自动化控制在地表水水质自动监测站点中的应用

＊胡永飞 袁世辉

（1.河北满华科技有限公司 河北 050000 2.河北省环境监测中心 河北 050000）

引言

(1)水质在线自动监测的介绍

水质在线自动监测系统（On-line Water Quality Monitoring System）是一个以在线分析仪表和实验室研究需求为服务目标，以提供具有代表性、及时性和可靠性的样品信息为核心任务，运用自动控制技术、传感器技术、计算机信息技术、远程传输并配以专属操作平台软件，组成一个从采水、配水、分析、质控、预警到数据处理及存贮的完整系统，从而实现对样品的在线自动监测。自动监测系统一般包括采样系统、预处理系统、质控系统、预警系统、在线监测分析仪表、数据采集与自动化控制系统、数据处理与传输系统及远程数据管理中心，这些分系统既各成体系，又相互协作，以完成整个在线自动监测系统的连续可靠地运行。水质在线分析仪器按测量方式通常分为传感器法和光度计法两种，根据国标规范与监测需求要求选取不同测量方法。水质在线自动监测系统涵盖饮用水源地、地表河流、生态湿地、地下水、污染源、城市管网等等。虽然以上现场监测参数、监测方法、流程基本相似，但是不同监测地域、监测水体、监测对象、监测要求的不同对监测系统提出了不同的要求。接下来，就以最具有代表性的河流断面水质自动监测系统进行介绍。

(2)系统组成

水质在线监测系统是以自动化控制系统、数据处理软件系统为主，其它执行与反馈单元为辅的控制形势。

1.自动化控制系统

市场上主流控制形势是以PLC（可编程控制器）为核心的控制方式，主要使用西门子S7系列、三菱FX系列、欧姆龙CP1H系列的32位小型PLC（64点、128点、256点），其兼容开关量、模拟量（4-20MA、0-20MA、0-24V）、232信号、485信号、网口协议。配合继电器、接触器、浪涌保护器、信号隔离器、开关电源、液位传感器、压力传感器、有害气体传感器、火灾报警传感器、光照感应器等等组成一整套控制系统。

首先PLC接收数据处理软件系统的启动指令后会判断外部条件是否满足，这些条件包括管道压力、液位、外部供电等等传感器信号。接下来，PLC会按照已设定的参数进行采样、沉降、测试、超标判断、等步骤进行循环执行，前提是每一步流程都需要符合运行条件。期间，PLC会实时与操作平台软件进行信息交换，以致使操作平台按照流程要求进行监测仪器控制、数据采集、数据处理、事件预警、数据传输等工作。所以，PLC的可靠运行至关重要，因此控制系统在设计时需要考虑以下几点因素。

（1）供电：控制系统主体供电分为强电与弱电。强电分为AC380V（三相五线制）与AC220V（两相3线制），其条件为：外部市电首先接入稳压电源（三相五线制，＞15kW），此时根据采水泵需求进行分相，一部分给采水泵供电（220V或380V），一部分给不间断电源供电（220V，＞10kW），再由经过UPS过滤的供电提供给系统其它设备。此时特别需要注意地线（＜4Ω）与浪涌保护器的设置与各个用电设备的单独供电控制。

另外，传感器、继电器、通信采集器、光电隔离器等小型设备主要有DC24V或DC12V供电。因此需要配置高性能的多路开关电源作为其供电电源。

（2）控制：分为信号输入与指令输出。信号输入：主要接受采水泵液位、UPS供电信息、管道压力等信号，他们主要是以4-20mA、232形式反馈。此时需要注意4-20mA加装光电隔离模块。指令输出：主要为开关量信号、DC24V信号形式输出。开关量信号为低电压控制小型继电器形式，强烈建议使用高质量小型继电器。

（3）通信：PLC与外界通过232、网口通信，主要与工控机的操作软件进行数据交换。其通信形式没有本质区别，只是网口通信速率较高。

（4）可靠性：

水质自动在线监测系统一般地处跨界断面偏远地区，自动站系统流程复杂又涉及水和电，因此系统的可靠性运行尤为重要。提高可靠性有以下方法：

①零部件使用知名正规厂家，例如西门子、施耐德、德力西、欧姆龙等等。

②PLC输出端回路使用DC24V控制AC220V动作部件。

③设备与系统之间通信加装光电隔离器，建议使用一对多的串口形式。

④各个仪器设备的有效、良好的接地，并定期检查。

⑤总供电进线加装浪涌保护器、漏电保护器。

⑥动力与仪器供电相电分开。

⑦定期检查系统各个单元部分是否有漏水情况，必须及时修复，以消除安全隐患。

⑧供电、通信部分要与管路、泵阀部分进行充分分离，以避免漏电情况发生。一般建议线路走系统机柜上端，管路、泵阀部分走下端。

⑨系统机柜下端设置漏水或湿度传感器，以控制系统供电与预警。

2.数据处理软件系统

该系统是针对客户的需求深度开发、定制的专属的封闭的人机交互操作平台软件。该平台软件主要实现与监测仪表的双向控制，PLC指令交换，远程传输平台的数据通信等数据处理功能。软件的主体设计形势包括流程实时监控，系统参数设定，历史数据，数据曲线，运行日志等等功能。平台软件还可根据客户要求随时修改运行流程和运行条件。以随时应对监测仪表性能考核，事件追溯，突发事件等状况。

实时监控：该界面需要将系统整体管路流向，设备运行参数信息，进程状态、计时，运行操作，报警提示。

系统参数：可以设置修改系统运行参数、仪器特定参数、报警参数、手动操作。

历史数据：可以显示、打印、筛选、报表等功能。

数据曲线：显示各个参数历史曲线特性，以便于分析数据相关性。

运行日志：显示系统的运行、操作、报警、参数修正、故障等等日志。

另外，操作平台软件在与控制系统、仪器仪表、执行单元配合设计时也应考虑整体系统的运行可靠性。分以下事项。

（1）操作平台软件不建议使用一分多的串口连接，地址区分方式与各个监测仪表进行通信。

（2）操作平台软件应尽可能多的读取PLC对于各个部件控制信息状态，并以动画形式显示在人机界面中。增强其易操作性与故障判断途径。

（3）操作平台软件与仪器仪表之间的双向通信信息量较大，所以建议将通信间隔设置在10s左右。

3.其它执行与反馈单元

此部分主要涉及实现控制系统所需要的执行部件与传感器。其中包括阀体、管道流量计、液位计、压力传感器、温湿度传感器、电压电流传感器等等。该部分设备需要定期检查其工作状态，并定期对其进行保养或更换。

综合以上情况，在满足功能要求的前提下，控制系统的可靠性是优先考虑的因素。系统可靠性的提高需要技术储备之外，还特别需要相关从业人员的经验渗入。一个可靠的控制系统直接影响整个监测站点的运行率与运维成本。

近些年，监测数据已经纳入全国各地区生态考核的重要依据，也是对所有企业单位排放是否合格的判定标准。主要监测方法分为实验室手工监测与仪器在线自动监测，实验室监测存在响应慢、成本高、人为偏差、水样追溯难等不足，但自动在线监测可以有效的弥补手工监测存在的不足。因此自动在线监测系统数据已经逐步成为水质考核的重要依据。