双流县金马河饮用水源地水质自动监测系统介绍

2011-01-25刘建东陈芝贵

四川环境 2011年2期

王波,刘建东,陈芝贵

(成都市双流县环境监测站,成都 610200)

1 前言

金马河是双流县的饮用水水源保护地。近年来随着上游地区发展步伐的加快,引入了较多的洗沙厂和工业企业,由于违法排污现象的存在,严重地威胁到流域内供水安全。为了及时、准确地掌握金马河的水质及其变化状况,双流县建立了饮用水源水质自动监测系统,极大的提高了在饮用水水源地保护、管理、预警方面的能力。

2 水质自动监测系统简介

水质自动监测系统是运用现代传感器、自动测量、自动控制、计算机等高新技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测体系,是对地表水、饮用水源以及污染源水质水量进行实时快速监控的数字化管理平台,是环境保护部门实现有效监控水源环境变化因子、控制环境污染的重要的技术手段[1]。

双流县饮用水水源水质自动监测系统主要包括监测用房、采样系统、预处理系统、在线自动分析仪器系统、系统控制、数据采集及通讯系统。由于水质自动监测系统核心的部分是系统控制、数据采集及通讯系统,本文将对其进行详细介绍。

2.1 监测用房

站房选址兼顾配电、通讯、给水 (自来水)、通风等条件以及防雷击、防洪、防盗窃、防潮湿、废液排放处理、交通方便等因素,建设在成都岷江自来水厂厂区内距原水取水口 10米处,采用二层小楼设计,一楼用于监控室、主分析仪表室、辅助设备室,二楼用于值班室、接待室和会议室,站房内安装柜式空调和除湿机,二楼安有投影仪。

2.2 采样系统

采样系统布设在距离取水口较近,现场条件好的部位,且取水方式简单。采用自吸泵抽水方式,取水头在水面下 0.5 m,双回路设计 (一用一备),输水管路中配有流量和压力监控装置。为了避免污垢等的不利影响,系统中有自来水反向清洗、加药除垢清洗、高压气体辅助清洗及管路全排空等功能。

2.3 水样预处理系统

针对金马河水质状况,采用二级处理措施,第一级是一个包含粗过滤器取水头的沉砂分离装置,主要是通过粗过滤芯和静置、尘降,除去水样中的粒径较大的颗粒物 (粒径大于 200μm),第二级则是通过分析仪器自带的微滤装置过滤粒径较小的泥沙颗粒 (粒径大于 50μm)。

2.4 在线自动分析仪器系统[2]

双流县饮用水源水质自动监测站的监测项目包括：水温、pH、DO、电导率、浊度、NH3-N、CODMn、TP、TN、挥发酚、氟化物、重金属砷。仪器型号与分析方法见下表。

表仪器型号与分析方法Tab. The models of the instruments and their analyticalmethods

2.5 系统控制、数据采集及通讯系统

水质自动监测系统核心的部分是系统控制、数据采集及通讯系统,该系统基于国际标准的可靠的通讯机制,具有很强的适应性和可扩展性。包括以下几个部分：现场控制单元、数据采集单元、数据传输单元、水质监控中心管理系统、水质监控WEB发布系统。

2.5.1 现场控制单元

现场控制单元由 PLC、控制柜以及执行元件构成。控制系统按照预先设定的程序负责完成系统采水、配水控制,启动测试、标定、超标自动留样、清洗、除藻、反冲洗等一系列的动作。同时可以监测系统状态,并根据系统状态对系统动作做相应的调整,确保水质自动站的稳定运行。

系统控制支持自动模式、手动模式和远程模式,系统运行支持连续模式和间歇模式,两种模式可以自由切换。系统的反冲清洗工艺支持单独水洗、高压空气擦洗,水气混和洗、加药除藻等工作。关键设备及执行元件均采用进口设备,使系统的稳定性、可靠性大幅提升。控制单元采用模块化设计,可对设备进行扩展并且已经预留扩展接口,方便系统将来升级。

2.5.2 数据采集单元

数据采集单元完成对水质监测数据、监测仪器工作状态数据、报警数据的采集、显示、处理。数据采集单元包括工控机 (安装有基站软件)、数据采集模块、现场总线等组成。数据采集模块以现场监控软件包为核心,配合模拟量和数字量采集模块、串口模块、485模块实现监控功能。数据采集单元见图1。

图1 数据采集单元功能模块Fig.1 The functionalmodule of data acquisition unit

现场控制器的数据采集采用总线通讯与模拟量采集相结合的方式：对于具有 RS232/RS485输出接口的仪器,采用总线方式采集仪器监测数据、工作状态以及校准数据,并给仪器发出控制指令等;对于环境参数及部分具备 4～20mA输出的仪器用 PLC模拟量采集模块进行采集。系统能根据仪器返回的状态参数和报警信号值自动判断监测数据的有效性,将处理后的数据送入数据库中保存。

2.5.3 数据传输单元

数据传输单元完成子站与中心站的数据传输,远程控制及远程诊断功能。数据传输单元由通讯服务器、远程输出设备及传输网络构成。数据通讯是水质自动监控系统的关键环节,是实现远程数据传输和控制的必要条件。过去自动站数据通讯常见的问题有：通讯链路不稳定,导致数据传输不正常;协议不公开,导致异构系统互联互通有问题;支持通讯方式单一,导致适应性小,难以满足复杂的地域环境要求。

该系统在远程数据通讯机制上进行了深入的研究,采取以下解决措施,确立了一套可靠的通讯机制,增强了系统的适应性和稳定性。

基于 TCP/IP协议的数据传输,在传输层协议上确保数据传输的可靠性;采用开放的通讯协议,采用开放的标准的应用层通讯协议,方便与其他系统联网;同时支持多种通讯方式,支持 PSTN, ADSL,GPRS,GS M等多种通讯方式。

2.5.4 水质监控中心管理系统

水质自动监测系统中心站是一个集远程数据采集、数据汇总、分析以及远程控制等功能组成的系统,包括中心站服务器及中心站管理软件及WEB发布程序。

(1)中心站服务器

中心站服务器位于内部局域网内,其中一台作为通讯服务器,负责跟水质监测子站的数据通讯,其所配设备满足多种通讯方式,如 PSTN,ADSL, GPRS等。可以通过短信收发器接收子站的报警数据等信息,并可将报警信息转发给相关的系统维护人员。通讯服务器的配置及其性能足够满足当前系统通讯需求以及将来系统扩展需求。通讯服务器将接收的远程子站的数据存储在本机的 SQL大型数据库中。中心站网络结构见图 2。

图2 中心站网络结构Fig.2 The network structure of central station

另一台服务器作为应用服务器,负责对传送的数据进行处理,生成报表数据,实现远程监控功能,并提供基于WEB的数据共享功能,使得局域网内以及局域网外的授权用户可以通过浏览器直接访问监测数据。局域网与公共网之间通过防火墙连接,避免系统遭受病毒以及黑客的袭击,最大程度的保证系统及数据的安全。

(2)中心管理软件系统

水质自动监控中心管理系统既是水质监测管理的数据中心,也是管理服务中心。中心监控软件体系架构见图3。

图3 中心监控软件体系架构Fig.3 The framework of central control software system

中心监控软件按功能可以划分为 5个基本模块和 1个可选模块,5个基本模块是：运行监控模块、数据管理模块、监测站点管理模块、数据查询模块、系统安全管理模块和秘书提示服务模块。前5个模块为基本模块,比较常见,本文重点对秘书服务模块进行介绍。

图4 秘书提示服务模块流程图Fig.4 A flow diagram of secretarial servicesmodule

秘书提示服务模块提供高级信息服务。它使用GS M网络,让用户实时掌握现场的测量、运行及报警状况数据。具有两种方式：一种是主动发送方式,按时将特定的数据信息,发送到特定人员的手机上。其中也包括一旦有重要的报警信息,系统也会及时发送给指定人员。另一种方式是请求发送方式。当用户需要得到所需数据时,他可以向秘书提示服务模块发出申请的短信,用来申请获取数据。经过系统安全认证后,用户就会得到所需的数据[3]。秘书提示服务模块见图 4。