自動化控制在地表水水質自動監測站點中的應用

＊胡永飛 袁世輝

（1.河北滿華科技有限公司 河北 050000 2.河北省環境監測中心 河北 050000）

引言

(1)水質在線自動監測的介紹

水質在線自動監測系統（On-line Water Quality Monitoring System）是一個以在線分析儀表和實驗室研究需求為服務目標，以提供具有代表性、及時性和可靠性的樣品信息為核心任務，運用自動控制技術、傳感器技術、計算機信息技術、遠程傳輸并配以專屬操作平臺軟件，組成一個從采水、配水、分析、質控、預警到數據處理及存貯的完整系統，從而實現對樣品的在線自動監測。自動監測系統一般包括采樣系統、預處理系統、質控系統、預警系統、在線監測分析儀表、數據采集與自動化控制系統、數據處理與傳輸系統及遠程數據管理中心，這些分系統既各成體系，又相互協作，以完成整個在線自動監測系統的連續可靠地運行。水質在線分析儀器按測量方式通常分為傳感器法和光度計法兩種，根據國標規范與監測需求要求選取不同測量方法。水質在線自動監測系統涵蓋飲用水源地、地表河流、生態濕地、地下水、污染源、城市管網等等。雖然以上現場監測參數、監測方法、流程基本相似，但是不同監測地域、監測水體、監測對象、監測要求的不同對監測系統提出了不同的要求。接下來，就以最具有代表性的河流斷面水質自動監測系統進行介紹。

(2)系統組成

水質在線監測系統是以自動化控制系統、數據處理軟件系統為主，其它執行與反饋單元為輔的控制形勢。

1.自動化控制系統

市場上主流控制形勢是以PLC（可編程控制器）為核心的控制方式，主要使用西門子S7系列、三菱FX系列、歐姆龍CP1H系列的32位小型PLC（64點、128點、256點），其兼容開關量、模擬量（4-20MA、0-20MA、0-24V）、232信號、485信號、網口協議。配合繼電器、接觸器、浪涌保護器、信號隔離器、開關電源、液位傳感器、壓力傳感器、有害氣體傳感器、火災報警傳感器、光照感應器等等組成一整套控制系統。

首先PLC接收數據處理軟件系統的啟動指令后會判斷外部條件是否滿足，這些條件包括管道壓力、液位、外部供電等等傳感器信號。接下來，PLC會按照已設定的參數進行采樣、沉降、測試、超標判斷、等步驟進行循環執行，前提是每一步流程都需要符合運行條件。期間，PLC會實時與操作平臺軟件進行信息交換，以致使操作平臺按照流程要求進行監測儀器控制、數據采集、數據處理、事件預警、數據傳輸等工作。所以，PLC的可靠運行至關重要，因此控制系統在設計時需要考慮以下幾點因素。

（1）供電：控制系統主體供電分為強電與弱電。強電分為AC380V（三相五線制）與AC220V（兩相3線制），其條件為：外部市電首先接入穩壓電源（三相五線制，＞15kW），此時根據采水泵需求進行分相，一部分給采水泵供電（220V或380V），一部分給不間斷電源供電（220V，＞10kW），再由經過UPS過濾的供電提供給系統其它設備。此時特別需要注意地線（＜4Ω）與浪涌保護器的設置與各個用電設備的單獨供電控制。

另外，傳感器、繼電器、通信采集器、光電隔離器等小型設備主要有DC24V或DC12V供電。因此需要配置高性能的多路開關電源作為其供電電源。

（2）控制：分為信號輸入與指令輸出。信號輸入：主要接受采水泵液位、UPS供電信息、管道壓力等信號，他們主要是以4-20mA、232形式反饋。此時需要注意4-20mA加裝光電隔離模塊。指令輸出：主要為開關量信號、DC24V信號形式輸出。開關量信號為低電壓控制小型繼電器形式，強烈建議使用高質量小型繼電器。

（3）通信：PLC與外界通過232、網口通信，主要與工控機的操作軟件進行數據交換。其通信形式沒有本質區別，只是網口通信速率較高。

（4）可靠性：

水質自動在線監測系統一般地處跨界斷面偏遠地區，自動站系統流程復雜又涉及水和電，因此系統的可靠性運行尤為重要。提高可靠性有以下方法：

①零部件使用知名正規廠家，例如西門子、施耐德、德力西、歐姆龍等等。

②PLC輸出端回路使用DC24V控制AC220V動作部件。

③設備與系統之間通信加裝光電隔離器，建議使用一對多的串口形式。

④各個儀器設備的有效、良好的接地，并定期檢查。

⑤總供電進線加裝浪涌保護器、漏電保護器。

⑥動力與儀器供電相電分開。

⑦定期檢查系統各個單元部分是否有漏水情況，必須及時修復，以消除安全隱患。

⑧供電、通信部分要與管路、泵閥部分進行充分分離，以避免漏電情況發生。一般建議線路走系統機柜上端，管路、泵閥部分走下端。

⑨系統機柜下端設置漏水或濕度傳感器，以控制系統供電與預警。

2.數據處理軟件系統

該系統是針對客戶的需求深度開發、定制的專屬的封閉的人機交互操作平臺軟件。該平臺軟件主要實現與監測儀表的雙向控制，PLC指令交換，遠程傳輸平臺的數據通信等數據處理功能。軟件的主體設計形勢包括流程實時監控，系統參數設定，歷史數據，數據曲線，運行日志等等功能。平臺軟件還可根據客戶要求隨時修改運行流程和運行條件。以隨時應對監測儀表性能考核，事件追溯，突發事件等狀況。

實時監控：該界面需要將系統整體管路流向，設備運行參數信息，進程狀態、計時，運行操作，報警提示。

系統參數：可以設置修改系統運行參數、儀器特定參數、報警參數、手動操作。

歷史數據：可以顯示、打印、篩選、報表等功能。

數據曲線：顯示各個參數歷史曲線特性，以便于分析數據相關性。

運行日志：顯示系統的運行、操作、報警、參數修正、故障等等日志。

另外，操作平臺軟件在與控制系統、儀器儀表、執行單元配合設計時也應考慮整體系統的運行可靠性。分以下事項。

（1）操作平臺軟件不建議使用一分多的串口連接，地址區分方式與各個監測儀表進行通信。

（2）操作平臺軟件應盡可能多的讀取PLC對于各個部件控制信息狀態，并以動畫形式顯示在人機界面中。增強其易操作性與故障判斷途徑。

（3）操作平臺軟件與儀器儀表之間的雙向通信信息量較大，所以建議將通信間隔設置在10s左右。

3.其它執行與反饋單元

此部分主要涉及實現控制系統所需要的執行部件與傳感器。其中包括閥體、管道流量計、液位計、壓力傳感器、溫濕度傳感器、電壓電流傳感器等等。該部分設備需要定期檢查其工作狀態，并定期對其進行保養或更換。

綜合以上情況，在滿足功能要求的前提下，控制系統的可靠性是優先考慮的因素。系統可靠性的提高需要技術儲備之外，還特別需要相關從業人員的經驗滲入。一個可靠的控制系統直接影響整個監測站點的運行率與運維成本。

近些年，監測數據已經納入全國各地區生態考核的重要依據，也是對所有企業單位排放是否合格的判定標準。主要監測方法分為實驗室手工監測與儀器在線自動監測，實驗室監測存在響應慢、成本高、人為偏差、水樣追溯難等不足，但自動在線監測可以有效的彌補手工監測存在的不足。因此自動在線監測系統數據已經逐步成為水質考核的重要依據。