自来水自动采样留样仪设计及实现

李浩然，王 赛，沈 彦

(上海市西派埃智能化系统有限公司，上海 200233)

0 引言

自来水是人们日常生活中不可或缺的基本物质之一。自来水厂的水质是人民健康安全的基本保障。根据《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)和水厂实际情况，水厂会每隔1 h对出厂自来水进行采样留样，并在2～6 ℃的冷藏环境中保存样品24 h，方便化验人员随时对于前24 h内任何时间点水样进行抽检化验[1]。

国内当前市场上针对水质采样的设备多数为采集地表水、湖泊河流等。这种采样设备在遭遇恶劣天气时，会面临采样困难甚至无法采样的困境[2]。目前，国外水质采样设备同样聚集于地表水以及湖泊河流等，通过蠕动泵驱动平静的水面或者湖泊采集水样。其采用的方式和目前国内的相近，对于自来水采样方面并没有对应的智能化设备[3]。

目前，针对水厂自来水的采样设备屈指可数。水厂自来水采集通常用采样瓶开盖采样，依然需要人力每天担负此工作。此外，自来水样品与空气接触时间长会导致水质出现变化。

通过对于以上现状分析，得出以下问题：①目前采样设备集中于地表水采样，缺乏自来水的智能化采样设备；②自来水需24 h不间断采样以及留存24 h，人工采样方式会存在疏漏；③现有装置采样的自来水样品与空气接触时间长，会导致水质出现变化。

本文针对以上问题设计了水厂自动采样留样装置及方法[4]，并阐述了其在水厂采样留样工作中起到的作用。该研究可有效推进水厂在工业互联网方向的发展。

1 硬件设计

本文依据上述问题以及行业标准，从在线采样、流量等比例采样、分瓶采样、真空密封保存等方面进行自来水自动采样留样仪的设计[5-6]。

1.1 硬件整体设计

自来水自动采样留样仪设计框图如图1所示。

图1 自来水自动采样留样仪设计框图

自来水采样留样仪由冷藏柜、采样器、留样水袋、触摸屏等组成。采样器整体分为上下两层。上层有13个留样水袋。下层有12个留样水袋。共计25个留样水袋按照时间顺序(0～23点)排布，最后1个作为超标留样使用。固定架与冷藏柜固定连接，固定架的上侧和下侧与冷藏柜之间分别设有滑轨与采样器进行滑轨式连接。总进水阀与进水端连接的一端设有用于测量水压的水压表，另一端设有进水流量传感器。排水泵的进水口设有排水流量传感器。冷藏柜底部朝采样器的一侧设有漏水探测器，用于检测自来水自动采样留样仪是否出现漏水。

1.2 控制硬件设计

硬件系统采用以SIMATIC S7-1200 控制器为核心的控制继电器、交换机、报警器和漏水探测器等硬件。控制硬件设计框架如图2所示。

图2 控制硬件设计框架图

触摸屏作为可视化界面，可进行人机交互，显示当前时间日期、温湿度以及工作进度，并可手动操控定点进排水。SIMATIC S7-1200控制器通过继电器信号控制电磁阀和排水泵的通断，从而控制每个时间点的进排水情况。

继电器是保护电路、安全隔离的自动化设备电路中的自动开关元件，既可以作为输入部分又可以作为输出部分，在上端和下端之间起到承上启下的保护电路作用[7]。

交换机是电信号转发设备。编写好的程序通过交换机(网线连接传输)下载传输到设备中进行信息传输。由于交换机供电为5 V，所以需要5 V电源转换器将24 V转为5 V。

进水和排水流量传感器可以检测在进水和排水时是否有水流通过，以此判断当前进排水有无故障。当进水和排水流量传感器出现异常时，进水和排水流量传感器将采集信息传输到控制器，随后与触摸屏进行交互显示以提醒出现异常。

漏水探测器用于判断装置是否漏水。当其检测到漏水，将信号传输到控制器，再由控制器将信号传输到报警器进行报警。温湿度探测器用于监测设备内温湿度。

2 软件设计

自来水采样留样仪软件设计主要分为上位机监控和下位机控制两部分。软件逻辑框架如图3所示。上位机主要监控设备状态以及下发水质超标信号。下位机主要分为手动模式和自动模式。

图3 软件逻辑框架图

2.1 上位机

如图3左侧所示，上位机上接制造执行系统(manufacturing excution system,MES)、下接下位机，使数据整体连通。

上位机监控的本质是为了监控设备的运行状况以及远程操控，因此对于监控界面的设计要求简洁明了、方便操作。上位机界面可以实时显示设备的状态和数据等信息，设计人机交互操作方式，通过上位机对下位机进行控制[8]。上位机主要显示4个方面的内容，分别为温湿度以及进排水流量的实时数据、当前设备运行状况、采样进度、是否有超标采样样品。

上位机与下位机之间的通信是将上位机和下位机接入同网段通过设置进行IP通信，设定对应的通信协议和对应点位。上位机直接拉入对应数据。

自来水作为居民生活用水，水质把控不容马虎。水厂需要随时做好紧急状况的应对策略。紧急采样是查出原因的第一步。当发现出厂水质有问题，水厂通过下发采样指令，由设备对当前出厂水进行超标采样。

2.2 下位机

如图3右侧所示，下位机主要处理自动循环采样和现场手动采样。现场手动采样通过触摸屏对每个时间点的水袋进行单独控制，在触摸屏上输入设置对应时间点，以控制对应电磁阀通断，从而达到对应水袋采样的目的。

自动循环采样无需人工操作，由自动采样、模拟信号处理以及报警三部分组成。

(1)自动采样逻辑。

①排空旧样品水。在预设采样时间控制对应的采样通道工作，打开对应的排水电磁阀和抽水泵，将对应的仿生真空水袋抽成真空状态。

②清洗仿生真空水袋。关闭对应的排水电磁阀和抽水泵以及常出口电磁阀，打开对应的进水电磁阀，注入新样品水，清洗仿生真空水袋。

③排空用于清洗的新样品水。关闭对应的进水电磁阀，打开对应的排水电磁阀和抽水泵，以及常出口电磁阀，将对应的仿生真空水袋抽成真空状态。

④采集新样品水。关闭对应的排水电磁阀和抽水泵，以及常出口电磁阀，打开对应的进水电磁阀，注入新样品水。

⑤关闭对应的进水电磁阀，打开常出口电磁阀。

(2)模拟信号处理逻辑。

模拟信号数据主要由4个传感器采集，分别为温度探测器、湿度探测器、进水流量传感器和排水流量传感器。传感器和探测器将采集到的温度、湿度、流量等数据转化为模拟信号(电压信号/电流信号)。SIMATIC S7-1200控制器对模拟信号进行A/D转换，将数字信号与触摸屏进行交互传输，记录生成表单并作可视化处理。

(3)报警逻辑。

设备可以通过故障报警及时反映设备的运行状况，也可以将报警记录生成表单。这些记录可以反映设备的不足和改进方向，从而促进迭代升级。

设备报警通过漏水探测器来检测是否存在漏水状况。当出现漏水，漏水探测器将发出信号。信号传递到SIMATIC S7-1200控制器。SIMATIC S7-1200控制器对报警器下发指令进行报警，并与触摸屏进行交互以生成报警表单，便于后续对数据进行分析。

3 应用分析及展望

3.1 现场运行测试

自来水厂对于自来水出厂质量控制严格。自来水自动采样留样仪在现场运行超过一年，帮助水厂实现自来水自动化精准采样及保存，并与水厂上位机实现对接控制。投用一年内，自来水自动采样留样仪的应用成效获水厂工作人员一致好评。

3.1.1 采样量稳定

水厂的出水压力每天均会出现浮动。自来水采样留样仪在实际运行中采样量稳定。采样量与出厂压力数据如表1所示。

表1 采样量与出厂压力数据

3.1.2 温湿度监测

当前设备现场运行环境温度一直保持在2～6 ℃，而自来水样品存储时间不宜过长。因此，温湿度检测功能对于样品保存环境的记录很有必要。

3.1.3 超标自动采样

水厂内部会对自来水出水的水质进行实时监测。当水质检测出问题时，上位机可以对自来水采样留样仪下发指令进行超标留样，留存于第二十五个袋子。工作人员将超标留样水袋取走，并更换、安装新水袋。这将为市民的生活用水构筑起保障，能及时、尽早发现问题并进行检测复核。

3.1.4 全程真空保存

自来水留样采样仪直接连接出厂水的水龙头，进入采集器。内部采样保存样品全程密封，确保样品不与外界空气接触。这就保证了水质的原始状态，有利于后续样品检测的准确性。

3.2 展望

工厂目前正在对可替代的重复性工作进行仪器设备代替。智能化设备可以帮助工厂提升整体控制管理效率。

将现有的工作进行简单数字化复制，并不能解决问题。切实地从制造业内部去发现问题、解决问题，解放被浪费的人力资源，更精准地对设备进行管理，才是数字化转型的关键。自来水留样采样仪从根本上解决了重复性工作带来的人力资源浪费。其具备的设备运行数据采集与上位机的交互显示功能也在彰显数字化设备的发展方向。

当前，我国正进入工业互联网高速发展阶段，工业互联网平台的应用场景不断丰富，接入平台设备数量持续上升。现有重点工业互联网平台设备连接数量已突破7 000万台，并且设备种类由单一逐渐向多元化发展。重点平台连接设备涉及电力、交通、电工/电子、冶炼、仪器仪表等十几个重点行业。因此，智能化设备在协助工业互联网化方面的效果显而易见[9-11]。

当前，自来水自动采样留样仪可实现与上位机的数据互通和联控。下一步是将数据以及3D模型接入工厂数字孪生平台。数据信息及表单将通过TCP/IP、Http、Socket传输到数字孪生平台，与整厂控制及管理集成一体。未来，整厂的数字孪生平台也可以定位到设备现场，实现远程查看现场情况。工业互联网平台发展也必定是向数字孪生的方向不断拓展深化。

4 结论

自来水自动采样留样仪主要是针对自来水厂出厂水的留样问题所作的设计。本文结合水厂实际情况要求和《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)，在自来水自动采集留样仪中设计了24 h整点自动采样模式和超标自动留样模式。自来水自动采样留样仪一方面将人力从重复繁琐的工作中释放出来，另一方面有助于自来水厂在工业互联网平台方面更加完善的发展。