智能型水質(zhì)分層監(jiān)測裝置的設計

＊張敘綸 張雯* 鐘敏悅 李雄 衣志國

（1.浙江樹人大學生物與環(huán)境工程學院 浙江 310015 2.北京興成文緣電力設計有限公司 北京 102200 3.河北省秦皇島市石河水庫管理處 河北 066200）

在當前水資源受污染嚴重、水資源緊缺的大環(huán)境下，取水源的水質(zhì)是否達標成為了影響生產(chǎn)生活的重要因素之一。水庫作為重要的水源地，其水質(zhì)監(jiān)測是保證安全供水的主要措施。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，我國的水質(zhì)監(jiān)測方式已經(jīng)從人工取水樣分析轉(zhuǎn)變?yōu)樗|(zhì)監(jiān)測船、水質(zhì)監(jiān)測浮標等遠程監(jiān)控手段[1-2]，極大減少了人工成本。水質(zhì)監(jiān)測船可進行全自動采樣，幫助環(huán)境監(jiān)測站順利完成對水質(zhì)的檢查工作[3]，但此類平臺一般不具備自動分層監(jiān)測的功能。水體熱分層效應是具有一定水深的水庫的一個常見的、重要的物理分層現(xiàn)象[4-5]。中高緯度區(qū)的水體通常在夏季發(fā)生熱分層，其對水體水質(zhì)參數(shù)的垂向分布具有重要的影響，尤其在富營養(yǎng)化水體中表現(xiàn)的尤為突出。

以石河水庫為例，石河是河北省東北部的一條獨流入海河流，石河水庫于1975年6月竣工投入運用，工程等級為三等，主要永久建筑物為3級[6]。本團隊對石河水庫進行人工分層采樣，分別在水深為1m、5m、10m和15m水深進行了水文數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，石河水庫在不同季節(jié)，都具有明顯的水溫分層現(xiàn)象，造成上中下層水體具有明顯的溫度差異。水溫對其它水質(zhì)參數(shù)如溶解氧、pH值、化學需氧量和藻類生長情況都有較大的影響，是水文生態(tài)重要的影響因素[7]。這種水溫分層現(xiàn)象使庫區(qū)內(nèi)其它水質(zhì)參數(shù)如溶解氧（DO）、pH值、化學需氧量（COD）和葉綠素a等參數(shù)的分層。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在同一季節(jié)中，不同水層的水質(zhì)參數(shù)均有明顯差異，表層水體的溶氧值比底層水體平均高出30%，表明水體表層浮游生物和藻類含量較多；同時底層水體中的全年平均電導率值為表層水體的2倍，水體底部的鐵錳含量嚴重超標。作為北方的典型水庫，石河水庫的水體分層現(xiàn)象尤具代表性。在如此復雜的水質(zhì)環(huán)境下，如果還是籠統(tǒng)地進行單一水層取水已不可取，故需設計一種新型的水質(zhì)分層實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，完成水庫的水質(zhì)分層監(jiān)測任務。

1.智能型水質(zhì)分層實時在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

（1）機械設備。采用和潤起重100Kg單臂吊機，自行配備24V電動吊葫蘆驅(qū)動絞盤旋轉(zhuǎn)，牽引鋼索滑動，實現(xiàn)傳感器在水中的上升下降。

（2）綜合控制柜。由ABB電氣控制柜加裝匯線槽、接線端子、PLC安裝板、昆侖通態(tài)TPC7062TX嵌入式一體化觸摸屏、電氣主接線的控制柜，集成了電源管理、機電控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及人機交互界面功能。

（3）水質(zhì)監(jiān)測和氣象監(jiān)測。由水位傳感器獲取當前水位并上傳，配套采用集成水質(zhì)傳感器，同時進行水溫、pH、溶解氧、葉綠素a、濁度以及電導率常規(guī)參數(shù)檢測。壩體上方安裝氣象傳感器進行氣象參數(shù)監(jiān)測。傳感器各型號分別為WQ101水溫傳感器、WQ201pH傳感器、WQ-FDO光學溶解氧傳感器、PCH-800葉綠素傳感器、WQ-COND電導率傳感器、WL400水位傳感器和FRT FWS 600微型氣象站，均為知名品牌。

（4）無線傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸使用WG-8010 GPRS DTU子站來進行，通過設置DTU子站心跳包，使DTU子站永久在線，DTU完成注冊以后，即可與數(shù)據(jù)中心建立連接，并將DTU設置成采用TCP/IP協(xié)議透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ?，?shù)據(jù)中心的服務器采用流式套接字，DTU子站即可進入工作狀態(tài)。

（5）上位機平臺。本方案采用西門子S7-200 Smart的模擬數(shù)據(jù)采集模塊EM AE04模擬量擴展模塊來采集傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)DTU傳輸給上位機平臺，上位機平臺采用人機界面組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件構(gòu)成，既接收DTU上傳的數(shù)據(jù)，也可以直接實現(xiàn)組態(tài)編程的功能，對現(xiàn)場PLC進行遠程控制。

2.智能型水質(zhì)分層實時在線監(jiān)測系統(tǒng)運行

(1)PLC程序及機電運行情況

①PLC資料。本設備采用西門子S7-200 Smart作為機電控制的核心部分，西門子S7-200 Smart是在S7-200 PLC的基礎上發(fā)展起來的全新自動化控制產(chǎn)品，該產(chǎn)品提供I/O點數(shù)豐富的CPU模塊，可實現(xiàn)通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道的擴展，同時集成了以太網(wǎng)接口，可實現(xiàn)與其他CPU、觸摸屏模塊和計算機的通信組網(wǎng)，是小型自動化系統(tǒng)的理想選擇。

②模擬數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換。本設備另采用EM-AE04模擬量擴展模塊進行模擬數(shù)據(jù)采集，并對集成水質(zhì)傳感器以及氣象傳感器的模擬數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，其關(guān)鍵在于找到實際物理量與內(nèi)部數(shù)字量的關(guān)系，即首先列出折算公式，例如本設計中的水位傳感器最大測量深度為0-30m，輸出電流信號4-20mA，而EM-AE04量程為0-20mA，轉(zhuǎn)換數(shù)字量為0-27648，設轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為X，則根據(jù)分析，可列出下式，如公式（1）：

通過STEP 7-Micro/WIN SMART軟件中的“I-DI”和“DIR”兩個轉(zhuǎn)換模塊，即可將模擬數(shù)值轉(zhuǎn)換為實數(shù)，再經(jīng)“MULR”和“DIV-R”兩個計算模塊，即可求出實際水深P，單位為米。

③驅(qū)動電機。本設備采用24V電動吊葫蘆驅(qū)動絞盤，采購的電動吊葫蘆配備了電機驅(qū)動器，只需將PLC的輸出端子接入到電機驅(qū)動信號線上，即可使電機按照程序運轉(zhuǎn)，并做好接地處理，減少噪聲干擾。

④測量步驟。測量數(shù)據(jù)的精確程度，很大程度上取決于測量水層的單位深度，在本設計中，采用下的測量步驟：A.測量水面以下0.5m，以及水底以上0.5m的數(shù)據(jù)，得到具體水深（應考慮到季節(jié)引起的水位變化）；B.程序根據(jù)水深進行分層，并按照以米為單位進行分層；C.驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，按照具體分層進行測量。

(2)DTU配置數(shù)據(jù)傳輸

①DTU資料。WG-8010 GPRS DTU內(nèi)置工業(yè)GPRS無線模塊，提供標準RS232/485/422數(shù)據(jù)接口，可以方便的連接RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，用戶設備就可以與服務器端通過GPRS無線網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸；另外，用戶設備也可以利用DTU直接收發(fā)短信以及作為GSM MODEM連接上網(wǎng)。

②DTU參數(shù)配置。將DTU通過USB轉(zhuǎn)接線連接到電腦并設置好串口，啟動超級終端，在輸入界面輸入“AT”，界面顯示“OK”，說明超級終端程序與DTU連接成功，繼續(xù)輸入“AT^udpm=0”“AT^PKMD=1”“AT^delay=-1”將DTU設置為TCP協(xié)議、GPRS自動連接和數(shù)據(jù)透明傳輸格式。

進入COMWAY DTU配置軟件進行DTU配置，首先確認“DTU進入配置模式”，缺省參數(shù)為：波特率11520，數(shù)據(jù)位8位，校驗位無，停止位1。本設備采用兼容桑榮協(xié)議，在“終端識別ID號2”中填亞控組態(tài)王軟件的相關(guān)ID，并根據(jù)通信狀態(tài)設置心跳包時間間隔，維持GPRS通信。

③APN參數(shù)設置和運行設置。APN缺省設置為CMNET，選擇TCP協(xié)議，在更換運營商時可進行修改。本設備因?qū)嶋H情況需要，采用連續(xù)工作模式，以確保數(shù)據(jù)的實時性；同時，設備安裝地點距離數(shù)據(jù)監(jiān)控室較近，無需設置短信遠程配置功能，設備運行起來更為簡單可靠。

(3)上位機監(jiān)視與控制

本設備使用北京亞控組態(tài)王軟件搭建的上位機平臺進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，兼顧數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲、曲線顯示、表格生成和狀態(tài)顯示等功能。在監(jiān)控界面設置菜單欄進行數(shù)據(jù)和表格查詢，并設置手動停機、自動運行、手動上升、手動下降等按鈕，通過DTU向下位機發(fā)送相關(guān)指令，人為接管吊機，處理突發(fā)情況。

(4)電源運行管理

為防止220V電源因緊急情況失去供電功能，本設備同時利用兩塊12V 100W太陽能電池板串聯(lián)進行發(fā)電，并存儲在兩組蓄電池中，在緊急情況下，通過ATS自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進行電源切換，確保所有設備處于永久運行狀態(tài)。

3.結(jié)語

本設計通過采用精確傳感器對水體進行剖面分層數(shù)據(jù)采集并記錄，保證水庫水源用戶的經(jīng)濟效益。綜上所述，該系統(tǒng)具有良好的實時性和可靠性，能夠準確監(jiān)測水庫輸水洞水源地的分層水質(zhì)信息，實現(xiàn)控制雙向通信。應用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)工程特點，操控簡單，維修方便，避免了人力物力的大量浪費。該系統(tǒng)也適合應用于類似環(huán)境中，由于良好的工作能力，在大中小型水庫的水質(zhì)分層監(jiān)測工作以及后續(xù)的水庫水質(zhì)環(huán)境分析和預警、確定取水層方面，必將有更好的應用前景。