重金属废水在线控制系统的设计和应用

刘真贞，全继宏，陈 楠，孙海林，何丽娜，徐荣华，郑明明，牛雅典，田一平

（1.湖北省环境监测中心站，武汉 430074；2.中国环境监测总站，北京 100012；3.湖北省环境保护厅，武汉 430074）

重金属废水在线控制系统的设计和应用

刘真贞1，全继宏1，陈 楠1，孙海林2，何丽娜3，徐荣华1，郑明明1，牛雅典1，田一平1

（1.湖北省环境监测中心站，武汉 430074；2.中国环境监测总站，北京 100012；3.湖北省环境保护厅，武汉 430074）

通过对荷贝克、理研汽车两个项目点已建污染源在线监测系统运行状况的调研，并结合重金属废水在线监测系统建设标准和项目点实际情况，介绍了重金属废水在线监控及控制系统的现场端和上端平台。该系统在原有基础上增加了四方面的设计：采用污染因子数据、污水处理工况和在线监测设备系统运行状态相结合的三级监控方式，对上传的数据进行有效性判别；对未达标排放的污水进行监控和控制；对设备故障和超标废水进行报警；自动上传日志及报告。实现了对监测因子数据有效性识别和超标控制功能，提高了在线运营监控工作效率，实际运行效果良好。

重金属废水；在线监测系统；监控及控制；数据有效性

引言

随着工业的高速发展，矿山不断地开采、冶炼，金属产品的加工，各行业对金属原料的需求与日俱增，导致重金属污染越来越严重，污染事件不断发生。而目前国内尚无重金属在线监测系统建设标准，已建的重金属在线监测系统也存在诸多问题：

（1）在线监控系统平台仅能反映数据的上传率，不能对上传的数据进行有效性判别，无法保证监测数据的可靠性和准确性；

（2）数据的监测停留在原始的“监测数据显示”，即使监测到废水超标，废水仍被排入到环境中，未实现超标废水不得进入环境水体；

（3）现有监测数据平台仅能满足数据查看和超标报警显示，故障报警等功能还未完善；

（4）平台缺少日志及报告上传等功能，平台监管人员仍采用文本手动记录和人工报送方式。

根据以上问题，亟需建立全面的重金属规范化的监测、监控系统，以获得准确、可靠的监测数据，并采取措施减少重金属对水质生态环境的危害。

1 系统结构

该系统主要分为现场端和上端平台两部分（系统结构见图1），现场端与上端平台的通讯应用层采用HJ/T 212协议的扩展协议[1]，传输层使用TCP协议，物理层使用双绞线直接和公网相连。该系统采用UDP的方式和上端平台通讯，集成一个移动平台，方便移动办公。以武汉理研汽车配件（武汉）有限公司（以下简称“理研汽车”）示范点为例，现场端设在污染源排放口现场，用于监控、监测污染源排污状况及完成与上位机的数据通讯传输的单台或多台设备及设施，包括国产与进口的两台六价铬监测仪器、COD自动监测仪、总磷自动监测仪、等比例采样仪、流量计、pH计、现场工况控制器；上端平台系统包含数据接收服务、WEB页面浏览服务以及数据转发服务三个部分，后台数据库使用SQL Server 2005，另外可以与移动平台对接。

图1 系统结构部署图

2 系统设计

2.1 现场端系统设计

现场端系统的设计采用监测与控制相分离的方法，将PLC控制程序同工控机相结合。因为相对于工控机而言，PLC具有更高的稳定性，但工控机具有较好的运算处理能力[2-3]，所以该方案将所有的设备控制逻辑都集中到PLC上处理，而将数据转换、显示、通讯等任务集中到工控机处理，这就确保了现场设备在工控机失灵的情况下仍能正常工作，最大程度提高了现场设备的鲁棒性。

现场监控软件采用组态软件对监控系统进行二次开发是现今比较流行的架构方式，其优点是组态软件厂商对于软件开发细节进行了很大程度的整合，降低了软件开发技术门槛，以“搭积木”的方式开发出了完整的系统，整合了丰富的界面素材。然而组态软件也存在弊端：组态软件一般只整合比较通用的通讯协议，对于特殊协议的通讯设备，组态软件即无法满足要求。故该系统的现场监控软件采用了组态软件与数据转换服务相结合的架构方式。

在两个示范点，每套系统中集成的监控设备所采用的协议具有多样性，利用组态软件能够整合一些通用协议，但对于厂商自定义的专用特殊协议，就需要组态软件开发厂商开发出专用的协议驱动，这样不仅延长了开发时间，而且增加了开发成本。若采用传统高级语言，则能灵活地将特殊协议整合到系统中。针对这一情况，现场端监控软件结合了组态软件开发和高级语言开发的各自优势进行架构，即用组态软件开发用户监控界面，用高级编程语言开发协议转换程序对组态软件进行支持，两者分别对应现场端的TkMonitor软件模块和TkTransfer软件模块，具体开发方式见表1。

表1 现场监控软件开发方式表

工控机上的TkTransfer模块有多种数据接收端口（见图2），该模块将各个端口接收到的数据按照不同的设备协议解析后重新打包并转换成标准协议，然后由两路进行输出，一路由标准的Modbus协议输出，并由工控机的另一个串行口接收，TkMonitor模块监视此串行口，作为组态软件的数据进口；另一路由扩展HJT212协议通过以太网将数据发送到远程数据平台。使用扩展HJT212协议的目的在于兼容协议原本定义的污染因子监控数据，并在此基础上扩充设备自检、工况监控等新类别的数据，为数据有效性判别奠定基础。表2为协议接口方式列表。

2.2 上端平台设计

上端平台设计内容包括：

（1）采用污水处理工况和在线状态相结合方式，对各种数据进行标识，实现对监测数据有效性的判断；

（2）采用数据采集和自动上报两种通讯模式，数据采集模式可自动也可以手动，在网络传输不稳定的情况下，能最大程度地将数据上传到上端平台；

（3）上端数据库采取三级安全体系，数据库管理员账户拥有所有数据增、删、改、查的权限，平台应用程序账户只能对数据进行增、查，普通账户只能查看数据，通过不同权限的划分提高了系统的安全级别，同时又不失灵活性；

（4）采用分布式的系统设计，对采集的数据进行预处理，减轻了上端平台的负担，提高了系统的效率；

（5）与移动平台相结合，具有更强的可用性；

（6）平台和平台之间可以互相转发数据，实现县市级平台到省级平台再到国家级平台的数据互通。

图2 软件模块与系统硬件的接口示意图

表2 软件模块与系统硬件的接口方式列表

3 系统功能

3.1 有效性判别

原有在线监测平台系统往往仅反映污染因子的排放数据，而未对监测设备本身和污水处理工况进行监控[4]。该系统对以往这些被忽略的状态量进行监控，并将接收到的监测设备自检数据、污水处理过程工况数据和污染因子浓度数据结合进行分析。

对于每个上传的污染物监测因子浓度数据，系统结合同期上传的设备自检数据和工况数据进行判别，如均在有效范围内即判断该污染因子浓度数据有效，否则将被判断为无效数据，从数据统计中剔除（见图3）。

图3 监测数据有效性判别界面图

3.2 监控及控制

当进水污染物负荷超出工艺处理范围或工况出现异常时，传统监控系统只能监测出水中污染物超标浓度，超标废水仍然被排放到环境中[5]。该软件系统能在仪表盘上，通过控制污水处理过程中各关键位置的阀门以及搅拌机，实现“超标控制”功能。该系统的监控及控制功能通过两个部位实现：1）废水处理过程中pH值控制；2）监视槽pH值控制。若某一值超出工艺过程规定的范围，则系统自动关闭排放泵，并打开回流泵，这样未达标废水会重新回到污水处理系统前端紧急预备槽并进行再一次的污水处理过程；若该值在相应的范围内，则表明出水达标，排放泵开启，污水排出。

3.3 故障报警

该系统可对监测因子数据设置报警最小值与报警最大值，超过范围，报警系统启动。报警系统分为超标报警和故障报警两方面内容：

（1）超标报警。根据国家和行业相关污染物排放标准，企业排放废水污染物浓度超过标准限值，进行报警提示。系统通过主界面上各仪表数据的颜色来提示测量值超标情况。红色表示测量值超标，绿色表示测量值正常。

（2）故障报警。根据设备说明以及工艺过程设定在线监测仪器内部关键检测单元的正常信号值，系统自动采集设备自检信号以及工况监测信号，若某个部件发生故障，则监测值将超出此区间范围，系统则会提示该部位故障报警。

故障报警状态通过主界面报警指示灯提示，当出现报警状况时，该指示灯变为红色。通过报警确认，系统可按照多种方式对报警信息进行查询。当系统出现故障报警时，会主动向远程平台传输该报警信息。

3.4 日志

吴建中在《转型与超越：无所不在的图书馆》一书中指出，“图书馆是虚拟与实体高度融合的交流空间；图书馆应有效利用信息通讯技术，推进虚拟与实体空间的高度融合，使图书馆成为温馨亲和、信息通畅的知识交流空间；读者不仅可以在这里获取知识、交流信息，而且还可以从这里连接到全国乃至全球更大范围的信息资源” [9]。随着网络和新媒体技术的日益普及，图书馆也应开拓网上虚拟文化空间，使得各类文化展览和活动可以跳出现实空间束缚，在网络平台上发挥更大空间。

系统对各种报警信息、系统事件、设备参数等进行详细的记录（具体内容如表3），并提供智能查询功能，能够以报表形式进行数据导出、备份。记录了重要的关键事件作为日志备档，便于查询分析，见图4、图5。

表3 日志系统内容

图4 历史数据分类查询和导出界面

图5 系统日志

4 远程通讯系统方案

4.1 网络拓扑结构

通讯体系分为服务器机房、现场工控机和应用终端三部分，服务器机房配备专用的数据采集服务器、WEB应用服务器和数据转发服务器，形成一个局域网内的服务集群，用一个网关与Internet连接并配有防火墙。现场工控机通过光纤上网与数据采集服务器通讯。使用WEB浏览器的用户、移动终端用户和WEB应用服务器通讯获取数据（如图6所示）。

图6 通讯系统整体结构图

4.2 结构特点

协议体系按照OSI模型将其初略分成应用层、传输层和物理层，结构特点如下：

（2）传输层使用TCP协议，TCP协议在传输前先三次握手建立连接，数据传输时检测接收数据回应，并有重传机制，保证了数据的可靠传输；

（3）采用扩展HJ/T 212协议与现场软件进行通讯，扩展HJ/T 212协议将工况数据以及设备自检数据做为污染因子的辅助数据和浓度测量数据进行捆绑，扩容了传输数据的类型，同时兼容了原来的HJ/T 212协议，即使采用老协议的数据传输采集仪也能接入该远程平台；

（4）数据传输采用非对称加密算法，保证数据即使被截获也不可破解，通讯安全性高；

（5）平台对外使用HTTP协议进行WEB页面发布，使用浏览器即可浏览；

（6）平台对外使用UDP协议和移动终端通讯，使得运维工程师随时可以接收到在线数据、报警等消息。

5 结语

该研究详细介绍了一种基于重金属在线自动监测系统的污水处理监控及控制设计方案，将污水处理工况和在线状态相结合，解决了传统在线监测系统存在的无法判定上传数据有效性、超标废水直接外排、自动化程度不高等诸多问题，并成功将该系统应用于荷贝克电源系统（武汉）有限公司含铅废水在线监测系统和理研汽车配件（武汉）有限公司含铬废水在线监测系统，为湖北省建立规范化的固定污染源排放重金属废水自动监测系统提供了一定的事实依据。但在具体应用过程中，该系统尚存在不能生成报表等一些问题，有待在后期研究中进一步解决与完善。

[1] 污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准（HJ/T 212-2005）[S]．

[2] 李振，杜斌，彭林.山西省污染源自动监控系统的设计与实现[J].中国环境监测，2012（6）：130-135.

[3] 苗奇.山西省重点污染源自动监控系统设计[D].北京：北京邮电大学，2009.

[4] 水污染源在线监测系统数据有效性判别技术规范（HJ/T 356-2007）[S].

[5] 杜兆东.污染源水质在线监测系统研究与应用[D].长沙：中南大学，2009.

Design and Application of Control System of Heavy Metal Wastewater on Line

LIU Zhen-zhen1, QUAN Ji-hong1, CHEN Nan1, SUN Hai-lin2,HE Li-na3, XU Rong-hua1, ZHENG Ming-ming1, NIU Ya-dian1,TIAN Yi-ping1
(1.Environmental Monitoring Center of Hubei Province, Wuhan 430074;
2.China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012;
3.Environmental Protection Bureau of Hubei Province, Wuhan 430074, China)

Based on the investigation of operation status of monitoring system of pollution source on line set up at two project sites of Hoppecke and Riken motorcars, and in line with the actual conditions of construction standards and project sites of monitoring system of heavy metal wastewater on line, the paper presents the locale end and up end platform of supervision and control system of heavy metal wastewater on line. The system increases four designs in original base: by adopting third class control mode to integrate the pollution gene data, sewage treatment working condition with supervision equipment system on line and to carry through the effective differentiation on transmitting data; to carry through supervision and control on sewage which does not comply with the discharge standard; to give an alarm on malfunction of equipment and wastewater of extra standard; to transmit logs and reports automatically so as to increase the working efficiency of supervision and conrol on line and to realize a good operation result.

heavy metal wastewater; monitoring system on line; supervision and conrol; validity of data

X832

A

1006-5377（2015）04-0008-05

课题项目：环保部监测司2012年研究课题，项目编号：2012HJW001。