分采用高性能PPR硬管连接至室内；室内配水管路也采用高性能PPR硬管。浮台支架、输水管路进行可靠的固定,保证在汛期和枯水期均能正常工作并不至被破坏。为保证系统在冬季正常取水，防止管路受冻，每次系统运行完成后都会对管路进行吹气、排空；部分室外管路采用保温材料来保温。配水管路中安装有压力传感器，通过监测管内压力判断系统取水是否成功。系统采用一体化组柜结构，管路布置合理美观，在球阀联接处及重要部位装有活接头，以方便对管路及设备进行维护和更换。（2）配水部分构成配水单元主要由进样分流器、配水管路等组成。在配水管路单元构成如下表。表2预处理及配水单元构成表功能模块名称功能说明进样分流器控制分流进样配水管路室内配水管路及阀门，控制水流方向图3-4配水部分示意图如图所示，配水部分将源水分为三支路：一支路经桶式沉沙池、竖式过滤器，进样分流器进入总磷、氨氮、总氮、高锰酸盐指数、VOC、生物毒性等水质分析仪表；第二支路进入多参数测量桶，为多参数分析仪提供水样；第三路由系统控制进入自动留样器。3.1.4预处理单元为保证监测数据的准确性，延长仪表的使用寿命，水样在进入分析仪表前须进行预处理。水样预处理单元主要由多参数测量池、桶式沉沙池、竖式过滤器等控制部件组成，预处理单元安装在预处理单元机柜内。预处理单元流程图如下所示：图3-5预处理单元流程图水质多参数（包括水温、pH、浊度、溶解氧、电导率）要求使用源水，水流流速设定应满足溶解氧和浊度的测定要求。为延长多参数分析仪保养周期,系统在测量完成后自动将多参数测量池充满清水，以便对多参数传感器进行清水保养，减少多参数传感器的维护工作量。水样在桶式沉沙池自然沉降30分钟（时间可设置）后，再经过滤器后进入高锰酸盐指数、总磷、氨氮、总氮、VOC、生物毒性等在线分析仪表。3.1.5系统控制单元控制单元实现对管路、电路的控制及数据的采集、传输工作，主要由工控机、PLC电气控制系统的现场控制、各类阀门管路传感器等部件组成。控制单元按照预先设定的程序负责完成系统的采水配水控制，启动各仪器测试、标定、超标自动留样、清洗、除藻、反冲洗等一系列的动作。图3-6主要控制过程图控制单元由工控机来实现水质自动监测站的控制、数据读取、存储、处理工作。工控机是工业级的控制计算机，适合在恶劣的工业环境下使用，具有较强的扩展性和可靠性，内部有扩展插槽，方便的进行各种硬件的扩展。系统中工控机实现分析数据的采集、数据通讯、数据存储、控制时序设定、数据查询及处理等功能。工控机直接安装在控制柜内，数据及图表显示直观方便，可在机架上操作键盘。系统控制单元主要功能如下：1）自动运行功能：系统以顺控流程的方式逐一测量各指标，实现系统的取水、预处理、留样、水量水质参数监测分析、清洗、反冲、除藻、排水等流程的控制，能分别实现自动与手动控制；具有定时启动、数据判断智能切换运行程序启动运行、远程指令控制等实现系统自动运行的功能；2）实现各类监测信息的采集、处理、储存、显示、查询、配置、设置、传输等功能，具备监测数据超限与设备故障自动报警功能，能实现现地及远程对主要运行参数和控制流程的配置及修改功能，如系统流程设置、时序逻辑、过程点、故障显示方式、故障处理方式、采样时间、监测频次、报警指标等；能够实现远程故障的检测判断和运维支持；3）能实时监测分析仪表的运行状态，记录各仪表的试剂使用量，试剂量低于警戒线或试剂过期能发出报警信息，提醒工作人员及时更换试剂；4）具备各类报表及图形显示功能，能直观显示实时信息、报警信息、统计报表、系统运行状态等各类信息，要求界面友好、操作方便；5）预留标准信号接口，方便扩充信息的采集，所有监测信息存储一年以上，具备分级用户管理和系统日志管理功能；详细控制过程见下图：图3-7系统控制步骤4控制软件设计水质自动监测站现场应用软件主要包括：水质系统监控操作组态软件、PLC时序控制软件。PLC时序控制主要接受实时监控应用软件中流程命令，开闭电动球阀，并接受所有阀门及其他开关信号，反馈给实水质系统监控操作组态软件进行判断。水质系统监控操作组态软件是为标准自动监测站开发的现场专用水质系统监控组态软件，适用于嵌入式现场监控工业计算机控制柜。1、组成软件主要分为实时数据采集、数据处理存储、运行控制画面组态监视、数据通信、数据查询与显示、控制流程配置与管理、运行控制管理、手工测试与管理、通信监视与管理、组态管理、用户权限管理、安全与日志管理等功能模块。2、模块功能设计（1）实时数据采集、处理及存储数据采集。实时采集各种仪表数据、电气控制、PLC、或其他类型传感器的数据；设备控制。控制命令缓存和下发。将组态软件发送的控制指令根据设备的规约下发到设备，并监视设备的指令执行状态；实时数据管理。在内存中建立测点信息（测点名、量程、单位、实时值等），按测点名建立索引表，支持按测点名称快速存取；数据计算。对采集的原始数据，按相应的公式进行计算。采用嵌入式脚本自定义计算公式；事故日志处理。对于水质流程运行过程中出现的各类故障生成记录；写历史数据库。将数据写入到历史数据库；远程控制指令响应。按通信协议规定响应远程控制指令，并按要求完成相应操作。与组态软件交互数据。通过TCP协议与组态软件通讯。支持组态软件获取数据、发送控制命名、数据查询等功能。断点续传。即当与数据服务器的网络中断后，本地缓存数据，当与数据服务器的网络连接恢复后，将缓存的数据上传到数据服务器；无人值守。支持7*24小时工作模式。（2）运行控制画面组态监视运行控制画面组态监视模块主要实现监测过程与数据的图形化显示，以组态图形式动态模拟的方式显示当前状态、过程描述、重要监测参数，测量参数以列表方式固定显示在主窗口，设备运行状态通过组态定义在流程图中动态显示。（3）数据通信数据通信模块实现测站监测数据与状态数据的传输功能，并能响应远程的功能指令，实现远程查询、远程参数设置、远程控制管理等功能。数据传输要求使用符合国家与行业标准的通信协议，并可按实际要求进行灵活的扩展。（4）数据查询与显示数据查询与显示模块实现所有监测数据、报警信息的查询功能，以列表或图形的方式进行显示。提供历史数据查询显示功能，提供数据导出功能，提供灵活的扩展功能。（5）数据查询列表自定义设置实现自定义维护数据列表的显示功能。可以更加灵活的来控制软件信息的查询以及显示。（6）控制流程配置与管理控制流程配置与管理模块实现水质自动监测流程的配置化管理，可实现对水质站流程、时序逻辑等的设置，过程定义内容包括正常步序、异常步序、步序说明、指令说明、步序延时等，以可视化的方式灵活配置与管理水质自动监测管理流程。（7）流程的自定义实现可以根据需求自己自定义组建流程，并且实现部分自动化设置，例如数据手动通信测试、数据模拟采集测试、单/分步过程控制测试、PLC类状态点测试、分析仪表通讯测试等手工测试与管理功能。（8）运行控制管理运行控制管理模块实现站点编号、站点名称、站点信息、监测参数等测站基本参数，以及动态的维护运行参数的设置和管理。（9）通信监视与管理通信监视与管理模块实现测站内与远程通信状态的监视、参数设置、配置管理等功能。5结论水质在线监测系统可以实现监测自动化、实现水污染的预警预报，对于防止污染事件的进一步发展可起到至关重要