基于PLC的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張 偉 戴建坤 許春蓮 王文君 趙秀芹 白 璐

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院工程設(shè)計(jì)研究中心，北京 100012)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境技術(shù)管理中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)出的是實(shí)時(shí)污染物數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法從采樣點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸過(guò)程中污染物的變化，省掉取樣后添加保護(hù)劑的麻煩[1]。同時(shí)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器帶有的RS232或RS485接口[2]，能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)及時(shí)遠(yuǎn)程傳輸?shù)缴霞?jí)主管部門，提高了環(huán)境監(jiān)管的速度和力度，對(duì)于環(huán)境管理來(lái)說(shuō)，是一個(gè)新的突破。

目前，我國(guó)正在進(jìn)行環(huán)境技術(shù)管理體系建設(shè)，其中重要的一項(xiàng)就是完善環(huán)境的技術(shù)評(píng)估規(guī)程、方法和手段[3]。而水污染防治技術(shù)驗(yàn)證評(píng)估移動(dòng)工作站是進(jìn)行環(huán)境技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試、實(shí)現(xiàn)環(huán)境技術(shù)評(píng)估的重要工具和手段[4]。為了實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)和環(huán)境技術(shù)管理工藝全過(guò)程的多點(diǎn)連續(xù)水質(zhì)指標(biāo)測(cè)試，筆者基于PLC，設(shè)計(jì)了集自動(dòng)采樣、在線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理為一體的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并安裝于驗(yàn)證評(píng)估移動(dòng)工作站內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和測(cè)試評(píng)估。

1 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)①

驗(yàn)證評(píng)估移動(dòng)工作站針對(duì)工業(yè)廢水和城市生活污水生物處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試評(píng)估。由于工業(yè)廢水具有水質(zhì)參數(shù)范圍大、含油且含高濃度難降解有機(jī)物的特點(diǎn)，依據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)體系[5]、生物處理技術(shù)的特征和現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，筆者選擇CODCr、氨氮、總磷/總氮和5個(gè)參數(shù)(溫度、pH值、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率和濁度)作為在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

1.1 組成

基于PLC的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用二級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)污水處理在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行集中管理和分散控制[6]，由采樣單元、分析和預(yù)處理單元、配水單元、清洗單元、數(shù)據(jù)采集與PLC控制單元組成。采樣單元包括采水裝置(水泵)、輸送管道、供電及安裝結(jié)構(gòu)等；分析和預(yù)處理單元包括在線水質(zhì)分析儀、逆水流過(guò)濾器、濾網(wǎng)、位移傳感器、電動(dòng)球閥、集水稀釋水箱等設(shè)備及其安裝結(jié)構(gòu)組件；配水單元包括溢流瓶、測(cè)量池、取樣泵及電磁閥等設(shè)備；清洗單元包括清洗水箱、沖洗水泵、電磁閥和安裝結(jié)構(gòu)組件；數(shù)據(jù)采集與PLC控制單元主要由工控機(jī)、PLC、傳感器、執(zhí)行器件、線路保護(hù)器和基站的相關(guān)軟件組成。系統(tǒng)各儀器設(shè)備的安裝布置如圖1所示。

1.2 工作原理

基于PLC的在線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。采樣單元將被測(cè)水由工藝現(xiàn)場(chǎng)泵送入集水箱，經(jīng)配水單元進(jìn)入預(yù)處理單元對(duì)水樣處理后，進(jìn)入各水質(zhì)分析儀的測(cè)量池(或溢流瓶)，分析單元將分配來(lái)的水樣按國(guó)標(biāo)進(jìn)行化學(xué)分析，將分析結(jié)果通過(guò)RS485傳輸給數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行處理保存?？刂茊卧蒔LC和工控機(jī)進(jìn)行控制，并通過(guò)清洗單元對(duì)預(yù)處理和配水單元進(jìn)行清洗反沖，保證預(yù)處理單元和配水單元的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，降低水樣的失真率。

圖1 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝布置示意圖

圖2 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理

1.3 采樣單元

采樣單元是后續(xù)分析測(cè)試系統(tǒng)溫度運(yùn)行的保障和基礎(chǔ)。實(shí)際廢水類型多樣且成分復(fù)雜，移動(dòng)工作站在采樣過(guò)程中通常需要進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送，且要進(jìn)行多點(diǎn)采樣，這對(duì)輸送管道和采樣水泵的要求都比較高。選擇合適的泵型以及合理的管路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)廢水長(zhǎng)距離(300～500m)輸送，對(duì)采樣單元的設(shè)計(jì)成功至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的采樣方式進(jìn)行了對(duì)比。為獲得方便簡(jiǎn)潔的采樣單元，設(shè)計(jì)了兩種取樣單元方案：一是采用一臺(tái)自吸泵，通過(guò)4個(gè)閥門與4條進(jìn)水管路相連，構(gòu)成可連續(xù)對(duì)4點(diǎn)采樣的單元；二是采用4臺(tái)采樣水泵分別與4條進(jìn)水管路相連，組成可對(duì)4點(diǎn)連續(xù)采樣的單元。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案一相對(duì)簡(jiǎn)單易行，但當(dāng)采樣距離大于50m時(shí)，由于管路密封及摩擦力等原因，使得自吸泵吸取到水樣的時(shí)間增長(zhǎng)(約10min)，且吸取到的水樣量少，內(nèi)部泡沫較多，影響了水樣的預(yù)處理和水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，因此該方案不適合水樣的長(zhǎng)距離輸送；方案二需要的采樣水泵較多，且需分別設(shè)置電源線路和輸送管路，但采樣距離受限較小(200m以上)，采樣時(shí)間較快，廢水長(zhǎng)期在管道中運(yùn)行，不易產(chǎn)生如淤泥淤積及沉淀物結(jié)晶等堵塞問(wèn)題，因此最終選擇方案二設(shè)計(jì)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣單元。

1.4 分析單元

1.4.1在線儀器選擇

為了保證驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)中的CODCr、氨氮、總磷/總氮采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法。將原在線分析儀器與自控和預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行有效集成，組成了可準(zhǔn)確、高效進(jìn)行在線分析的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了更好地達(dá)到驗(yàn)證評(píng)估移動(dòng)工作站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，對(duì)不同品牌的在線監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行了實(shí)地考察，對(duì)正在使用中的不同廠家的在線儀器做了對(duì)比，考慮到移動(dòng)工作站的實(shí)際情況，最終選擇了美國(guó)HACH公司生產(chǎn)的CODCr在線分析儀(CODmax型)[5]、氨氮在線分析儀(Amtax compact型)、總磷/總氮在線分析儀(NPW150型)和5參數(shù)分析儀(SC1000)(pH電極PD1RI、溫度可由pH探頭內(nèi)置溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量、DO電極5790000、電導(dǎo)率探頭D3725E2T、濁度探頭LXV423.99.10000)。

1.4.2預(yù)處理

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于廢水中含有大量活性污泥、油類及其他懸浮物等，如不進(jìn)行預(yù)處理，將嚴(yán)重影響在線儀器的測(cè)試，甚至造成儀器的損壞，同時(shí)也影響水質(zhì)成分的分析。因此在進(jìn)行廢水水質(zhì)分析前，需對(duì)廢水進(jìn)行合理的預(yù)處理[5]。通過(guò)反復(fù)對(duì)比現(xiàn)有的預(yù)處理系統(tǒng)，考察各種預(yù)處理設(shè)備的優(yōu)、缺點(diǎn)，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)改造設(shè)計(jì)了能為驗(yàn)證評(píng)估移動(dòng)工作站在線監(jiān)測(cè)分析儀器提供滿足要求水樣的預(yù)處理系統(tǒng)，具體如下：

a. 氨氮在線監(jiān)測(cè)儀水樣預(yù)處理裝置。由于氨氮在線監(jiān)測(cè)儀采用納氏比色法進(jìn)行分析測(cè)試，在樣品分析前，需對(duì)水樣中的懸浮物進(jìn)行有效過(guò)濾，因此在設(shè)計(jì)中不僅采用了可去除水樣中泥沙等大顆粒物質(zhì)的逆水流過(guò)濾器，同時(shí)也采用了精密過(guò)濾器(可根據(jù)廢水水質(zhì)特點(diǎn)更換不同目數(shù)的濾網(wǎng))。

b.CODCr在線監(jiān)測(cè)儀水樣預(yù)處理裝置。由于水樣中的懸浮物是CODCr的重要組成部分，因此在進(jìn)行水樣預(yù)處理時(shí)，該部分不能被去除。然而在實(shí)驗(yàn)室分析CODCr時(shí)一般需將水樣靜置一段時(shí)間，以去除水樣中的大塊不均勻物質(zhì)及泥沙等?；诖?，在設(shè)計(jì)CODCr在線監(jiān)測(cè)儀水樣預(yù)處理裝置時(shí)，采用了Y型過(guò)濾器替代氨氮在線監(jiān)測(cè)儀水樣預(yù)處理裝置中的精密過(guò)濾器，這不僅可以有效過(guò)濾大塊不均勻物質(zhì)，而且不易堵塞。

c. 總磷/總氮在線監(jiān)測(cè)儀水樣預(yù)處理裝置。在進(jìn)行總磷/總氮分析測(cè)試時(shí)，需對(duì)水樣進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰员ＷC水樣的均勻性。在該預(yù)處理裝置中設(shè)計(jì)的逆水流過(guò)濾器雖可去除較大的顆粒物和泥沙，但對(duì)大塊不均勻且密度較低的物質(zhì)(如活性污泥及絮凝物等)難以去除。基于總磷/總氮國(guó)標(biāo)分析法原理，在水樣經(jīng)過(guò)逆水流過(guò)濾器后，設(shè)計(jì)有膜過(guò)濾器，既保證不堵塞分析儀的管路，同時(shí)也保證了水樣的均一性。

1.5 PLC控制單元

根據(jù)集中操作管理、分散控制的設(shè)計(jì)思想，將自控系統(tǒng)按分布式結(jié)構(gòu)分為3層：中央控制層(操作站/上位機(jī))、現(xiàn)場(chǎng)控制層(PLC/下位機(jī))和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層[7]。現(xiàn)場(chǎng)控制層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。主要包括研華工控機(jī)及數(shù)據(jù)采集卡等，采用西門子PLC(CPU S7-224CN，控制模塊為EM-223CN和EM-231CN)和RS-485通信方式。PLC通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，通過(guò)Profibus總線與各執(zhí)行設(shè)備互連[8，9]。

按照水污染防治生物處理技術(shù)驗(yàn)證評(píng)估指標(biāo)體系和方法的要求[4]，針對(duì)污水生物處理技術(shù)工藝現(xiàn)場(chǎng)的各流程段分別設(shè)置取樣點(diǎn)并放置取樣泵。PLC按照驗(yàn)證評(píng)估方法控制工藝現(xiàn)場(chǎng)不同工藝段取樣泵的啟/停，取樣泵依次輸送多點(diǎn)水樣至在線水質(zhì)分析儀，在線水質(zhì)分析儀通過(guò)對(duì)水樣檢測(cè)分析得出CODCr、氨氮、總磷及總氮等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。工作流程如圖3所示，采集在線水質(zhì)分析儀得出的水樣數(shù)據(jù)并傳輸?shù)焦た貦C(jī)，由工控機(jī)傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成數(shù)據(jù)信息的采集工作。數(shù)據(jù)分析處理裝置的后臺(tái)服務(wù)器是SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)，接收到數(shù)據(jù)信息后，根據(jù)管理監(jiān)控單元的指令對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算；管理者可以在計(jì)算機(jī)上查閱并分析相關(guān)數(shù)據(jù)。按照指標(biāo)體系的要求，數(shù)據(jù)分析處理裝置對(duì)采集到的水質(zhì)參數(shù)加以處理，得出污水生物處理技術(shù)工藝的各項(xiàng)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)，如不同流量下的水質(zhì)處理結(jié)果對(duì)比，不同取樣點(diǎn)的同一水質(zhì)參數(shù)變化趨勢(shì)，同一取樣點(diǎn)的不同水質(zhì)參數(shù)顯示，以及某一工藝段不同水質(zhì)參數(shù)相對(duì)前一個(gè)工藝段的處理率等，從而客觀地驗(yàn)證評(píng)估生物處理技術(shù)。

圖3 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

監(jiān)控畫面采用DL Composer編程實(shí)現(xiàn)，可以與PLC通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換、啟/停和設(shè)備故障報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)有豐富友好的圖形監(jiān)視界面，主要工藝流程畫面以組態(tài)模擬顯示，提供了簡(jiǎn)潔實(shí)用的中文信息處理，方便值班人員實(shí)時(shí)監(jiān)控操作。在滿足工藝設(shè)備運(yùn)行的前提下，盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并保證了系統(tǒng)的可操作性。

2 運(yùn)行結(jié)果分析

應(yīng)用筆者設(shè)計(jì)的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行兩項(xiàng)環(huán)境保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試，原水采用城市生活污水，選取原水、中間工藝段1、中間工藝段2和出水4個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)采樣分析測(cè)試。根據(jù)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器的運(yùn)行周期，確定每6h為一個(gè)周期，每天進(jìn)行4次連續(xù)監(jiān)測(cè)，在每個(gè)周期內(nèi)完成4個(gè)取樣點(diǎn)的水樣分析。

經(jīng)過(guò)為期6個(gè)月的驗(yàn)證測(cè)試，除去設(shè)備故障或客觀因素導(dǎo)致沒(méi)有足夠的水樣供儀器分析外，共獲得測(cè)試數(shù)據(jù)3 780個(gè)，其中384個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)與專業(yè)測(cè)試公司進(jìn)行平行樣本測(cè)試對(duì)比，水質(zhì)指標(biāo)平均誤差率約±10%。同時(shí)。將實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)與在線儀器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)雖然存在差異，但是監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠保持一定的相關(guān)性，而且部分誤差基本上能夠控制在±10%以內(nèi)，這說(shuō)明使用在線監(jiān)測(cè)儀器對(duì)廢水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果可以很好地反映廢水的真實(shí)情況[10]。以原水COD的人工測(cè)試與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比為例，誤差范圍在±12%，結(jié)果如圖4所示，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的分析結(jié)果滿足驗(yàn)證評(píng)估要求。

圖4 原水COD測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的在線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集PLC技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、預(yù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)于一體，采用分散控制、集中管理、綜合監(jiān)控的模式，較準(zhǔn)確地驗(yàn)證評(píng)估了城市生活污水樣本中CODCr、氨氮、總磷及總氮等水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試的自動(dòng)化程度。在某水污染防治技術(shù)驗(yàn)證評(píng)估移動(dòng)工作站配置在線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之后，能夠?qū)I(yè)廢水和生活污水處理過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得可靠又準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)，為我國(guó)水環(huán)境技術(shù)驗(yàn)證的推廣具有積極意義。