基于PLC的在線水質監測系統

張 偉 戴建坤 許春蓮 王文君 趙秀芹 白 璐

(中國環境科學研究院工程設計研究中心，北京 100012)

隨著科學技術的快速發展，水質在線自動監測儀器在水環境監測和環境技術管理中發揮著越來越重要的作用。水質在線自動監測儀器測出的是實時污染物數據，避免了傳統監測方法從采樣點到實驗室運輸過程中污染物的變化，省掉取樣后添加保護劑的麻煩[1]。同時水質在線自動監測儀器帶有的RS232或RS485接口[2]，能夠將監測到的數據及時遠程傳輸到上級主管部門，提高了環境監管的速度和力度，對于環境管理來說，是一個新的突破。

目前，我國正在進行環境技術管理體系建設，其中重要的一項就是完善環境的技術評估規程、方法和手段[3]。而水污染防治技術驗證評估移動工作站是進行環境技術現場驗證測試、實現環境技術評估的重要工具和手段[4]。為了實現水質的在線自動監測和環境技術管理工藝全過程的多點連續水質指標測試，筆者基于PLC，設計了集自動采樣、在線水質自動監測與數據處理為一體的在線水質監測系統，并安裝于驗證評估移動工作站內，以實現環境技術的現場驗證和測試評估。

1 在線水質監測系統①

驗證評估移動工作站針對工業廢水和城市生活污水生物處理技術應用現場進行驗證測試評估。由于工業廢水具有水質參數范圍大、含油且含高濃度難降解有機物的特點，依據設計的指標體系[5]、生物處理技術的特征和現有在線監測技術的現狀，筆者選擇CODCr、氨氮、總磷/總氮和5個參數(溫度、pH值、溶解氧(DO)、電導率和濁度)作為在線監測指標。

1.1 組成

基于PLC的在線水質監測系統采用二級分布式計算機控制系統，對污水處理在線監測進行集中管理和分散控制[6]，由采樣單元、分析和預處理單元、配水單元、清洗單元、數據采集與PLC控制單元組成。采樣單元包括采水裝置(水泵)、輸送管道、供電及安裝結構等；分析和預處理單元包括在線水質分析儀、逆水流過濾器、濾網、位移傳感器、電動球閥、集水稀釋水箱等設備及其安裝結構組件；配水單元包括溢流瓶、測量池、取樣泵及電磁閥等設備；清洗單元包括清洗水箱、沖洗水泵、電磁閥和安裝結構組件；數據采集與PLC控制單元主要由工控機、PLC、傳感器、執行器件、線路保護器和基站的相關軟件組成。系統各儀器設備的安裝布置如圖1所示。

1.2 工作原理

基于PLC的在線水質自動監測系統的工作原理如圖2所示。采樣單元將被測水由工藝現場泵送入集水箱，經配水單元進入預處理單元對水樣處理后，進入各水質分析儀的測量池(或溢流瓶)，分析單元將分配來的水樣按國標進行化學分析，將分析結果通過RS485傳輸給數據采集單元進行處理保存。控制單元由PLC和工控機進行控制，并通過清洗單元對預處理和配水單元進行清洗反沖，保證預處理單元和配水單元的長期穩定運行，降低水樣的失真率。

圖1 在線水質監測系統安裝布置示意圖

圖2 在線水質監測系統的工作原理

1.3 采樣單元

采樣單元是后續分析測試系統溫度運行的保障和基礎。實際廢水類型多樣且成分復雜，移動工作站在采樣過程中通常需要進行長距離輸送，且要進行多點采樣，這對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計，以實現廢水長距離(300～500m)輸送，對采樣單元的設計成功至關重要。通過實驗對不同的采樣方式進行了對比。為獲得方便簡潔的采樣單元，設計了兩種取樣單元方案：一是采用一臺自吸泵，通過4個閥門與4條進水管路相連，構成可連續對4點采樣的單元；二是采用4臺采樣水泵分別與4條進水管路相連，組成可對4點連續采樣的單元。

通過對比發現，方案一相對簡單易行，但當采樣距離大于50m時，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間增長(約10min)，且吸取到的水樣量少，內部泡沫較多，影響了水樣的預處理和水質指標的監測，因此該方案不適合水樣的長距離輸送；方案二需要的采樣水泵較多，且需分別設置電源線路和輸送管路，但采樣距離受限較小(200m以上)，采樣時間較快，廢水長期在管道中運行，不易產生如淤泥淤積及沉淀物結晶等堵塞問題，因此最終選擇方案二設計在線水質監測系統的采樣單元。

1.4 分析單元

1.4.1在線儀器選擇

為了保證驗證測試數據的準確性，在線監測指標中的CODCr、氨氮、總磷/總氮采用國家標準分析方法。將原在線分析儀器與自控和預處理系統進行有效集成，組成了可準確、高效進行在線分析的在線監測系統。為了更好地達到驗證評估移動工作站在線監測系統的要求，對不同品牌的在線監測儀器進行了實地考察，對正在使用中的不同廠家的在線儀器做了對比，考慮到移動工作站的實際情況，最終選擇了美國HACH公司生產的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5參數分析儀(SC1000)(pH電極PD1RI、溫度可由pH探頭內置溫度傳感器進行測量、DO電極5790000、電導率探頭D3725E2T、濁度探頭LXV423.99.10000)。

1.4.2預處理

實際測試過程中，由于廢水中含有大量活性污泥、油類及其他懸浮物等，如不進行預處理，將嚴重影響在線儀器的測試，甚至造成儀器的損壞，同時也影響水質成分的分析。因此在進行廢水水質分析前，需對廢水進行合理的預處理[5]。通過反復對比現有的預處理系統，考察各種預處理設備的優、缺點，在原有設備的基礎上，通過改造設計了能為驗證評估移動工作站在線監測分析儀器提供滿足要求水樣的預處理系統，具體如下：

a. 氨氮在線監測儀水樣預處理裝置。由于氨氮在線監測儀采用納氏比色法進行分析測試，在樣品分析前，需對水樣中的懸浮物進行有效過濾，因此在設計中不僅采用了可去除水樣中泥沙等大顆粒物質的逆水流過濾器，同時也采用了精密過濾器(可根據廢水水質特點更換不同目數的濾網)。

b.CODCr在線監測儀水樣預處理裝置。由于水樣中的懸浮物是CODCr的重要組成部分，因此在進行水樣預處理時，該部分不能被去除。然而在實驗室分析CODCr時一般需將水樣靜置一段時間，以去除水樣中的大塊不均勻物質及泥沙等。基于此，在設計CODCr在線監測儀水樣預處理裝置時，采用了Y型過濾器替代氨氮在線監測儀水樣預處理裝置中的精密過濾器，這不僅可以有效過濾大塊不均勻物質，而且不易堵塞。

c. 總磷/總氮在線監測儀水樣預處理裝置。在進行總磷/總氮分析測試時，需對水樣進行充分攪拌以保證水樣的均勻性。在該預處理裝置中設計的逆水流過濾器雖可去除較大的顆粒物和泥沙，但對大塊不均勻且密度較低的物質(如活性污泥及絮凝物等)難以去除。基于總磷/總氮國標分析法原理，在水樣經過逆水流過濾器后，設計有膜過濾器，既保證不堵塞分析儀的管路，同時也保證了水樣的均一性。

1.5 PLC控制單元

根據集中操作管理、分散控制的設計思想，將自控系統按分布式結構分為3層：中央控制層(操作站/上位機)、現場控制層(PLC/下位機)和現場設備層[7]。現場控制層負責現場儀表的數據采集和現場設備的監控。主要包括研華工控機及數據采集卡等，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通過以太網與上位機連接，通過Profibus總線與各執行設備互連[8，9]。

按照水污染防治生物處理技術驗證評估指標體系和方法的要求[4]，針對污水生物處理技術工藝現場的各流程段分別設置取樣點并放置取樣泵。PLC按照驗證評估方法控制工藝現場不同工藝段取樣泵的啟/停，取樣泵依次輸送多點水樣至在線水質分析儀，在線水質分析儀通過對水樣檢測分析得出CODCr、氨氮、總磷及總氮等實時數據。工作流程如圖3所示，采集在線水質分析儀得出的水樣數據并傳輸到工控機，由工控機傳輸至數據存儲器的數據庫中，完成數據信息的采集工作。數據分析處理裝置的后臺服務器是SQLServer數據庫，接收到數據信息后，根據管理監控單元的指令對其進行分析和計算；管理者可以在計算機上查閱并分析相關數據。按照指標體系的要求，數據分析處理裝置對采集到的水質參數加以處理，得出污水生物處理技術工藝的各項分析評價指標，如不同流量下的水質處理結果對比，不同取樣點的同一水質參數變化趨勢，同一取樣點的不同水質參數顯示，以及某一工藝段不同水質參數相對前一個工藝段的處理率等，從而客觀地驗證評估生物處理技術。

圖3 在線水質監測系統工作流程

監控畫面采用DL Composer編程實現，可以與PLC通信，實現現場設備的自動/手動轉換、啟/停和設備故障報警。系統設有豐富友好的圖形監視界面，主要工藝流程畫面以組態模擬顯示，提供了簡潔實用的中文信息處理，方便值班人員實時監控操作。在滿足工藝設備運行的前提下，盡量簡化設計并保證了系統的可操作性。

2 運行結果分析

應用筆者設計的在線水質監測系統進行兩項環境保護技術的現場驗證測試，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個取樣點進行自動采樣分析測試。根據在線水質監測儀器的運行周期，確定每6h為一個周期，每天進行4次連續監測，在每個周期內完成4個取樣點的水樣分析。

經過為期6個月的驗證測試，除去設備故障或客觀因素導致沒有足夠的水樣供儀器分析外，共獲得測試數據3 780個，其中384個數據經過與專業測試公司進行平行樣本測試對比，水質指標平均誤差率約±10%。同時。將實驗室監測與在線儀器監測到的數據進行比較，數據雖然存在差異，但是監測結果能夠保持一定的相關性，而且部分誤差基本上能夠控制在±10%以內，這說明使用在線監測儀器對廢水水質進行監測，其結果可以很好地反映廢水的真實情況[10]。以原水COD的人工測試與在線監測數據對比為例，誤差范圍在±12%，結果如圖4所示，經數據處理后的分析結果滿足驗證評估要求。

圖4 原水COD測試數據對比

3 結束語

筆者設計的在線水質自動監測系統集PLC技術、通信技術、計算機技術、預處理技術和數據庫管理技術于一體，采用分散控制、集中管理、綜合監控的模式，較準確地驗證評估了城市生活污水樣本中CODCr、氨氮、總磷及總氮等水質指標的實時數據，能夠實時監控設備的運行狀態，減輕了現場操作人員的勞動強度，提高了現場驗證測試的自動化程度。在某水污染防治技術驗證評估移動工作站配置在線水質自動監測系統之后，能夠對工業廢水和生活污水處理過程進行現場測試，獲得可靠又準確的分析數據，為我國水環境技術驗證的推廣具有積極意義。