重金屬廢水在線控制系統的設計和應用

劉真貞，全繼宏，陳 楠，孫海林，何麗娜，徐榮華，鄭明明，牛雅典，田一平

（1.湖北省環境監測中心站，武漢 430074；2.中國環境監測總站，北京 100012；3.湖北省環境保護廳，武漢 430074）

重金屬廢水在線控制系統的設計和應用

劉真貞1，全繼宏1，陳 楠1，孫海林2，何麗娜3，徐榮華1，鄭明明1，牛雅典1，田一平1

（1.湖北省環境監測中心站，武漢 430074；2.中國環境監測總站，北京 100012；3.湖北省環境保護廳，武漢 430074）

通過對荷貝克、理研汽車兩個項目點已建污染源在線監測系統運行狀況的調研，并結合重金屬廢水在線監測系統建設標準和項目點實際情況，介紹了重金屬廢水在線監控及控制系統的現場端和上端平臺。該系統在原有基礎上增加了四方面的設計：采用污染因子數據、污水處理工況和在線監測設備系統運行狀態相結合的三級監控方式，對上傳的數據進行有效性判別；對未達標排放的污水進行監控和控制；對設備故障和超標廢水進行報警；自動上傳日志及報告。實現了對監測因子數據有效性識別和超標控制功能，提高了在線運營監控工作效率，實際運行效果良好。

重金屬廢水；在線監測系統；監控及控制；數據有效性

引言

隨著工業的高速發展，礦山不斷地開采、冶煉，金屬產品的加工，各行業對金屬原料的需求與日俱增，導致重金屬污染越來越嚴重，污染事件不斷發生。而目前國內尚無重金屬在線監測系統建設標準，已建的重金屬在線監測系統也存在諸多問題：

（1）在線監控系統平臺僅能反映數據的上傳率，不能對上傳的數據進行有效性判別，無法保證監測數據的可靠性和準確性；

（2）數據的監測停留在原始的“監測數據顯示”，即使監測到廢水超標，廢水仍被排入到環境中，未實現超標廢水不得進入環境水體；

（3）現有監測數據平臺僅能滿足數據查看和超標報警顯示，故障報警等功能還未完善；

（4）平臺缺少日志及報告上傳等功能，平臺監管人員仍采用文本手動記錄和人工報送方式。

根據以上問題，亟需建立全面的重金屬規范化的監測、監控系統，以獲得準確、可靠的監測數據，并采取措施減少重金屬對水質生態環境的危害。

1 系統結構

該系統主要分為現場端和上端平臺兩部分（系統結構見圖1），現場端與上端平臺的通訊應用層采用HJ/T 212協議的擴展協議[1]，傳輸層使用TCP協議，物理層使用雙絞線直接和公網相連。該系統采用UDP的方式和上端平臺通訊，集成一個移動平臺，方便移動辦公。以武漢理研汽車配件（武漢）有限公司（以下簡稱“理研汽車”）示范點為例，現場端設在污染源排放口現場，用于監控、監測污染源排污狀況及完成與上位機的數據通訊傳輸的單臺或多臺設備及設施，包括國產與進口的兩臺六價鉻監測儀器、COD自動監測儀、總磷自動監測儀、等比例采樣儀、流量計、pH計、現場工況控制器；上端平臺系統包含數據接收服務、WEB頁面瀏覽服務以及數據轉發服務三個部分，后臺數據庫使用SQL Server 2005，另外可以與移動平臺對接。

圖1 系統結構部署圖

2 系統設計

2.1 現場端系統設計

現場端系統的設計采用監測與控制相分離的方法，將PLC控制程序同工控機相結合。因為相對于工控機而言，PLC具有更高的穩定性，但工控機具有較好的運算處理能力[2-3]，所以該方案將所有的設備控制邏輯都集中到PLC上處理，而將數據轉換、顯示、通訊等任務集中到工控機處理，這就確保了現場設備在工控機失靈的情況下仍能正常工作，最大程度提高了現場設備的魯棒性。

現場監控軟件采用組態軟件對監控系統進行二次開發是現今比較流行的架構方式，其優點是組態軟件廠商對于軟件開發細節進行了很大程度的整合，降低了軟件開發技術門檻，以“搭積木”的方式開發出了完整的系統，整合了豐富的界面素材。然而組態軟件也存在弊端：組態軟件一般只整合比較通用的通訊協議，對于特殊協議的通訊設備，組態軟件即無法滿足要求。故該系統的現場監控軟件采用了組態軟件與數據轉換服務相結合的架構方式。

在兩個示范點，每套系統中集成的監控設備所采用的協議具有多樣性，利用組態軟件能夠整合一些通用協議，但對于廠商自定義的專用特殊協議，就需要組態軟件開發廠商開發出專用的協議驅動，這樣不僅延長了開發時間，而且增加了開發成本。若采用傳統高級語言，則能靈活地將特殊協議整合到系統中。針對這一情況，現場端監控軟件結合了組態軟件開發和高級語言開發的各自優勢進行架構，即用組態軟件開發用戶監控界面，用高級編程語言開發協議轉換程序對組態軟件進行支持，兩者分別對應現場端的TkMonitor軟件模塊和TkTransfer軟件模塊，具體開發方式見表1。

表1 現場監控軟件開發方式表

工控機上的TkTransfer模塊有多種數據接收端口（見圖2），該模塊將各個端口接收到的數據按照不同的設備協議解析后重新打包并轉換成標準協議，然后由兩路進行輸出，一路由標準的Modbus協議輸出，并由工控機的另一個串行口接收，TkMonitor模塊監視此串行口，作為組態軟件的數據進口；另一路由擴展HJT212協議通過以太網將數據發送到遠程數據平臺。使用擴展HJT212協議的目的在于兼容協議原本定義的污染因子監控數據，并在此基礎上擴充設備自檢、工況監控等新類別的數據，為數據有效性判別奠定基礎。表2為協議接口方式列表。

2.2 上端平臺設計

上端平臺設計內容包括：

（1）采用污水處理工況和在線狀態相結合方式，對各種數據進行標識，實現對監測數據有效性的判斷；

（2）采用數據采集和自動上報兩種通訊模式，數據采集模式可自動也可以手動，在網絡傳輸不穩定的情況下，能最大程度地將數據上傳到上端平臺；

（3）上端數據庫采取三級安全體系，數據庫管理員賬戶擁有所有數據增、刪、改、查的權限，平臺應用程序賬戶只能對數據進行增、查，普通賬戶只能查看數據，通過不同權限的劃分提高了系統的安全級別，同時又不失靈活性；

（4）采用分布式的系統設計，對采集的數據進行預處理，減輕了上端平臺的負擔，提高了系統的效率；

（5）與移動平臺相結合，具有更強的可用性；

（6）平臺和平臺之間可以互相轉發數據，實現縣市級平臺到省級平臺再到國家級平臺的數據互通。

圖2 軟件模塊與系統硬件的接口示意圖

表2 軟件模塊與系統硬件的接口方式列表

3 系統功能

3.1 有效性判別

原有在線監測平臺系統往往僅反映污染因子的排放數據，而未對監測設備本身和污水處理工況進行監控[4]。該系統對以往這些被忽略的狀態量進行監控，并將接收到的監測設備自檢數據、污水處理過程工況數據和污染因子濃度數據結合進行分析。

對于每個上傳的污染物監測因子濃度數據，系統結合同期上傳的設備自檢數據和工況數據進行判別，如均在有效范圍內即判斷該污染因子濃度數據有效，否則將被判斷為無效數據，從數據統計中剔除（見圖3）。

圖3 監測數據有效性判別界面圖

3.2 監控及控制

當進水污染物負荷超出工藝處理范圍或工況出現異常時，傳統監控系統只能監測出水中污染物超標濃度，超標廢水仍然被排放到環境中[5]。該軟件系統能在儀表盤上，通過控制污水處理過程中各關鍵位置的閥門以及攪拌機，實現“超標控制”功能。該系統的監控及控制功能通過兩個部位實現：1）廢水處理過程中pH值控制；2）監視槽pH值控制。若某一值超出工藝過程規定的范圍，則系統自動關閉排放泵，并打開回流泵，這樣未達標廢水會重新回到污水處理系統前端緊急預備槽并進行再一次的污水處理過程；若該值在相應的范圍內，則表明出水達標，排放泵開啟，污水排出。

3.3 故障報警

該系統可對監測因子數據設置報警最小值與報警最大值，超過范圍，報警系統啟動。報警系統分為超標報警和故障報警兩方面內容：

（1）超標報警。根據國家和行業相關污染物排放標準，企業排放廢水污染物濃度超過標準限值，進行報警提示。系統通過主界面上各儀表數據的顏色來提示測量值超標情況。紅色表示測量值超標，綠色表示測量值正常。

（2）故障報警。根據設備說明以及工藝過程設定在線監測儀器內部關鍵檢測單元的正常信號值，系統自動采集設備自檢信號以及工況監測信號，若某個部件發生故障，則監測值將超出此區間范圍，系統則會提示該部位故障報警。

故障報警狀態通過主界面報警指示燈提示，當出現報警狀況時，該指示燈變為紅色。通過報警確認，系統可按照多種方式對報警信息進行查詢。當系統出現故障報警時，會主動向遠程平臺傳輸該報警信息。

3.4 日志

吳建中在《轉型與超越：無所不在的圖書館》一書中指出，“圖書館是虛擬與實體高度融合的交流空間；圖書館應有效利用信息通訊技術，推進虛擬與實體空間的高度融合，使圖書館成為溫馨親和、信息通暢的知識交流空間；讀者不僅可以在這里獲取知識、交流信息，而且還可以從這里連接到全國乃至全球更大范圍的信息資源” [9]。隨著網絡和新媒體技術的日益普及，圖書館也應開拓網上虛擬文化空間，使得各類文化展覽和活動可以跳出現實空間束縛，在網絡平臺上發揮更大空間。

系統對各種報警信息、系統事件、設備參數等進行詳細的記錄（具體內容如表3），并提供智能查詢功能，能夠以報表形式進行數據導出、備份。記錄了重要的關鍵事件作為日志備檔，便于查詢分析，見圖4、圖5。

表3 日志系統內容

圖4 歷史數據分類查詢和導出界面

圖5 系統日志

4 遠程通訊系統方案

4.1 網絡拓撲結構

通訊體系分為服務器機房、現場工控機和應用終端三部分，服務器機房配備專用的數據采集服務器、WEB應用服務器和數據轉發服務器，形成一個局域網內的服務集群，用一個網關與Internet連接并配有防火墻。現場工控機通過光纖上網與數據采集服務器通訊。使用WEB瀏覽器的用戶、移動終端用戶和WEB應用服務器通訊獲取數據（如圖6所示）。

圖6 通訊系統整體結構圖

4.2 結構特點

協議體系按照OSI模型將其初略分成應用層、傳輸層和物理層，結構特點如下：

（2）傳輸層使用TCP協議，TCP協議在傳輸前先三次握手建立連接，數據傳輸時檢測接收數據回應，并有重傳機制，保證了數據的可靠傳輸；

（3）采用擴展HJ/T 212協議與現場軟件進行通訊，擴展HJ/T 212協議將工況數據以及設備自檢數據做為污染因子的輔助數據和濃度測量數據進行捆綁，擴容了傳輸數據的類型，同時兼容了原來的HJ/T 212協議，即使采用老協議的數據傳輸采集儀也能接入該遠程平臺；

（4）數據傳輸采用非對稱加密算法，保證數據即使被截獲也不可破解，通訊安全性高；

（5）平臺對外使用HTTP協議進行WEB頁面發布，使用瀏覽器即可瀏覽；

（6）平臺對外使用UDP協議和移動終端通訊，使得運維工程師隨時可以接收到在線數據、報警等消息。

5 結語

該研究詳細介紹了一種基于重金屬在線自動監測系統的污水處理監控及控制設計方案，將污水處理工況和在線狀態相結合，解決了傳統在線監測系統存在的無法判定上傳數據有效性、超標廢水直接外排、自動化程度不高等諸多問題，并成功將該系統應用于荷貝克電源系統（武漢）有限公司含鉛廢水在線監測系統和理研汽車配件（武漢）有限公司含鉻廢水在線監測系統，為湖北省建立規范化的固定污染源排放重金屬廢水自動監測系統提供了一定的事實依據。但在具體應用過程中，該系統尚存在不能生成報表等一些問題，有待在后期研究中進一步解決與完善。

[1] 污染源在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準（HJ/T 212-2005）[S]．

[2] 李振，杜斌，彭林.山西省污染源自動監控系統的設計與實現[J].中國環境監測，2012（6）：130-135.

[3] 苗奇.山西省重點污染源自動監控系統設計[D].北京：北京郵電大學，2009.

[4] 水污染源在線監測系統數據有效性判別技術規范（HJ/T 356-2007）[S].

[5] 杜兆東.污染源水質在線監測系統研究與應用[D].長沙：中南大學，2009.

Design and Application of Control System of Heavy Metal Wastewater on Line

LIU Zhen-zhen1, QUAN Ji-hong1, CHEN Nan1, SUN Hai-lin2,HE Li-na3, XU Rong-hua1, ZHENG Ming-ming1, NIU Ya-dian1,TIAN Yi-ping1
(1.Environmental Monitoring Center of Hubei Province, Wuhan 430074;
2.China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012;
3.Environmental Protection Bureau of Hubei Province, Wuhan 430074, China)

Based on the investigation of operation status of monitoring system of pollution source on line set up at two project sites of Hoppecke and Riken motorcars, and in line with the actual conditions of construction standards and project sites of monitoring system of heavy metal wastewater on line, the paper presents the locale end and up end platform of supervision and control system of heavy metal wastewater on line. The system increases four designs in original base: by adopting third class control mode to integrate the pollution gene data, sewage treatment working condition with supervision equipment system on line and to carry through the effective differentiation on transmitting data; to carry through supervision and control on sewage which does not comply with the discharge standard; to give an alarm on malfunction of equipment and wastewater of extra standard; to transmit logs and reports automatically so as to increase the working efficiency of supervision and conrol on line and to realize a good operation result.

heavy metal wastewater; monitoring system on line; supervision and conrol; validity of data

X832

A

1006-5377（2015）04-0008-05

課題項目：環保部監測司2012年研究課題，項目編號：2012HJW001。