水质在线自动监测系统工艺流程设计

水质在线自动监测系统工艺流程设计

杨庚生

中水三立数据技术股份有限公司 安徽省合肥市 230000

摘要

以某调水工程的水质在线自动监测系统为例，水质在线自动监测系统是以在线水质分析仪器为核心,以PLC为现地控制单元采集水质数据，通过无线或有线等方式传递数据至远程调度中心，在调度中心利用监控软件对水质数据进行实时显示和分析，本文主要介绍水质在线自动监测系统架构和控制工艺流程设计。

关键词：水质、自动监测、工艺流程

Abstract

Taking a water quality on-line automatic monitoring system of water transfer project as an example, the water quality on-line automatic monitoring system based on on-line water quality analysis instrument as the core, with PLC as the control unit to collect field data of water quality, through the wireless or wired way to pass data to the remote control center, such as monitoring software is used to analyse the data of water quality in the center of the scheduling real-time display and analysis, this paper mainly introduces the water quality on-line automatic monitoring system structure and control of process design.

Key words: Water quality, automatic monitoring, control process

1 引言

水质在线监测系统是一个以在线分析仪表和水质状况研究需求为服务目标，以提供具有代表性、及时性和可靠性的水质数据信息为核心任务，运用自动控制技术、计算机技术并配以专业软件，组成一个从取样、预处理、分析到数据处理及存贮的完整系统，从而实现对水质的在线自动监测。某长距离调水工程输水线路较长，在沿线共设置9座现地水质监测站。为了全面掌握和控制工程水质变化情况，确保输水过程的安全，防止水源地受到污染，保证调水工程的水资源质量，结合工程实际运行工况，在工程沿线重要分流点和汇集点安装建设水质监测站，实现输水过程中重要控制点水质信息的快速采集和实时传输，建设和完善水质变化动态监测体系，为全线调水管理工作提供快速、准确、可靠的数据支持，保障调水安全。

本文首先简要介绍水质在线监测系统的组成单元和整个系统的架构层级，并对系统各个组成单元功能进行阐述，系统架构主要分三个层次如现场数据采集控制层、通讯传输层、控制中心层，其次重点对水质在线监测系统工艺流程进行介绍，详细介绍整个水质在线监测系统工作方式、工作原理，实现了对整个调水工程水质状况实时监控。

2 水质在线监测系统组成与架构

2.1系统组成单元

水质在线自动监测站由取水单元、水样预处理及配水单元、分析监测单元、现场系统控制单元、通信单元、辅助单元组成。系统工作以在线自动监控仪表为核心，取水、预处理工程为辅助，数据采集传输和远程监控为最终目的。

1.取水单元：各处监测站需包括具有自动控制功能的水样采集系统、水路清洗系统和水质分析仪。通过潜水泵或自吸泵从河流或者排水管道完成水样采集和输送的功能。在水质监测站点处设取水泵现地控制箱，采用现地控制、自动控制和远程计算机集中控制相结合的方式。

2.水样预处理及配水单元：通过沉沙箱或者其他设备初步将水样泥沙进行初步处理，通过蠕 动泵导入到相应的管路，样杯，以达到水样预处理和水样输送的目的。

3.分析监测单元：由监测分析仪表组成，完成系统水样监测分析任务。

4.现场系统控制单元：负责完成水质自动监测系统的控制、数据采集、存储、处理等工作。数据采集、传输、分析，主要在水质监测室配套安装一套现地PLC控制柜，通过PLC各功能模块采集在线式水质监测仪表的数据，PLC按照已编写装载的控制流程程序实现定时采样，也可以通过手动方式、自动方式进行数据采样。

5.通信单元：负责完成监测数据从各水质自动监测站到监测中心的通讯传输工作。通过有线或无线的方式，实时上传至调度中心监控软件进行显示和分析，通过监控软件水质分析模块，分析水质变化趋势，实现预警，达到水质在线自动监测系统水质数据自动采集、传输、分析、存储等功能。

6.辅助单元：辅助单元是保证水质自动监测站正常稳定运行所不可或缺的重要组成部分。主要包括：清洗装置、除藻装置、空气压缩设备、停电保护及稳压设备、防雷设备、废水收集处理等。

其中各个站点水质采集因子一般根据当前水质站站点重用程度进行配置，各个站点水质分析仪表配置可能不尽相同，其中基本仪表分析单元由常规五项（pH、水温、浊度、 电导率、溶解氧）、其他根据需求如高锰酸盐（COD）、氨氮、总磷总氮、总有机碳(TOC)等指标。水质在线监测系统设备装置配置图1所示:

图 1 水质在线监测系统装置图

2.2系统总体架构

总体架构设计上分为三个层次，分别为现场数据采集控制层、通讯传输层、监控中心层。

1.现场数据采集控制层：主要为水质监测子站建设，包括固定站点、水站仪器仪表集成及系统集成。该层实现水质监测数据、仪器设备状态数据、报警数据以及环境动力指标数据的采集，监测信息的传输、实现水质现地站与调度中心的联网接入，以及现地水质站的反向控制。

2.通讯传输层：主要为无线通讯链路的建设、有线光纤通讯链路的建设两种方式，其中在调水工程沿线距离较偏、且有线很难到达的地方一般采用无线方式接入，在各级闸泵站采用人工值守地方采用一般有线方式传输。

3.控制中心层：控制中心硬件设备和中心管理控制系统。其中中心管理控制系统实现各子站水质监测数据的远程采集、存储、审核、交换、汇总、评价、分析、应用、发布、上报以及对各监测子站的远程控制。

图 2 水质在线监测系统架构图

3 水质在线监测系统工艺流程

3.1系统工艺流程

水质在线自动监测系统按照控制工艺流程主要分为清洗、抽原水，沉淀，抽样水，做样，保养六部分。水质在线自动监测系统根据时间和站点排水流量启动测量流程，控制工艺流程六大步按顺序依次执行，每步执行完成后控制系统记录执行结果并上传至调度中心。其具体控制工艺流程执行顺序如下图所示:

图 3 水质在线监测系统工艺流程图

1.清洗流程:主要在测量抽取样水前利用自来水和气体混合，清洗取水单元，预处理单元以及取水管道。首先清洗取水单元，利用自来水和气体混合冲洗取水管道，然后自来水清洗沉沙箱，再用气体冲入沉沙箱反复冲洗三次以上，然后冲洗取水样杯及取水管道。其具体执行方式可在自动，手动模式下，置位清洗流程标志位，启动清洗泵后，启动气洗阀每间隔2秒钟充气一次，之后依次清洗多参，沉沙箱，样杯，清洗完成后复位，自动手动，清洗标志位。

2.抽原水流程: 清洗流程结束后就可以抽取要取样的原水到沉沙箱，抽取原水时首先利用原水冲洗下管道和沉沙箱，防止冲洗流程中的自来水对做样产生一定干扰。原水冲洗完成后，抽取水样到沉沙箱中。其具体执行方式可在自动，手动模式下，置位抽原水流程标志位，启动抽水泵，初始启动1#泵，每隔5天进行自动切换，可手动禁止切换，手动选择，选择启动泵后50S仍有沉沙箱液位低。

3.沉淀流程: 将抽取到的河流中的水样在沉沙箱沉淀一段时间，时间可根据实际需求设定。其目的主要是防止从河流中直接抽取的原水中泥沙含量过大，从而造成其他测量结果产生误差或者损坏测量仪表。分别可在自动，手动模式下，置位沉淀流程标志位，沉淀时间原则上根据水质监测时间要求在PLC设定完成，也可以通过现地工作站上修改。

4.抽样水流程: 利用蠕动泵将沉沙箱中水抽取到样杯中，为水质仪表做样做准备，抽取前同样先利用沉沙箱的原水冲洗样杯防止样杯及管道中有污染干扰做样。其具体执行方式可在自动，手动模式下，置位抽样水流程标志位，启动样水泵，将沉沙箱的原水抽到样水杯中，样水杯水满后自动停止蠕动泵，启动样水泵后15后，样水杯还未满则提醒报警。

5.做样流程: 启动水质监测仪表，仪表根据需求从样杯中抽取水样进行做样。做样过程中根据样水的需求量及时往样杯里补水。其具体执行方式可在自动，手动模式下，置位做样流程标志位，启动仪表，等待做样完成数据读取标志位置1，现地工作占读取仪表数据并存置数据库中。

6.保养流程: 做样完成后，控制系统将做样结果采集存储到数据库中，每次做样的时间间隔大概4个小时，所以当每次做样完毕后我们需要将样杯及沉沙箱水排掉，再利用自来水清洗设备及管道来保养设备及管道。保养结束后等待下一次启动命令。保养也是同样的利用自来水和气体冲洗设备及管道，其工艺流程和清洗类似，只是在控制结束时将五参数设备箱中保留来水，从而来保护监测设备不暴漏在空气中。其具体执行方式可在自动，手动模式下，置位保养流程标志位，排出系统中所有的样水，启动清洗泵后，启动气洗阀每间隔2秒钟充气一次，之后依次清洗多参，沉沙箱，样杯，保养完成后复位。

3.2数据上传分析

数据传输主要指完成监测数据从水质监测站到远程调度中心监控软件，以及将调度中心下发的控制命令发送到水质监测站。实现远程系统运行状态实时数据的传输、历史监测数据的采集、远程设置命令的接收等操作，并能根据需要扩展通讯协议将数据传输到任意系统上。系统主要包括GPRS数据传输终端、宽带通讯设备及相关传输软件等。

4 总结

本文主要针对水质在线自动监测系统的组成与架构进行介绍，并主要对其控制工艺流程进行详细设计和分析，将控制工艺流程分成6个部分，现地水质监测站在管理上做到无人值守，实现整个系统运行高度自动化，每天定时自动采样分析，将采集数据存储在现地数据库中和传送至远程调度中心，整个系统的正常稳定长期运行。

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作者简介：姓名：杨庚生（1985年6月）；性别：男，学历：硕士研究生；现有职称：机电工程师；研究方向：水利工程。