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水质在线自动监测系统的设计与管理

2018.4.13

随着工业化生产的发展，我国成为世界加工厂，各种不同行业、不同水质特点的工业污水的大量排放，使水环境受到严重的污染，水资源安全受到严重威胁，污染事故频繁发生，水环境污染还没有得到根本遏制。为保护我们日益严峻的生存环境，我国不断加大环境保护的力度，把环境治理提高到生态文明建设和美丽中国建设的高度，其中一项重要举措是加强对水环境的水体质量监测，严格控制污水和废水的排放标准。

　　我国传统的环境监测工作一般采用人工采集、实验室分析、手工处理数据和汇总制表等工作手段，由于采样间隔时间长，数据分析慢、传递不及时，难以对企业的排放、污水处理厂的运行控制和水环境质量进行实时监测，无法及时把握实况。

　　以在线自动分析仪器仪表为核心，以移动互联网和物联网的协同交互，运用现代传感技术、自动测量技术、自动控制技术、信息技术以及相关的监控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系统是建立智慧水务和环境监测系统的重要发展方向。污水处理水质在线监测系统基于分布式GPRS/Internet监控网络，可同时对多个远程现场进行运行监视、自动预警、操作控制，实现在线数据查询、统计报表和维护管理。

　　1系统组成结构

　　水质在线监测管理监控系统是集监视、测量、控制、管理等于一体的计算机自动化和信息管理系统。

　　根据水质净化工艺的生产工艺流程、控制点及现场设备的安装地理环境，遵循“集中监视，分散控制，随地查询”的设计思想，整个系统分上位机监控层、PLC控制层、现场仪表层和通讯网络，以及Web服务等几部分，并具有充分的可扩充功能，以便新增设备的接入和新建监测站点陆续加入到监控系统中。系统架构如图1所示。

　　图1水质在线监测管理系统结构

　　由图1可知，系统在层次上主要包括监测站点、通信网络、监测中心主站三部分。利用前端监控、数据采集设备的数据远传通讯功能和系统软件功能完成数据采集，通过光纤、微波或定时的GPRS信号发送到监控中心，实现地理分布式水质参数的实时监测，并且以WEB方式发布，工作人员通过浏览器和手机端可以查看数据。

　　2系统软件功能

　　水质在线监测是污水处理监控与管理系统的核心功能，可以实现对排污企业实时、不间断地连续监测，检测参数包括系统运行管理需求的量的参数、质的参数和过程参数，如工业企业污水的排放流量、COD、氨氮、pH等参数，保证监测数据的准确性和代表性，能够真实反映污水处理系统的进水水质和污水处理厂的运行情况。通过对实时数据的监测和分析，可预测水质的变化趋势，对水质关键参数变化进行预警，为污水处理系统的排放源-管网-提升泵站-污水处理厂的运行管理和应急决策提供重要依据和参考。

　　系统运行时某站点历史数据趋势如图2所示。

　　图2监测软件运行画面

　　运用组态软件开发平台可以方便地完成如下功能。

　　（1）实时监控：将所有企业所有排污口的设备运行状况、污染物排放浓度、流量、排放量等信息尽收眼底。通过监控界面，也可以设置控制参数，进行实时控制与调节。

　　（2）报警与预警：如果水质污染指标超过国家或地区标准，系统将自动生成报警信息，以声音、动画等形式提供多样化的报警功能。系统精确地给出具体的超标数值、超标时间、超标排放量、超标排放介质量，为强化监理工作提供详实可靠的依据。

　　（3）统计与查询：将水质在线监测数据和报警信息进行。

　　全方位多角度的分类汇总与统计分析，充分满足各种统计要求。用户可以选择按指标、测点、时间、能耗、药耗等多种方式进行查询，查询结果可以转化成报表文件以及数据图示三种不同形式呈现。

　　（4）趋势预测：根据所选日期和时间段，动态显示任意时间内的趋势曲线，便于操作人员和警戒线对照，及时对将要出现的故障进行处理。

　　（5）GIS信息：空间定位利用GIS的管理空间数据的功能，将分布在不同监测点或采样点在系统上进行空间显示定位。

　　（6）安全管理：对用户及其权限做严格区分，管理授权用户的登录，设置不同的操作权限，并可对每个登陆系统的操作员的操作过程进行记录，并可随时查询。从而有效地避免系统误操作，做到操作事故可追溯，保证了系统的保密性和安全性。

　　（7）WEB发布：系统具有WEB发布功能，允许经过授权的远程用户，随时登陆系统查看实时数据，并且支持智能手机、平板电脑等智能移动终端的远程浏览。

　　（8）共享接口：利用通信协议组件与生产调度自动化系统、信息管理系统联接，提供真实原始数据，实现统一的企业管理信息化平台。同时，软件平台以其灵活的开放性和可扩展性，可根据具体需求为第三方软件实现检测分析功能预留相应的接口。

　　3设计策略及其特点

　　水质监测与管理系统是一个综合性的在线自动监测体系，而系统软件涉及多种新技术的应用，其设计的合理性直接影响到整个系统的高效性、可扩展性、可维护性，以及开发成本。因此，在构建监测管理系统时，需要特别重视软件设计策略。

　　3.1基于组态软件架构

　　采用先进成熟的组态软件技术来架构系统，吸取传统分布式实时SCADA系统的优点，提供统一的数据交互接口和用户界面，保证各子系统具有良好的扩展性。

　　组态软件具有方便、灵活的开发环境，大大降低了软件开发工作量并加强了行业定制能力。采用先进的组态软件技术，支持工程模板、画面模板、对象模板等功能，“模型对象”一次生成、多次使用；同时，组态软件使用并发处理、完全透明的通信驱动模型，支持多种传输方式，实现对现场的无线控制和数据采集，并兼容市场主流的仪器、仪表，保证监测数据从采集、传输至存储库的全过程高准确性和实用性。

　　监测中心软件平台全部采用模块化设计理念，主要模块如图3所示。

　　图3监测中心软件平台主要模块

　　3.2融合C/S和B/S模式

　　在线监测系统为完全的分布式结构，同时支持C/S和B/S应用，不仅有利于监测数据高速度、高吞吐量、强可靠性、跨网络传输，实现广泛的安全性和可跟踪性，也方便构建Web服务，提供丰富的企业级信息系统客户端应用和工具。

　　融合C/S、B/S模式，可以充分利用网络中的Web服务器资源与数据库建立联系，使得系统整体响应加快，减少占用有限的服务器资源，从而提高系统的效率；B/S模式的维护和升级只是针对服务器，不需对客户端进行任何改变，成本较低、易于扩展。

　　3.3智能化数据处理

　　自动在线监测仪器的数据误差不仅包含自身固有误差，而且包括由于不同的采样、处理方法等部分产生的误差，特别是方法不同引起的误差有时会很大。因此，可以适当降低实际水样比对试验相对误差的要求，同时结合软件补偿算法在线调校，使大部分的在线检测仪器在正常运行过程中具有更大的适应性。

　　在组态开发时通过设置测点参数，如零漂、线性系数，或者生成工程值与原始值之间的转换脚本，从而实现自动校准。例如，将依序采集的COD测试数据分组，按照最小二乘法进行拟合，以得到COD在线自动监测仪的修正系数和修正值。

　　3.4无缝融入智慧水务平台

　　水质在线监测系统可以连续检测污水厂污水中氧气含量、酸碱度、氮磷含量和重金属含量等污水相关数据，采用实时发布/订阅数据服务，将这些数据直接分发到智慧水务平台。或者，监测系统通过扩展功能模块，对这些水质数据进行分析，得出污水在曝气池中所停留的最少的时间，在活性污泥池中培养的最少时间。水质监测系统与智慧水务平台的无缝连接，可以获得污水处理的最佳方案，大大缩短污水处理的周期，将各个处理阶段的时间缩减到最合理的水平，从而可以增加污水处理厂的日处理量。

　　4结语

　　本文基于组态软件并融合C/S和B/S模式构建水质在线监测与数据管理系统，实现了实时数据采集、数据查询、数据分析和趋势预测等功能，保证了监测数据的准确性、一致性和安全性，具有灵活性强、易于测试、扩展升级成本低等优点。软件编程设计在具有较大的普适性的同时可以结合行业特点进行个性化系统和装备配置，在智慧水务建设和环境监测工作中将发挥越来越重要的作用。

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净水技术

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周锦帆