智能型水质分层监测装置的设计

＊张叙纶 张雯* 钟敏悦 李雄 衣志国

（1.浙江树人大学生物与环境工程学院 浙江 310015 2.北京兴成文缘电力设计有限公司 北京 102200 3.河北省秦皇岛市石河水库管理处 河北 066200）

在当前水资源受污染严重、水资源紧缺的大环境下，取水源的水质是否达标成为了影响生产生活的重要因素之一。水库作为重要的水源地，其水质监测是保证安全供水的主要措施。随着物联网的快速发展，我国的水质监测方式已经从人工取水样分析转变为水质监测船、水质监测浮标等远程监控手段[1-2]，极大减少了人工成本。水质监测船可进行全自动采样，帮助环境监测站顺利完成对水质的检查工作[3]，但此类平台一般不具备自动分层监测的功能。水体热分层效应是具有一定水深的水库的一个常见的、重要的物理分层现象[4-5]。中高纬度区的水体通常在夏季发生热分层，其对水体水质参数的垂向分布具有重要的影响，尤其在富营养化水体中表现的尤为突出。

以石河水库为例，石河是河北省东北部的一条独流入海河流，石河水库于1975年6月竣工投入运用，工程等级为三等，主要永久建筑物为3级[6]。本团队对石河水库进行人工分层采样，分别在水深为1m、5m、10m和15m水深进行了水文数据采集发现，石河水库在不同季节，都具有明显的水温分层现象，造成上中下层水体具有明显的温度差异。水温对其它水质参数如溶解氧、pH值、化学需氧量和藻类生长情况都有较大的影响，是水文生态重要的影响因素[7]。这种水温分层现象使库区内其它水质参数如溶解氧（DO）、pH值、化学需氧量（COD）和叶绿素a等参数的分层。经研究发现，在同一季节中，不同水层的水质参数均有明显差异，表层水体的溶氧值比底层水体平均高出30%，表明水体表层浮游生物和藻类含量较多；同时底层水体中的全年平均电导率值为表层水体的2倍，水体底部的铁锰含量严重超标。作为北方的典型水库，石河水库的水体分层现象尤具代表性。在如此复杂的水质环境下，如果还是笼统地进行单一水层取水已不可取，故需设计一种新型的水质分层实时在线监测系统，完成水库的水质分层监测任务。

1.智能型水质分层实时在线监测系统设计

（1）机械设备。采用和润起重100Kg单臂吊机，自行配备24V电动吊葫芦驱动绞盘旋转，牵引钢索滑动，实现传感器在水中的上升下降。

（2）综合控制柜。由ABB电气控制柜加装汇线槽、接线端子、PLC安装板、昆仑通态TPC7062TX嵌入式一体化触摸屏、电气主接线的控制柜，集成了电源管理、机电控制、数据采集、数据传输及人机交互界面功能。

（3）水质监测和气象监测。由水位传感器获取当前水位并上传，配套采用集成水质传感器，同时进行水温、pH、溶解氧、叶绿素a、浊度以及电导率常规参数检测。坝体上方安装气象传感器进行气象参数监测。传感器各型号分别为WQ101水温传感器、WQ201pH传感器、WQ-FDO光学溶解氧传感器、PCH-800叶绿素传感器、WQ-COND电导率传感器、WL400水位传感器和FRT FWS 600微型气象站，均为知名品牌。

（4）无线传输模块。数据传输使用WG-8010 GPRS DTU子站来进行，通过设置DTU子站心跳包，使DTU子站永久在线，DTU完成注册以后，即可与数据中心建立连接，并将DTU设置成采用TCP/IP协议透明数据传输的工作模式，数据中心的服务器采用流式套接字，DTU子站即可进入工作状态。

（5）上位机平台。本方案采用西门子S7-200 Smart的模拟数据采集模块EM AE04模拟量扩展模块来采集传感器的数据，经DTU传输给上位机平台，上位机平台采用人机界面组态软件和数据库组态软件构成，既接收DTU上传的数据，也可以直接实现组态编程的功能，对现场PLC进行远程控制。

2.智能型水质分层实时在线监测系统运行

(1)PLC程序及机电运行情况

①PLC资料。本设备采用西门子S7-200 Smart作为机电控制的核心部分，西门子S7-200 Smart是在S7-200 PLC的基础上发展起来的全新自动化控制产品，该产品提供I/O点数丰富的CPU模块，可实现通信端口、数字量通道、模拟量通道的扩展，同时集成了以太网接口，可实现与其他CPU、触摸屏模块和计算机的通信组网，是小型自动化系统的理想选择。

②模拟数据采集及转换。本设备另采用EM-AE04模拟量扩展模块进行模拟数据采集，并对集成水质传感器以及气象传感器的模拟数据进行转换，其关键在于找到实际物理量与内部数字量的关系，即首先列出折算公式，例如本设计中的水位传感器最大测量深度为0-30m，输出电流信号4-20mA，而EM-AE04量程为0-20mA，转换数字量为0-27648，设转换后的数据为X，则根据分析，可列出下式，如公式（1）：

通过STEP 7-Micro/WIN SMART软件中的“I-DI”和“DIR”两个转换模块，即可将模拟数值转换为实数，再经“MULR”和“DIV-R”两个计算模块，即可求出实际水深P，单位为米。

③驱动电机。本设备采用24V电动吊葫芦驱动绞盘，采购的电动吊葫芦配备了电机驱动器，只需将PLC的输出端子接入到电机驱动信号线上，即可使电机按照程序运转，并做好接地处理，减少噪声干扰。

④测量步骤。测量数据的精确程度，很大程度上取决于测量水层的单位深度，在本设计中，采用下的测量步骤：A.测量水面以下0.5m，以及水底以上0.5m的数据，得到具体水深（应考虑到季节引起的水位变化）；B.程序根据水深进行分层，并按照以米为单位进行分层；C.驱动电机运转，按照具体分层进行测量。

(2)DTU配置数据传输

①DTU资料。WG-8010 GPRS DTU内置工业GPRS无线模块，提供标准RS232/485/422数据接口，可以方便的连接RTU、PLC、工控机等设备，仅需一次性完成初始化配置，用户设备就可以与服务器端通过GPRS无线网络和Internet网络建立连接，实现数据的透明传输；另外，用户设备也可以利用DTU直接收发短信以及作为GSM MODEM连接上网。

②DTU参数配置。将DTU通过USB转接线连接到电脑并设置好串口，启动超级终端，在输入界面输入“AT”，界面显示“OK”，说明超级终端程序与DTU连接成功，继续输入“AT^udpm=0”“AT^PKMD=1”“AT^delay=-1”将DTU设置为TCP协议、GPRS自动连接和数据透明传输格式。

进入COMWAY DTU配置软件进行DTU配置，首先确认“DTU进入配置模式”，缺省参数为：波特率11520，数据位8位，校验位无，停止位1。本设备采用兼容桑荣协议，在“终端识别ID号2”中填亚控组态王软件的相关ID，并根据通信状态设置心跳包时间间隔，维持GPRS通信。

③APN参数设置和运行设置。APN缺省设置为CMNET，选择TCP协议，在更换运营商时可进行修改。本设备因实际情况需要，采用连续工作模式，以确保数据的实时性；同时，设备安装地点距离数据监控室较近，无需设置短信远程配置功能，设备运行起来更为简单可靠。

(3)上位机监视与控制

本设备使用北京亚控组态王软件搭建的上位机平台进行数据监控，兼顾数据接收、数据存储、曲线显示、表格生成和状态显示等功能。在监控界面设置菜单栏进行数据和表格查询，并设置手动停机、自动运行、手动上升、手动下降等按钮，通过DTU向下位机发送相关指令，人为接管吊机，处理突发情况。

(4)电源运行管理

为防止220V电源因紧急情况失去供电功能，本设备同时利用两块12V 100W太阳能电池板串联进行发电，并存储在两组蓄电池中，在紧急情况下，通过ATS自动转换开关进行电源切换，确保所有设备处于永久运行状态。

3.结语

本设计通过采用精确传感器对水体进行剖面分层数据采集并记录，保证水库水源用户的经济效益。综上所述，该系统具有良好的实时性和可靠性，能够准确监测水库输水洞水源地的分层水质信息，实现控制双向通信。应用互联网、物联网工程特点，操控简单，维修方便，避免了人力物力的大量浪费。该系统也适合应用于类似环境中，由于良好的工作能力，在大中小型水库的水质分层监测工作以及后续的水库水质环境分析和预警、确定取水层方面，必将有更好的应用前景。