自來水自動(dòng)采樣留樣儀設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

李浩然，王 賽，沈 彥

(上海市西派埃智能化系統(tǒng)有限公司，上海 200233)

0 引言

自來水是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡幕疚镔|(zhì)之一。自來水廠的水質(zhì)是人民健康安全的基本保障。根據(jù)《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493—2009)和水廠實(shí)際情況，水廠會(huì)每隔1 h對(duì)出廠自來水進(jìn)行采樣留樣，并在2～6 ℃的冷藏環(huán)境中保存樣品24 h，方便化驗(yàn)人員隨時(shí)對(duì)于前24 h內(nèi)任何時(shí)間點(diǎn)水樣進(jìn)行抽檢化驗(yàn)[1]。

國(guó)內(nèi)當(dāng)前市場(chǎng)上針對(duì)水質(zhì)采樣的設(shè)備多數(shù)為采集地表水、湖泊河流等。這種采樣設(shè)備在遭遇惡劣天氣時(shí)，會(huì)面臨采樣困難甚至無法采樣的困境[2]。目前，國(guó)外水質(zhì)采樣設(shè)備同樣聚集于地表水以及湖泊河流等，通過蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)平靜的水面或者湖泊采集水樣。其采用的方式和目前國(guó)內(nèi)的相近，對(duì)于自來水采樣方面并沒有對(duì)應(yīng)的智能化設(shè)備[3]。

目前，針對(duì)水廠自來水的采樣設(shè)備屈指可數(shù)。水廠自來水采集通常用采樣瓶開蓋采樣，依然需要人力每天擔(dān)負(fù)此工作。此外，自來水樣品與空氣接觸時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)出現(xiàn)變化。

通過對(duì)于以上現(xiàn)狀分析，得出以下問題：①目前采樣設(shè)備集中于地表水采樣，缺乏自來水的智能化采樣設(shè)備；②自來水需24 h不間斷采樣以及留存24 h，人工采樣方式會(huì)存在疏漏；③現(xiàn)有裝置采樣的自來水樣品與空氣接觸時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)出現(xiàn)變化。

本文針對(duì)以上問題設(shè)計(jì)了水廠自動(dòng)采樣留樣裝置及方法[4]，并闡述了其在水廠采樣留樣工作中起到的作用。該研究可有效推進(jìn)水廠在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方向的發(fā)展。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文依據(jù)上述問題以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從在線采樣、流量等比例采樣、分瓶采樣、真空密封保存等方面進(jìn)行自來水自動(dòng)采樣留樣儀的設(shè)計(jì)[5-6]。

1.1 硬件整體設(shè)計(jì)

自來水自動(dòng)采樣留樣儀設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 自來水自動(dòng)采樣留樣儀設(shè)計(jì)框圖

自來水采樣留樣儀由冷藏柜、采樣器、留樣水袋、觸摸屏等組成。采樣器整體分為上下兩層。上層有13個(gè)留樣水袋。下層有12個(gè)留樣水袋。共計(jì)25個(gè)留樣水袋按照時(shí)間順序(0～23點(diǎn))排布，最后1個(gè)作為超標(biāo)留樣使用。固定架與冷藏柜固定連接，固定架的上側(cè)和下側(cè)與冷藏柜之間分別設(shè)有滑軌與采樣器進(jìn)行滑軌式連接。總進(jìn)水閥與進(jìn)水端連接的一端設(shè)有用于測(cè)量水壓的水壓表，另一端設(shè)有進(jìn)水流量傳感器。排水泵的進(jìn)水口設(shè)有排水流量傳感器。冷藏柜底部朝采樣器的一側(cè)設(shè)有漏水探測(cè)器，用于檢測(cè)自來水自動(dòng)采樣留樣儀是否出現(xiàn)漏水。

1.2 控制硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用以SIMATIC S7-1200 控制器為核心的控制繼電器、交換機(jī)、報(bào)警器和漏水探測(cè)器等硬件。控制硬件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 控制硬件設(shè)計(jì)框架圖

觸摸屏作為可視化界面，可進(jìn)行人機(jī)交互，顯示當(dāng)前時(shí)間日期、溫濕度以及工作進(jìn)度，并可手動(dòng)操控定點(diǎn)進(jìn)排水。SIMATIC S7-1200控制器通過繼電器信號(hào)控制電磁閥和排水泵的通斷，從而控制每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的進(jìn)排水情況。

繼電器是保護(hù)電路、安全隔離的自動(dòng)化設(shè)備電路中的自動(dòng)開關(guān)元件，既可以作為輸入部分又可以作為輸出部分，在上端和下端之間起到承上啟下的保護(hù)電路作用[7]。

交換機(jī)是電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。編寫好的程序通過交換機(jī)(網(wǎng)線連接傳輸)下載傳輸?shù)皆O(shè)備中進(jìn)行信息傳輸。由于交換機(jī)供電為5 V，所以需要5 V電源轉(zhuǎn)換器將24 V轉(zhuǎn)為5 V。

進(jìn)水和排水流量傳感器可以檢測(cè)在進(jìn)水和排水時(shí)是否有水流通過，以此判斷當(dāng)前進(jìn)排水有無故障。當(dāng)進(jìn)水和排水流量傳感器出現(xiàn)異常時(shí)，進(jìn)水和排水流量傳感器將采集信息傳輸?shù)娇刂破鳎S后與觸摸屏進(jìn)行交互顯示以提醒出現(xiàn)異常。

漏水探測(cè)器用于判斷裝置是否漏水。當(dāng)其檢測(cè)到漏水，將信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鳎儆煽刂破鲗⑿盘?hào)傳輸?shù)綀?bào)警器進(jìn)行報(bào)警。溫濕度探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)溫濕度。

2 軟件設(shè)計(jì)

自來水采樣留樣儀軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)監(jiān)控和下位機(jī)控制兩部分。軟件邏輯框架如圖3所示。上位機(jī)主要監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)以及下發(fā)水質(zhì)超標(biāo)信號(hào)。下位機(jī)主要分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。

圖3 軟件邏輯框架圖

2.1 上位機(jī)

如圖3左側(cè)所示，上位機(jī)上接制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing excution system,MES)、下接下位機(jī)，使數(shù)據(jù)整體連通。

上位機(jī)監(jiān)控的本質(zhì)是為了監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況以及遠(yuǎn)程操控，因此對(duì)于監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)潔明了、方便操作。上位機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)等信息，設(shè)計(jì)人機(jī)交互操作方式，通過上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制[8]。上位機(jī)主要顯示4個(gè)方面的內(nèi)容，分別為溫濕度以及進(jìn)排水流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀況、采樣進(jìn)度、是否有超標(biāo)采樣樣品。

上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信是將上位機(jī)和下位機(jī)接入同網(wǎng)段通過設(shè)置進(jìn)行IP通信，設(shè)定對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議和對(duì)應(yīng)點(diǎn)位。上位機(jī)直接拉入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

自來水作為居民生活用水，水質(zhì)把控不容馬虎。水廠需要隨時(shí)做好緊急狀況的應(yīng)對(duì)策略。緊急采樣是查出原因的第一步。當(dāng)發(fā)現(xiàn)出廠水質(zhì)有問題，水廠通過下發(fā)采樣指令，由設(shè)備對(duì)當(dāng)前出廠水進(jìn)行超標(biāo)采樣。

2.2 下位機(jī)

如圖3右側(cè)所示，下位機(jī)主要處理自動(dòng)循環(huán)采樣和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)采樣。現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)采樣通過觸摸屏對(duì)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水袋進(jìn)行單獨(dú)控制，在觸摸屏上輸入設(shè)置對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，以控制對(duì)應(yīng)電磁閥通斷，從而達(dá)到對(duì)應(yīng)水袋采樣的目的。

自動(dòng)循環(huán)采樣無需人工操作，由自動(dòng)采樣、模擬信號(hào)處理以及報(bào)警三部分組成。

(1)自動(dòng)采樣邏輯。

①排空舊樣品水。在預(yù)設(shè)采樣時(shí)間控制對(duì)應(yīng)的采樣通道工作，打開對(duì)應(yīng)的排水電磁閥和抽水泵，將對(duì)應(yīng)的仿生真空水袋抽成真空狀態(tài)。

②清洗仿生真空水袋。關(guān)閉對(duì)應(yīng)的排水電磁閥和抽水泵以及常出口電磁閥，打開對(duì)應(yīng)的進(jìn)水電磁閥，注入新樣品水，清洗仿生真空水袋。

③排空用于清洗的新樣品水。關(guān)閉對(duì)應(yīng)的進(jìn)水電磁閥，打開對(duì)應(yīng)的排水電磁閥和抽水泵，以及常出口電磁閥，將對(duì)應(yīng)的仿生真空水袋抽成真空狀態(tài)。

④采集新樣品水。關(guān)閉對(duì)應(yīng)的排水電磁閥和抽水泵，以及常出口電磁閥，打開對(duì)應(yīng)的進(jìn)水電磁閥，注入新樣品水。

⑤關(guān)閉對(duì)應(yīng)的進(jìn)水電磁閥，打開常出口電磁閥。

(2)模擬信號(hào)處理邏輯。

模擬信號(hào)數(shù)據(jù)主要由4個(gè)傳感器采集，分別為溫度探測(cè)器、濕度探測(cè)器、進(jìn)水流量傳感器和排水流量傳感器。傳感器和探測(cè)器將采集到的溫度、濕度、流量等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)(電壓信號(hào)/電流信號(hào))。SIMATIC S7-1200控制器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)與觸摸屏進(jìn)行交互傳輸，記錄生成表單并作可視化處理。

(3)報(bào)警邏輯。

設(shè)備可以通過故障報(bào)警及時(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀況，也可以將報(bào)警記錄生成表單。這些記錄可以反映設(shè)備的不足和改進(jìn)方向，從而促進(jìn)迭代升級(jí)。

設(shè)備報(bào)警通過漏水探測(cè)器來檢測(cè)是否存在漏水狀況。當(dāng)出現(xiàn)漏水，漏水探測(cè)器將發(fā)出信號(hào)。信號(hào)傳遞到SIMATIC S7-1200控制器。SIMATIC S7-1200控制器對(duì)報(bào)警器下發(fā)指令進(jìn)行報(bào)警，并與觸摸屏進(jìn)行交互以生成報(bào)警表單，便于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 應(yīng)用分析及展望

3.1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試

自來水廠對(duì)于自來水出廠質(zhì)量控制嚴(yán)格。自來水自動(dòng)采樣留樣儀在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行超過一年，幫助水廠實(shí)現(xiàn)自來水自動(dòng)化精準(zhǔn)采樣及保存，并與水廠上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)接控制。投用一年內(nèi)，自來水自動(dòng)采樣留樣儀的應(yīng)用成效獲水廠工作人員一致好評(píng)。

3.1.1 采樣量穩(wěn)定

水廠的出水壓力每天均會(huì)出現(xiàn)浮動(dòng)。自來水采樣留樣儀在實(shí)際運(yùn)行中采樣量穩(wěn)定。采樣量與出廠壓力數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采樣量與出廠壓力數(shù)據(jù)

3.1.2 溫濕度監(jiān)測(cè)

當(dāng)前設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境溫度一直保持在2～6 ℃，而自來水樣品存儲(chǔ)時(shí)間不宜過長(zhǎng)。因此，溫濕度檢測(cè)功能對(duì)于樣品保存環(huán)境的記錄很有必要。

3.1.3 超標(biāo)自動(dòng)采樣

水廠內(nèi)部會(huì)對(duì)自來水出水的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)水質(zhì)檢測(cè)出問題時(shí)，上位機(jī)可以對(duì)自來水采樣留樣儀下發(fā)指令進(jìn)行超標(biāo)留樣，留存于第二十五個(gè)袋子。工作人員將超標(biāo)留樣水袋取走，并更換、安裝新水袋。這將為市民的生活用水構(gòu)筑起保障，能及時(shí)、盡早發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行檢測(cè)復(fù)核。

3.1.4 全程真空保存

自來水留樣采樣儀直接連接出廠水的水龍頭，進(jìn)入采集器。內(nèi)部采樣保存樣品全程密封，確保樣品不與外界空氣接觸。這就保證了水質(zhì)的原始狀態(tài)，有利于后續(xù)樣品檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.2 展望

工廠目前正在對(duì)可替代的重復(fù)性工作進(jìn)行儀器設(shè)備代替。智能化設(shè)備可以幫助工廠提升整體控制管理效率。

將現(xiàn)有的工作進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)字化復(fù)制，并不能解決問題。切實(shí)地從制造業(yè)內(nèi)部去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，解放被浪費(fèi)的人力資源，更精準(zhǔn)地對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，才是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。自來水留樣采樣儀從根本上解決了重復(fù)性工作帶來的人力資源浪費(fèi)。其具備的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與上位機(jī)的交互顯示功能也在彰顯數(shù)字化設(shè)備的發(fā)展方向。

當(dāng)前，我國(guó)正進(jìn)入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展階段，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富，接入平臺(tái)設(shè)備數(shù)量持續(xù)上升。現(xiàn)有重點(diǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備連接數(shù)量已突破7 000萬臺(tái)，并且設(shè)備種類由單一逐漸向多元化發(fā)展。重點(diǎn)平臺(tái)連接設(shè)備涉及電力、交通、電工/電子、冶煉、儀器儀表等十幾個(gè)重點(diǎn)行業(yè)。因此，智能化設(shè)備在協(xié)助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化方面的效果顯而易見[9-11]。

當(dāng)前，自來水自動(dòng)采樣留樣儀可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)互通和聯(lián)控。下一步是將數(shù)據(jù)以及3D模型接入工廠數(shù)字孿生平臺(tái)。數(shù)據(jù)信息及表單將通過TCP/IP、Http、Socket傳輸?shù)綌?shù)字孿生平臺(tái)，與整廠控制及管理集成一體。未來，整廠的數(shù)字孿生平臺(tái)也可以定位到設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)情況。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)展也必定是向數(shù)字孿生的方向不斷拓展深化。

4 結(jié)論

自來水自動(dòng)采樣留樣儀主要是針對(duì)自來水廠出廠水的留樣問題所作的設(shè)計(jì)。本文結(jié)合水廠實(shí)際情況要求和《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493—2009)，在自來水自動(dòng)采集留樣儀中設(shè)計(jì)了24 h整點(diǎn)自動(dòng)采樣模式和超標(biāo)自動(dòng)留樣模式。自來水自動(dòng)采樣留樣儀一方面將人力從重復(fù)繁瑣的工作中釋放出來，另一方面有助于自來水廠在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)方面更加完善的發(fā)展。