基于PLC的在线水质监测系统

张 伟 戴建坤 许春莲 王文君 赵秀芹 白 璐

(中国环境科学研究院工程设计研究中心，北京 100012)

随着科学技术的快速发展，水质在线自动监测仪器在水环境监测和环境技术管理中发挥着越来越重要的作用。水质在线自动监测仪器测出的是实时污染物数据，避免了传统监测方法从采样点到实验室运输过程中污染物的变化，省掉取样后添加保护剂的麻烦[1]。同时水质在线自动监测仪器带有的RS232或RS485接口[2]，能够将监测到的数据及时远程传输到上级主管部门，提高了环境监管的速度和力度，对于环境管理来说，是一个新的突破。

目前，我国正在进行环境技术管理体系建设，其中重要的一项就是完善环境的技术评估规程、方法和手段[3]。而水污染防治技术验证评估移动工作站是进行环境技术现场验证测试、实现环境技术评估的重要工具和手段[4]。为了实现水质的在线自动监测和环境技术管理工艺全过程的多点连续水质指标测试，笔者基于PLC，设计了集自动采样、在线水质自动监测与数据处理为一体的在线水质监测系统，并安装于验证评估移动工作站内，以实现环境技术的现场验证和测试评估。

1 在线水质监测系统①

验证评估移动工作站针对工业废水和城市生活污水生物处理技术应用现场进行验证测试评估。由于工业废水具有水质参数范围大、含油且含高浓度难降解有机物的特点，依据设计的指标体系[5]、生物处理技术的特征和现有在线监测技术的现状，笔者选择CODCr、氨氮、总磷/总氮和5个参数(温度、pH值、溶解氧(DO)、电导率和浊度)作为在线监测指标。

1.1 组成

基于PLC的在线水质监测系统采用二级分布式计算机控制系统，对污水处理在线监测进行集中管理和分散控制[6]，由采样单元、分析和预处理单元、配水单元、清洗单元、数据采集与PLC控制单元组成。采样单元包括采水装置(水泵)、输送管道、供电及安装结构等；分析和预处理单元包括在线水质分析仪、逆水流过滤器、滤网、位移传感器、电动球阀、集水稀释水箱等设备及其安装结构组件；配水单元包括溢流瓶、测量池、取样泵及电磁阀等设备；清洗单元包括清洗水箱、冲洗水泵、电磁阀和安装结构组件；数据采集与PLC控制单元主要由工控机、PLC、传感器、执行器件、线路保护器和基站的相关软件组成。系统各仪器设备的安装布置如图1所示。

1.2 工作原理

基于PLC的在线水质自动监测系统的工作原理如图2所示。采样单元将被测水由工艺现场泵送入集水箱，经配水单元进入预处理单元对水样处理后，进入各水质分析仪的测量池(或溢流瓶)，分析单元将分配来的水样按国标进行化学分析，将分析结果通过RS485传输给数据采集单元进行处理保存。控制单元由PLC和工控机进行控制，并通过清洗单元对预处理和配水单元进行清洗反冲，保证预处理单元和配水单元的长期稳定运行，降低水样的失真率。

图1 在线水质监测系统安装布置示意图

图2 在线水质监测系统的工作原理

1.3 采样单元

采样单元是后续分析测试系统温度运行的保障和基础。实际废水类型多样且成分复杂，移动工作站在采样过程中通常需要进行长距离输送，且要进行多点采样，这对输送管道和采样水泵的要求都比较高。选择合适的泵型以及合理的管路设计，以实现废水长距离(300～500m)输送，对采样单元的设计成功至关重要。通过实验对不同的采样方式进行了对比。为获得方便简洁的采样单元，设计了两种取样单元方案：一是采用一台自吸泵，通过4个阀门与4条进水管路相连，构成可连续对4点采样的单元；二是采用4台采样水泵分别与4条进水管路相连，组成可对4点连续采样的单元。

通过对比发现，方案一相对简单易行，但当采样距离大于50m时，由于管路密封及摩擦力等原因，使得自吸泵吸取到水样的时间增长(约10min)，且吸取到的水样量少，内部泡沫较多，影响了水样的预处理和水质指标的监测，因此该方案不适合水样的长距离输送；方案二需要的采样水泵较多，且需分别设置电源线路和输送管路，但采样距离受限较小(200m以上)，采样时间较快，废水长期在管道中运行，不易产生如淤泥淤积及沉淀物结晶等堵塞问题，因此最终选择方案二设计在线水质监测系统的采样单元。

1.4 分析单元

1.4.1在线仪器选择

为了保证验证测试数据的准确性，在线监测指标中的CODCr、氨氮、总磷/总氮采用国家标准分析方法。将原在线分析仪器与自控和预处理系统进行有效集成，组成了可准确、高效进行在线分析的在线监测系统。为了更好地达到验证评估移动工作站在线监测系统的要求，对不同品牌的在线监测仪器进行了实地考察，对正在使用中的不同厂家的在线仪器做了对比，考虑到移动工作站的实际情况，最终选择了美国HACH公司生产的CODCr在线分析仪(CODmax型)[5]、氨氮在线分析仪(Amtax compact型)、总磷/总氮在线分析仪(NPW150型)和5参数分析仪(SC1000)(pH电极PD1RI、温度可由pH探头内置温度传感器进行测量、DO电极5790000、电导率探头D3725E2T、浊度探头LXV423.99.10000)。

1.4.2预处理

实际测试过程中，由于废水中含有大量活性污泥、油类及其他悬浮物等，如不进行预处理，将严重影响在线仪器的测试，甚至造成仪器的损坏，同时也影响水质成分的分析。因此在进行废水水质分析前，需对废水进行合理的预处理[5]。通过反复对比现有的预处理系统，考察各种预处理设备的优、缺点，在原有设备的基础上，通过改造设计了能为验证评估移动工作站在线监测分析仪器提供满足要求水样的预处理系统，具体如下：

a. 氨氮在线监测仪水样预处理装置。由于氨氮在线监测仪采用纳氏比色法进行分析测试，在样品分析前，需对水样中的悬浮物进行有效过滤，因此在设计中不仅采用了可去除水样中泥沙等大颗粒物质的逆水流过滤器，同时也采用了精密过滤器(可根据废水水质特点更换不同目数的滤网)。

b.CODCr在线监测仪水样预处理装置。由于水样中的悬浮物是CODCr的重要组成部分，因此在进行水样预处理时，该部分不能被去除。然而在实验室分析CODCr时一般需将水样静置一段时间，以去除水样中的大块不均匀物质及泥沙等。基于此，在设计CODCr在线监测仪水样预处理装置时，采用了Y型过滤器替代氨氮在线监测仪水样预处理装置中的精密过滤器，这不仅可以有效过滤大块不均匀物质，而且不易堵塞。

c. 总磷/总氮在线监测仪水样预处理装置。在进行总磷/总氮分析测试时，需对水样进行充分搅拌以保证水样的均匀性。在该预处理装置中设计的逆水流过滤器虽可去除较大的颗粒物和泥沙，但对大块不均匀且密度较低的物质(如活性污泥及絮凝物等)难以去除。基于总磷/总氮国标分析法原理，在水样经过逆水流过滤器后，设计有膜过滤器，既保证不堵塞分析仪的管路，同时也保证了水样的均一性。

1.5 PLC控制单元

根据集中操作管理、分散控制的设计思想，将自控系统按分布式结构分为3层：中央控制层(操作站/上位机)、现场控制层(PLC/下位机)和现场设备层[7]。现场控制层负责现场仪表的数据采集和现场设备的监控。主要包括研华工控机及数据采集卡等，采用西门子PLC(CPU S7-224CN，控制模块为EM-223CN和EM-231CN)和RS-485通信方式。PLC通过以太网与上位机连接，通过Profibus总线与各执行设备互连[8，9]。

按照水污染防治生物处理技术验证评估指标体系和方法的要求[4]，针对污水生物处理技术工艺现场的各流程段分别设置取样点并放置取样泵。PLC按照验证评估方法控制工艺现场不同工艺段取样泵的启/停，取样泵依次输送多点水样至在线水质分析仪，在线水质分析仪通过对水样检测分析得出CODCr、氨氮、总磷及总氮等实时数据。工作流程如图3所示，采集在线水质分析仪得出的水样数据并传输到工控机，由工控机传输至数据存储器的数据库中，完成数据信息的采集工作。数据分析处理装置的后台服务器是SQLServer数据库，接收到数据信息后，根据管理监控单元的指令对其进行分析和计算；管理者可以在计算机上查阅并分析相关数据。按照指标体系的要求，数据分析处理装置对采集到的水质参数加以处理，得出污水生物处理技术工艺的各项分析评价指标，如不同流量下的水质处理结果对比，不同取样点的同一水质参数变化趋势，同一取样点的不同水质参数显示，以及某一工艺段不同水质参数相对前一个工艺段的处理率等，从而客观地验证评估生物处理技术。

图3 在线水质监测系统工作流程

监控画面采用DL Composer编程实现，可以与PLC通信，实现现场设备的自动/手动转换、启/停和设备故障报警。系统设有丰富友好的图形监视界面，主要工艺流程画面以组态模拟显示，提供了简洁实用的中文信息处理，方便值班人员实时监控操作。在满足工艺设备运行的前提下，尽量简化设计并保证了系统的可操作性。

2 运行结果分析

应用笔者设计的在线水质监测系统进行两项环境保护技术的现场验证测试，原水采用城市生活污水，选取原水、中间工艺段1、中间工艺段2和出水4个取样点进行自动采样分析测试。根据在线水质监测仪器的运行周期，确定每6h为一个周期，每天进行4次连续监测，在每个周期内完成4个取样点的水样分析。

经过为期6个月的验证测试，除去设备故障或客观因素导致没有足够的水样供仪器分析外，共获得测试数据3 780个，其中384个数据经过与专业测试公司进行平行样本测试对比，水质指标平均误差率约±10%。同时。将实验室监测与在线仪器监测到的数据进行比较，数据虽然存在差异，但是监测结果能够保持一定的相关性，而且部分误差基本上能够控制在±10%以内，这说明使用在线监测仪器对废水水质进行监测，其结果可以很好地反映废水的真实情况[10]。以原水COD的人工测试与在线监测数据对比为例，误差范围在±12%，结果如图4所示，经数据处理后的分析结果满足验证评估要求。

图4 原水COD测试数据对比

3 结束语

笔者设计的在线水质自动监测系统集PLC技术、通信技术、计算机技术、预处理技术和数据库管理技术于一体，采用分散控制、集中管理、综合监控的模式，较准确地验证评估了城市生活污水样本中CODCr、氨氮、总磷及总氮等水质指标的实时数据，能够实时监控设备的运行状态，减轻了现场操作人员的劳动强度，提高了现场验证测试的自动化程度。在某水污染防治技术验证评估移动工作站配置在线水质自动监测系统之后，能够对工业废水和生活污水处理过程进行现场测试，获得可靠又准确的分析数据，为我国水环境技术验证的推广具有积极意义。