智能型水質分層監測裝置的設計

＊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、水資源緊缺的大環境下，取水源的水質是否達標成為了影響生產生活的重要因素之一。水庫作為重要的水源地，其水質監測是保證安全供水的主要措施。隨著物聯網的快速發展，我國的水質監測方式已經從人工取水樣分析轉變為水質監測船、水質監測浮標等遠程監控手段[1-2]，極大減少了人工成本。水質監測船可進行全自動采樣，幫助環境監測站順利完成對水質的檢查工作[3]，但此類平臺一般不具備自動分層監測的功能。水體熱分層效應是具有一定水深的水庫的一個常見的、重要的物理分層現象[4-5]。中高緯度區的水體通常在夏季發生熱分層，其對水體水質參數的垂向分布具有重要的影響，尤其在富營養化水體中表現的尤為突出。

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水深進行了水文數據采集發現，石河水庫在不同季節，都具有明顯的水溫分層現象，造成上中下層水體具有明顯的溫度差異。水溫對其它水質參數如溶解氧、pH值、化學需氧量和藻類生長情況都有較大的影響，是水文生態重要的影響因素[7]。這種水溫分層現象使庫區內其它水質參數如溶解氧（DO）、pH值、化學需氧量（COD）和葉綠素a等參數的分層。經研究發現，在同一季節中，不同水層的水質參數均有明顯差異，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象尤具代表性。在如此復雜的水質環境下，如果還是籠統地進行單一水層取水已不可取，故需設計一種新型的水質分層實時在線監測系統，完成水庫的水質分層監測任務。

1.智能型水質分層實時在線監測系統設計

（1）機械設備。采用和潤起重100Kg單臂吊機，自行配備24V電動吊葫蘆驅動絞盤旋轉，牽引鋼索滑動，實現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、數據采集、數據傳輸及人機交互界面功能。

（3）水質監測和氣象監測。由水位傳感器獲取當前水位并上傳，配套采用集成水質傳感器，同時進行水溫、pH、溶解氧、葉綠素a、濁度以及電導率常規參數檢測。壩體上方安裝氣象傳感器進行氣象參數監測。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。數據傳輸使用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，即可與數據中心建立連接，并將DTU設置成采用TCP/IP協議透明數據傳輸的工作模式，數據中心的服務器采用流式套接字，DTU子站即可進入工作狀態。

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

2.智能型水質分層實時在線監測系統運行

(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的基礎上發展起來的全新自動化控制產品，該產品提供I/O點數豐富的CPU模塊，可實現通信端口、數字量通道、模擬量通道的擴展，同時集成了以太網接口，可實現與其他CPU、觸摸屏模塊和計算機的通信組網，是小型自動化系統的理想選擇。

②模擬數據采集及轉換。本設備另采用EM-AE04模擬量擴展模塊進行模擬數據采集，并對集成水質傳感器以及氣象傳感器的模擬數據進行轉換，其關鍵在于找到實際物理量與內部數字量的關系，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，轉換數字量為0-27648，設轉換后的數據為X，則根據分析，可列出下式，如公式（1）：

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

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

④測量步驟。測量數據的精確程度，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的數據，得到具體水深（應考慮到季節引起的水位變化）；B.程序根據水深進行分層，并按照以米為單位進行分層；C.驅動電機運轉，按照具體分層進行測量。

(2)DTU配置數據傳輸

①DTU資料。WG-8010 GPRS DTU內置工業GPRS無線模塊，提供標準RS232/485/422數據接口，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無線網絡和Internet網絡建立連接，實現數據的透明傳輸；另外，用戶設備也可以利用DTU直接收發短信以及作為GSM MODEM連接上網。

②DTU參數配置。將DTU通過USB轉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，繼續輸入“AT^udpm=0”“AT^PKMD=1”“AT^delay=-1”將DTU設置為TCP協議、GPRS自動連接和數據透明傳輸格式。

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

③APN參數設置和運行設置。APN缺省設置為CMNET，選擇TCP協議，在更換運營商時可進行修改。本設備因實際情況需要，采用連續工作模式，以確保數據的實時性；同時，設備安裝地點距離數據監控室較近，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)上位機監視與控制

本設備使用北京亞控組態王軟件搭建的上位機平臺進行數據監控，兼顧數據接收、數據存儲、曲線顯示、表格生成和狀態顯示等功能。在監控界面設置菜單欄進行數據和表格查詢，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向下位機發送相關指令，人為接管吊機，處理突發情況。

(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太陽能電池板串聯進行發電，并存儲在兩組蓄電池中，在緊急情況下，通過ATS自動轉換開關進行電源切換，確保所有設備處于永久運行狀態。

3.結語

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