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水质在线自动监测站的建设

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:122

  作者:郭品成单位:
  0 引言
  随着我国经济的发展,大量工业污水的排放导致河流污染严重,环境遭到严重破坏。尽管国家环境保护局和国家环境监测站投入了大量的人力和财力对河流水进行监测,但一些不法厂家利用夜晚或环监站容易疏忽的时间段排放污水,或者是河流上游排放污水,导致下游污染严重。这就急需我们在区域交界处建立24小时环境检测站,对河流水进行24小时不间断的监测,并把监测到的数据同步发送到环境站监测中心,由环境监测中心统一管理数据。
  水质在线自动监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心,运用现代传感器技术、自动测量技术,自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测体系。能连续、及时、准确地监测目标水域的水质及其变化状况;中心控制室可随时取得各子站的实时监测数据,统计、处理监测数据,可打印输出日、周、月、季、年平均数据以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各种监测、统计报告及图表(棒状图、曲线图、多轨迹图、对比图等),并可输入中心数据库或上网。
  1 自动监测系统的工作流程
  图1 水质自动监测站现场站基本结构图
  自动监测系统分为几大部分:
  1, 采样单元:通过采样泵在河表面取样,送入分析系统;
  2, 预处理单元:把原水沉沙、过滤、杀菌等处理之后分析仪表;
  3, 分析单元:通过各种分析仪表对水样进行分析的综合单元;
  4, 控制单元:通过PLC控制整个系统的工作流程和各个单元的协调工作;
  5, 数据采集单元:通过数据采集模块采集分析仪表对水样的分析结果;
  6, 数据处理单元:把采集到的数据经过A/D转换之后发送给控制中心站。
  采水泵采水后送入沉沙池,沉沙之后再经滤芯过滤送入样水杯供分析仪表使用,数据采集单元采集分析仪表分析出来的数据,送给工控机处理数据(一般用组态王软件),最后工控机把数据送入发送单元,送入中心控制站。
  2 水质自动监测站的主要监测内容
  水质自动监测站建设的目的是自动监测河流湖泊等的水的质量,其是通过监测水中主要的参数来衡量水质的好坏。目前,比较成熟的常规监测项目有:水温、pH、溶解氧(DO)、电导率、浊度、氧化还原电位(ORP)、流速和水位等。常用的监测项目有:COD、高锰酸盐指数、TOC、氨氮、总氮、总磷。其他还有:氟化物、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、TOD、BOD、UV、油类、酚、叶绿素、金属离子(如六价铬)等。
  参数的分析都是采用分析仪表来实现的。水质自动监测仪器仍在发展之中,欧、美、日本、澳大利亚等国均有一些专业厂商生产。目前的自动分析仪一般具有如下功能:自动量程转换,遥控、标准输出接口和数字显示,自动清洗(在清洗时具有数据锁定功能)、状态自检和报警功能(如:液体泄漏、管路堵塞、超出量程、仪器内部温度过高、试剂用尽、高/低浓度、断电等),干运转和断电保护,来电自动恢复,COD、氨氮、TOC、总磷、总氮等仪器具有自动标定校正功能。
  3 站点的选择
  由于水质自动监测站是监测河流断面水质量的一个体系,因此站点的选择显的由为重要,一般需要考虑以下几个方面的因数:
  ⑴, 地理位置;
  地理位置的选择主要是要考虑到省界或区域交界处,上游交给下游水的水质情况,以便于下游区域知道进入本区域的水污染是否严重。
  ⑵, 水流状况;
  水流情况要考虑到水深和水速,还有是否经常断流,以便于在设计监测站时做出相应的处理。
  ⑶, 航运情况;
  过往的船只是否会对监测站有影响,采水系统的设计应当尽量避免船只对其的影响,如撞坏撞沉等。
  ⑷, 交通情况;
  由于监测站的仪器仪表的运入、站点的维护、试剂的更换、领导的考察等都需要车辆进入,因此,一个相对较好的交通是必须满足的。
  ⑸, 通信情况;
  自动监测站数据的发送现在一般有两种方式:通过卫星发送和通过电话线发送,只有在一个比较好的通信条件下,数据才能成功发送,因此通信条件的好坏,将直接影响到监测站与上位机的联系。
  ⑹, 电力和自来水的供应情况。
  由于自动监测站一般都位于比较偏僻的区域交界处,电力和自来水的供应都经常会短缺,因此建站时务必要考虑到这方面的问题,以保证监测站的正常运行。
  水质自动监测系统中心站要能满足通信联络方便和交通运输便利,设在监测范围内的任何地方都可以。但对子站来说,既有建站的数量问题,又有站址的选择问题。这两个问题主要是由监测范围和该范围内的排污情况所决定的,同时也要考虑物质条件的可能性,一方面要满足电力供应的要求,另外要有自来水连续供应,以便于仪器的定期清洗,最后要具备通信条件,最好依托现有的通信设备,保证数据的连续传输。
  4 自动监测系统精析
  4.1 采样单元
  采样单元为整个系统提供水样,其工作的好坏,将直接决定系统是否能正常工作。因为所采用的采样泵分为两种:自吸泵和潜水泵,所以根据泵的不同,采样单元也有所不同,这里主要介绍一下自吸泵的采样方式。
  采样单元分为几大部分:
  1) 浮筒 浮筒是放在水面,只能上下运动,不能水平运动,直接与采样泵相连的一个部件。浮筒的作用是保证系统永远采到表面水。其制作材料应为不锈钢材质,以保证长期在水中浸泡而不生锈。其结构如图2所示。
  2) 采样泵 采样泵是采水系统的关键,其工作的好坏将直接影响到采样单元能不能给系统提供水样。一般都为系统提供两台采样泵轮流工作。在购选泵时,要考虑到泵的吸程和扬程、最大连续工作时间、承受的电压等。
  3) 反冲阀 因为泵里面都自带底阀,清洗泵时用的是自来水反灌的方式,因此必须给泵旁边做一个直接跨过泵底阀的清洗管,管上接一个反冲阀,平时阀关闭,清洗时阀打开。如图3:
  图3 采水系统
  4.2 预处理单元
  本单元包括原水的沉沙、过滤、杀菌等。原水经采水单元后进入沉沙池,原水沉沙半小时左右后,过滤送入样水杯供分析仪表使用(注:五参数仪表用水不需要沉沙和过滤,直接由采样泵送入仪表)。
  预处理单元关键的技术在于如何把沉沙之后的水过滤送入样水杯。这里笔者介绍一种气缸驱动法,如图4所示:
  气缸是分为两部分:上半部分只通气不通水;下半部分只通水不通气,转换阀的作用是转换气缸的连接方式:要么与沉沙池相通,要么与样水杯相通。
  图四 预处理单元示意图
  预处理单元工作步骤如下:
  1) 转换阀转换,使气缸的水管与沉沙池的过滤芯相连;
  2) 气缸向上动作,原水经过滤芯过滤进入气缸;
  3) 转换阀再动作,使气缸与样水杯相连;
  4) 气缸向下动作,过滤后的样水进入样水杯;
  5) 如此循环,直到样水杯满。
  4.3 水样分析单元
  本单元是整个系统的工作重点,里面包含各种分析仪表,对水样进行分析,分析完成后,数据经采集模块采集送入工控机。分析仪表的工作方式根据各个厂家不同而不同。
  4.4 控制单元
  本单元是整个系统的大脑,负责各个部分协调工作。一般都采用PLC控制,PLC的选型根据各个系统需要控制的点数不同而不同,一般输入点和输出点都在三十个以上,另外考虑到成本和可靠性问题,宜采用OMRON或三菱的PLC,建议采用OMRON的CPM2A系列。系统的电路设计要充分考虑到强电对弱电的影响,因为分析仪表的输出都为4-20mA信号,非常容易收到外界干扰,强电和弱电的线路不宜放在一起。
  4.5 数据采集单元
  数据采集单元采用现有的数据采集模块,目前国内有很多生产厂家。其目的是把并联的4-20mA信号转换成串联的信号发送给工控机。
  4.6 工控机
  工控机里面装有组态王软件,它先把接收到的4-20mA信号进行处理转换成我们能理解的数据,如PH的值为7时为正常,那么正常时,我们看到的数字应为7,而不是十几毫安。转换后,工控机再把数据发送给发射单元,数据经发射单元送入中心控制站。
  工控机还与PLC相连,实时监控PLC的工作状态。另外如果有数据异常,工控机也会告诉PLC,让PLC做出相应的处理,如报警等!
  4.7 其他选配功能
  4.7.1 UPS和发电机
  由于市电经常可能停电,导致系统工作不正常,因此为系统配上UPS和发电机显得尤为重要。
  由于UPS储存的电量比较少,价格也比较昂贵,因此一般都只给工控机配一台小型的UPS,保证工控机在断电以后能正常工作,告诉中心站,系统没电了。
  发电机能长久的工作,且功率大,价格相对也要便宜一点,因此发电机能给整个系统供电,但发电机不能够在断电以后自动发电,因此还需要给发电机配一台ATS自动切换柜,在市电断电以后马上自启动,为系统供电;当市电工作正常以后,ATS才将发电机停下。
  4.7.2 采样器
  当有参数异常以后,我们希望系统能自动采集异常的样品,拿回去供我们分析。这就需要用到采样器。
  当参数异常时,工控机首先检查到,并把异常告诉给PLC,PLC接受到异常信号,就触发采样器工作,收集异常的样品。
  采样器要能够实现多次采样并分瓶的功能,当第一次有异常,样品放入1号试剂瓶,当再次发生异常,样品应放入2号瓶,依次类推。
  4.7.3 空调
  由于分析仪表对工作环境要求非常高,温度太高或太低都会影响其正常工作。因此需要为系统配置一台空调,保证环境温度适合。
  4.7.4 水深流速计
  测量水深和流速的一种仪器。测量出来的数据送入工控机,一起发送给中心控制站。
  4.7.5 纯水机
  因为很多分析仪表(如:高锰酸盐分析仪等)的工作需要用到纯水,因此需要为系统配置一台纯水机,当纯水用完以后,PLC触发其造纯水,当造满一杯后PLC让其停止工作。
  4.7.6 空压机
  由于系统的管路上需要用到很多的气动阀,给系统清洗时也要用到高压空气,这就需要为系统配置一台空压机。配置空压机时要考虑到空压机的容量,太小了空压机的启动将非常频繁,太大了又会提高成本,造成浪费。
  另外,空压机在工作一段时间后,里面会有大量的水积压,最好是每周能为其放一次水,保证空压机的工作正常。
  5 清洗系统
  为了保证系统能长时间正常工作,就必须每隔一段时间自动为系统清洗一次,清洗应全面的有效的进行。清洗的内容包括:浮筒反冲、管路清洗、沉沙池的清洗、样水杯的清洗、仪表内部清洗等。
  原则上是清洗时不能影响仪表的正常工作,这就需要在PLC程序设计时,充分考虑到时间的冲突性,不能在系统进样时清洗,也不能在仪表进样时清洗。
  6 结 语
  目前,国家每年要都投入大量资金处理环境问题,水质监测是重点建设项目之一。环境自动监测站的建设为各环监部门节约了大量的人力和物力,而且监测数据更具有连续性,实时性。
  总之,环境自动监测站的建设是应国家环境建设需要而设计的一个综合的监测系统,充分应用了现代控制技术、计算机应用技术、通信技术和仪表分析技术。

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