在线水质分析仪器的地表水自动监测系统构成

地表水自动监测系统由取水单元、水样预处理及配水单元、辅助单元、分析监测单元、现场系统控制单元、通信单元、中心管理系统等组成(图2.7)。取水单元、水样预处理及配水单元、辅助单元完成水质自动监测站的水样采集、水样预处理、管路清洗等采样过程;分析监测单元主要监测水温、电导率、pH、溶解氧、浊度、总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数9个水质参数,有时根据需要可选择重金属、蓝绿藻、叶绿素、ORP、氟离子、流量等参数,完成监测站水质监测参数的分析过程;现场系统控制单元完成系统的在线监控操作、各类数据的采集等;通信单元实现数据及控制指令的上行及下行传输过程;远程监控中心作为系统的中心站,实时接收数据并进行远程监控操作及数据分析。地表水自动监测系统的设计必须参照国家有关技术标准、规范,满足用户对水质实时监测和远程监控的要求,为当地水资源实时监控系统的实施提供水质监督手段。

(1)取水系统

取水系统是保证整个系统能够正确运转、数据正确的重要部分,因此对于不同的河流、湖泊的水文状况、地理及周边环境,需要实地考察确定一个可行方案。取水系统的功能主要是在任何情况下都能将采样点的水样引到站房内部的仪器端,其水量和水压满足预处理和监测仪器的分析使用,并保证采集到的水样具有代表性,而且水样在运输过程中不变质。

图2.7　地表水自动监测系统构成示意图

取水系统包括取水构筑物、取水浮台、取水泵、取水管路、清洗配置装置、保温配套装置、防堵塞装置等,有些特殊采样点还需要设计除藻单元,主要构成如图2.8所示。取水管路应具有较强的机械性能,抗压、耐磨、防裂、耐腐蚀等,还具有良好的化学稳定性,避免对水样产生污染。取水泵的选择多取决于用水量和水位差。采样点随水位的变化而上下移动,与水面的距离为0.5～1 m,与水体底部保持一定距离(枯水期),确保取样口不会受到水体底部泥沙的影响。

图2.8　取水系统构成图

(2)预处理系统

水质自动监测系统中的水样预处理系统运行是否可靠、合理,是衡量一个在线水质自动监测站能否在现场连续、正常、可靠运行的关键所在,同时也是系统可靠性的重要技术指标。

地表水水质自动监测系统运行过程中,遇到最多的问题是管路阻塞,管路及分析仪器的检测系统被污染、微生物滋生,造成系统经常停机或数据异常等问题。水样的预处理是为了保证除去水中的较大颗粒杂质和泥沙,并且保证进入分析仪器的水样中的被测成分不变。预处理的方法有过滤、粉碎、乳化等,对于地表水的监测,采用的预处理方法多为过滤。其中,对于水质五参数的测量,水样不需要经过任何处理,采用流通池方式直接进入仪器的进样方式,以保证水样浊度、DO、电导率、pH 及温度测量的真实性和准确性。对于其他参数的测量,预处理系统的主要组成为预沉淀、过滤、稀释、清洗、系统清洗等。

预处理系统的设计,需要注意如下事项:

①由于每种仪器对过滤精度的要求不同,在设计过程中根据仪器分别采取恰当的过滤方式,过滤精度符合仪器要求,避免了由过滤精度偏差对水质检测的影响和维护工作量的增加,从而实现设计和应用的合理性、实用性。

②降低过滤水样量。根据仪器分析所需要的水样量,用多少,过滤多少,尽量减轻过滤装置的负荷,减小故障率和维护工作量。

③采用具有自清洗功能和无拦截式流路设计的过滤器。

④粒径较大的砂粒通过旋流除砂装置进行处理。粒径较小的泥沙则通过带自清洗的过滤装置进行处理,并通过管路布置、液流速度和系统反清洗功能的辅助最大限度地降低泥沙对系统造成的不良影响。

⑤根据分析仪器和标准分析方法的要求,适当选用静置时间,以达到预处理效果。

(3)自动监测系统

自动监测系统是地表水环境监测的核心部分,其他系统都是为这个自动监测系统的工作而工作。自动监测系统负责完成水样的监测分析工作,它由满足各检测项目要求的自动检测仪器及辅助设备组成,其中,水质自动监测仪器是水质自动监测系统中最重要、最昂贵的部分。(www.xing528.com)

自动监测系统的主要监测的参数项目有:水温、pH值、电导率、溶解氧、浊度、CODMn、CODCr、氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮、总氮、总磷、TOC、叶绿素、氰化物、氟化物、水中油、六价铬、挥发酚、重金属、总砷、流量等。通常标准监测的项目包括:水温、pH值、电导率、溶解氧、浊度、CODMn、氨氮、总氮、总磷。

自动监测仪器作为整个自动监测系统的核心设备,选择合适的监测仪器至关重要,主要考虑以下几点:

①整个自动监测系统总体设计符合国家、行业有关技术标准和规范。

②系统具有良好的兼容性和可扩展性,充分考虑将来仪表的扩充要求,相关设备保留相应的余量和接口。

③水质数据准确度和精密度满足要求,与实验室同步监测数据在允许误差范围内。

④系统具备断电、断水自动保护和恢复功能,系统自身可维持运转12～24 h。

⑤能够判断故障部位和原因,具备故障以及状态异常自动报警功能;在线故障诊断,具备监测频次设置功能。

⑥系统控制软件界面设计应简洁、美观、实用,功能全面且操作方便,适合监测技术人员和其他人员解读,数据库具备管理、分析、查询和二次开发功能。

⑦废液排放安全,避免二次污染。

(4)数据采集系统

数据采集和传输是将各个分析仪器输出的信号通过转化、采集到现场工控机或内置贮存器内,按设计要求进行数据处理、生成各种报表,发送到远程数据管理中心;同时,自动监测系统的一切状态参数和报警记录也可以传输到远程数据管理中心,便于中心了解系统工作状态。

1)现场采集单元:数据采集单元采用总线通信与模拟量采集相结合的方式,能自动采集4～20 mA 模拟信号及RS-232/RS-485/MODUBUS 等数据信号,其中PLC 主要采集各设备信号(开关量)、模拟信号,同时与现场工控机进行双向通信(汇报采集的数据,接收参数设置及上位机指令),对各执行机构进行控制。

PLC 具有掉电保护功能,各时间参数的设置值不会因掉电而丢失,上电后系统自动恢复工作。PLC 控制系统具有独立工作能力,当出现故障或检修时不会影响整个系统正常运转。具有手动、自动、远程命令等多种工作模式。可由现场工控机进行参数设置,可以由中心站计算机通过网络进行远程设置。

系统出现故障时,可进行自诊断自恢复,并将故障信息在第一时间内做出通知。

2)通信单元:通信单元负责完成监测数据从监测站到水环境监测中心的传输工作,并将中心的控制命令发送回监测站,主要包括通信终端设备、远程输出设备及相关应用软件构成。由于水质自动站数据量不大,但对通信线路的质量要求比较高,而通过有线网络ADSL 进行数据传输是一种比较可靠的方式。而GSM/GPRS 无线通信方式受通信基站、地域及天气的影响比较大,可靠性次之。

3)现场控制单元:现场控制与采集单元主要完成水质自动监测系统的控制、数据采集、存储、处理等工作,主要由控制柜、PLC 以及一些控制元件等部分组成。控制柜系统按照预先设定的程序负责完成系统采水配水控制,启动测试、清洗、除藻、反吹等一系列的动作。同时可以监测系统状态,并根据系统状态对系统动作做相应的调整。

系统控制应支持自动模式和手动模式。自动模式下系统按照预设的程序自动运行,无须人工干预。现场维护时启动手动模式,此时系统只有在现场维护人员手动启动下才进行相关的操作。系统还可接受远程启动命令,启动一些维护操作。