水质在线监测及自动化控制系统的设计研究

李 群

（厦门斯坦道科学仪器股份有限公司,福建 厦门 361008）

0 引言

近年来,检测仪器技术发展迅猛,推动了水质监测逐渐向自动化、智能化方向发展,但我国水质在线监测技术依旧存在着诸多问题亟待解决,同时,水质监测指标亦不断完善,呈现出多样化态势,如何避免二次污染的出现成为当前研究的重点,在此背景下生物在线监测技术出现。

1 系统设计方案

1.1 系统总体设计

水质在线检测及自动化控制系统主要由四部分组成,包括取、配水系统、监测仪以及监控系统。取样过程主要是借助PLC 控制,实现自动化（见图1）。水质参数数据的采集则是借助单片机控制AD 转换器、数据选择器来实现；而远程传输则以GPRS 模块为载体,对相关数据进行传输；远程监控系统则便于工作人员对监测参数、设备使用情况等进行实时监控,有利于提高工作效率。

图1 水质在线监测及采样自动控制系统结构框图

1.2 水质分析单元设计

1.2.1参数概述

在水质在线监测中,水温、pH 值、浑浊度、水位、溶解氧等项目发展已经非常成熟,而COD、氨氮、总磷、总氮等项目则是常规监测项目。本文所选取的水质监测参数为pH、氨氮、COD。

1.2.2pH 在线监测仪

在pH 测量中常用方法是电极法,以玻璃电极应用为例,公式如下：

式中：E表示电压,T表示温度。

电压与温度是pH 值的重要影响因素,因此在对pH 值进行精准测量时,需要补偿温度。本设计选用的是贝尔BPH-200 A 监测仪,该pH 计不仅可以实现精准测量,同时还能自动进行温度补偿,具有较高的稳定性[1]。

1.2.3氨氮在线分析仪

水体中若是氨氮超标会对人体和环境造成极大的危害,因此氨氮被列为我国水体环境监测的主要指标之一,通过其含量可以有效推断出水体的污染程度。目前,常规水质监测均采用比色法、水杨酸分光光度法。其原理是存在亚硝酸铁氰化钠条件下,氨氮与水杨酸盐-次氯酸盐发生反应会生成蓝色化合物,且氨氮含量将直接决定其色度。本设计中,选用Milli-Q Advantage A10 型纯水机,S200 K 型多参数测试仪以及LAMBDA25 型紫外可见分光光度计,同时配有10 mm～30 mm 比色皿。

1.2.4COD 分析仪

通常采用重络酸钾法（CODCr）测定,将过量的重络酸钾标准溶液精准加入到强酸性溶液中,通过加热回流使得水样中有机物氧化。过量重络酸钾以试亚铁灵作为指示剂,根据所消耗的重络酸钾溶液来计算出水样中的COD。本设计所选用的5B-5 型COD 在线分析仪,具有极强的稳定性,精准性高,同时还能自动校正和清洗,可以有效降低人工维护成本。

1.3 采配水系统设计

1.3.1采水系统设计

此采水系统必须要具备自动清洁功能,其设计如下：

一是管路排空。排空阀设计在管道最低点,当一个采样周期结束后,在PLC 控制下排空阀被打开,将会把水样完全排空。一旦系统出现异常,譬如停电、故障等,采水系统也会自主排水。

二是反向清洗。该系统中的增压泵主要是排放高压水,以达到清洗系统的目的。

三是高压辅助清洗。在高压作用下,水将会发生振动,从而加大其与管道的接触面,使得清洁面扩大,清洗更加彻底。

水泵作为采水系统的重要组成部分,其安全性将直接决定着系统的运行效率,在调节水流量时,通过调速泵能够快速调节,同时还能将相关信号反馈给系统,适合在线自动化监测系统。

1.3.2配水系统设计

根据标准分析方法和仪器对样品水的预处理要求,采取必要的预处理、清洗措施,除去水中的较大颗粒杂质和泥沙等干扰仪器的因素,将样品水自动分配到各个仪器,保证仪器的正常工作。因此,配水系统主要包括水样预处理装置和自动清洗装置。其中预处理系统主要功能是过滤,并起到静置作用,减少杂质堵塞管道的发生几率,从而对检测结果造成影响。当然,过滤器必须要符合相关要求,尽可能将过滤偏差将至最低[2]。

此外,在样品水处理上,除直接使用源水进行分析,还需要结合实际情况合理选择相应仪器；旁路系统位于取水管理中,在调节系统时主要是通过手动球阀进行,同时旁路系统也可以作为维护渠道；系统能够对管路进行清洗,避免污染,从而造成结果不精准；配水单元的所有操作均可通过控制单元实现运行控制,并可以实现远程控制。

1.3.3PLC 控制系统设计

本设计中接触器开闭主要是通过PLC 进行控制,进而控制电磁阀开闭,并对潜水泵、增压泵、采水泵、空压机、臭氧发生器等设备运行情况进行实时监控,以此来实现采配水、冲洗、臭氧除藻等（选配）过程的自动化控制,具体步骤如下：

一是水样采集。启动潜水泵,打开阀门,向沉降池注水,待水位达到检测点时,会自动向系统发送相关指令,此时阀门关系,潜水泵停止工作。

二是水样处理。静置水样,打开阀门,启动采水泵,取样池中水满后,水位计将会向系统传输信号,此时取样泵和阀门自动关闭。

三是水质分析。分析仪为自动化设备,可以对水质进行分析,并自动生成分析报告。

四是冲洗水道。阀门打开一段时间后,增压泵将会启动,高压水将会冲洗沉降池及水道,待一定时间后阀门自动关闭。

五是臭氧除藻。将阀门打开,空压机、臭氧发生器等设备随即启动,一段时间后设备关闭。

1.4 控制单元设计

1.4.1远程监控中心远程监控中心系统功能见图2。

图2 远程监控中心系统功能图

用户在登录操作界面时,必须要进行权限验证,若用户名与密码不正确,且错误3 次,那么为保证安全,登录界面将被锁定,同时在一定间隔时间后由管理员解除锁定。具体登录流程见图3。操作界面具有添加、删除监测点模块,且能够直观看到各个监测点的相关信息。

图3 系统登录流程图

1.4.2报警管理

远程服务中心可以对潜水泵、增压机、空压机、取样泵等设备的电流电压信息进行实时监控,当所监测的信息与系统设定参考值存在较大差异,或是当系统无法获取这些参数信息时,服务端就会立即发送警报,同时,监测设备自带报警功能,设备异常报警机制被触发,报警系统同步上传至中控。具体报警流程见图4。

图4 设备故障报警流程图

1.5 数据采集单元设计

本设计中GPRS 通信模块采用的是无线模块,该模块功耗较低,支持GPRS 双通道进行数据传输；同时还能采集串口设备数据,并支持远程设置和修改相关参数。

1.5.1数据采集

数据采集流程见图5。通过GPRS 通信对子监测点传输的水质pH 值、氨氮、COD 等数据进行自动接收,同时还能根据具体的站点生成对应的表格,并对历史数据进行保存,方便工作人员后期进行比对查询。

图5 数据采集流程图

在GPRS 通信模块运行前,需要对无线模块进行电源复位,当通信模块无网络连接时,将进行自主联网,直至连接成功；若连接成功,则进行数据传输,若连接不成功,模块将继续电源复位操作,直至连接上网络。模块传输数据的过程中,控制中心会对这些数据的安全性、合法性进行判定和评估,若是合法控制中心将进一步对数据进行相关处理；若是不合法则会向无线模块模块发送重新传输数据的指令。

1.5.2数据管理

远程监控中心服务器接收到数据信息后,人机交互界面将会以图表的形式呈现出相关数据,并且还能存储数据图表,便于今后进行查询。因此,需要定期更新人机交互界面。此外,当标志位发生变化、页面数据标志物发生变化都需要进行更新。此外,系统稳定可靠,具备自检及死机自动恢复功能；支持有线、无线、专用网络（VPN）通讯方式,具有校验功能的通讯协议,能够及时纠正传输错误的数据包,能按要求接受、处理和反馈远程控制命令,能够通过网络路由器实现与局域网或广域网的连接[3]。

2 结语

水资源短缺在很大程度上抑制了我国经济高质量发展,加之日益严峻的水污染形势,水质不达标情况愈发严重,加强水质监测已经刻不容缓、迫在眉睫。水质在线监测不仅促进维护水环境健康,同时为水环境污染防治提供数据支撑,为进一步实现绿水青山的可持续发展理念提供基础保障。总而言之,水质监测应用广泛较广,具有重要意义,前景广阔,值得我们深入研究。当前,监测技术还具有较大的提升空间,在线自动化监测必将成为主流趋势。