基于污染源在线监控系统的实时水质监测系统设计

崔秀波，路鹏程，李璐璐，刘立明

(北京华信博润科技有限公司，北京 101116)

为加强污染源监管，进一步规范和提升城市染源现代化监管水平，江苏省制定了固定污染源自动监控管理办法，针对本行政区域内排放水污染物、大气污染物的固定污染源自动监控系统的建设、运行、维护、管理和现场监督检查。

连云港市赣榆区刘湾垃圾填埋场依据江苏省的固定污染源自动监控管理办法，建立实时水质监测系统，该系统由排污单位的自动监测设备、通信传输网络和生态环境部门的监控设备组成。自动监测设备安装在固定污染源现场，包括化学需氧量(CODcr)水质在线监测仪、氨氮在线分析仪、总磷在线分析仪；
通信传输的数据采集传输仪；
实时监控并记录数据的污染自动监控平台。现场检测设备由排污单位负责建设、运维。通过污染自动监控平台，市环保局可以及时了解污染源水质排放情况，水质合格的允许排放，不合格的及时通知排污单位做出相应处理，系统工艺流程如图1所示。提高污染源监管的效率，借助现代化技术加以实现显得非常重要[1-2]。

图1 系统工艺流程

水泵取水样电气连接如图2所示，数据采集传输仪的定时继电器，每间隔一定时间闭合一段时间，与流量计继电器串联在一起，当排水管中有水，流量计继电器闭合；
当2个继电器都闭合时，水泵电源导通，水泵取水送至各个监测仪。

图2 控制系统

3.1 化学需氧量(CODcr)水质在线监测仪

CODcr水质在线自动监测仪目前主要用于地表水、污水、自来水、雨水、河道、农田、企业生产、环保检查等，仪器可自动完成现场水源地的数据监测。

CODcr水质在线自动监测仪的监测方法依据是水质化学需氧量的测定重铬酸盐法HJ 354-2019；
化学需氧量CODCr水质自动监测仪采用的技术标准是HJ/T 377-2007。仪器触摸屏采用彩色触摸屏，界面尺寸为6英寸；
监测仪维护周期大于1月，每次约30 min；
监测仪的数据记录为10万次历史数据存储(两年以上全数据记录)；
数据输岀接口有两种，一种为0/4～20 mA，另一种为RS232/485；
另外，监测仪还配有无线物联网接口及联动控制接口。

3.2 氨氮在线分析仪

水中的氨氮主要来源于生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物，焦化合成氨等工业废水以及农田排水等。

在碱性环境和增敏剂存在的情况下，与水杨酸盐离子、次氯酸离子反应生成一种带色络合物，分析仪检测此颜色的变化，并将这种变化换算成氨氮值输出。生成的带色络合物量相当于氨氮的含量。本方法适用于氨氮在0～300 mg/L范围内的废水，过高的钙镁离子、余氯或浊度等可能会对测量产生干扰。

分析仪配有彩色触摸屏(6英寸)；
分析仪数据记录为10万次历史数据存储(两年以上全数据记录)；
分析仪自带报警及仪器状态自我诊断功能，能够有效降低风险产生；
通信方式数据输岀接口有两种，一种为0/4～20 mA，另一种为RS232/485；
还配有无线物联网接口及联动控制接口。

3.3 总磷在线监测仪

总磷在线监测仪设计满足现有污染源在线监测仪的要求，在满足在线总磷监测国标要求的前提下，还满足污水处理过程控制监测、实验室快速分析和环境应急监测使用。符合《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893-89)和《总磷水质自动分析仪技术要求》(HJ/T 103-2003)。该仪器采用小型化、标准化、便携化设计，可在站房内桌面安装、标准机柜内安装、监测车内安装以及应急监测灵活便携的使用。

数据测量范围分3种0.01～1.4 mg/L，0.1～10 mg/L，1～90 mg/L可供选择；
监测仪数据记录为10万次历史数据存储(两年以上全数据记录)；
监测仪自带报警及仪器状态自我诊断功能，能够有效降低风险产生；
通信方式输岀接口有两种，一种为0/4～20 mA，另一种为RS232/485；
还配有无线物联网接口及联动控制接口。

3.4 数据采集传输仪

数据采集传输仪是应环保领域各级国控、省控及市控污染源环境在线监控(监测)系统的需求而开发研制的产品，实现了数据传输的标准化。在线监测系统上位机使用的是污染自动监控平台，前端则是独立站房、独立采集系统。现场系统中的数据传输共涉及两个部分，与上位机系统通信、与现场仪表(或现场机)通信。当前，所有上位机监控平台供应商均采用标准的HJ/T 212— 2005协议与现场机进行通信。由于现场仪表通信种类繁多，输出信号也不尽相同。数据采集传输仪通过数字通道、模拟通道、开关量通道采集监测仪表的监测数据、状态等信息，然后通过传输网络将数据、状态传输至上位机；
上位机通过传输网络发送控制命令，数据采集传输仪根据命令控制监测仪表工作。数据采集传输仪兼容这些通信方式，通过模拟通道、开关通道、数字通道(RS232/485)与前端各类监测仪器/仪表实现无缝连接，进行本地数据采集、存储、处理与展示，将仪表输出信号或数据进行标准化数据处理，并通过 4G、有线等网络将数据远传至监控中心，使得不同种类的仪表与各个数据监控平台都可以实现“透明传输”。市场烟气和水质系统大都自带工控机，但工控机仅作为仪器端的一部分，也需要数据采集传输仪实现标准化数据传输。

一款数据采集传输仪简介如下，无线传输方式可选WCDMA/CDMA2000/GRPS/TD-SCDMA等方式，配有一个10 M/100 M的RJ45接口；
上传数据至监控中心支持多中心传输，有线传输方式支持VPDN/ADSL/ISDN等方式上传数据至监控中心。数据采集传输仪支持多信道通信，可以同时向多个中心发送数据(标配有线上传3个中心，无线上传5个中心)，也可同时接3个DTU；
与环境监测终端设备可通过数字接口、模拟量接口及开关量接口连接；
数据采集传输仪自身标配2路数字接口，也可扩展到6路，其中COM5和COM6可扩展为485口，8路模拟量输入接口，8路开关量输入接口，5路开关量输出接口；
数据采集传输仪通过串行端口连接时，需要设备用户提供环境监测终端设备的通信协议。

3台仪表采用RS485，标准MODBUS RTU通信方式与数据采集传输仪连接，设置相应的MODBUS站点号、波特率、校验码等，调试各个仪表与数据采集传输仪的通信，至正常通信状态，通道号：1，2，3(接线对应COM1，COM2，COM3，3个仪器采用RS485通信与数据采集传输仪通信，占用3个接线端子)。选择采集数据，之后选择相应的仪器，部分操作界面示例如图3所示。

图3 仪器与数据采集传输仪串口通信示例

数采仪与上位机平台采用IP地址端口号进行通信，具体参数如图4所示，其中，中心地址、中心端口和MN号由国家平台或相应的平台提供。

如图4所示，MN号码是平台分配的MN号码，是区分每个监控点的唯一标准识别码；
中心地址为平台IP地址；
中心端口是平台提供的端口号；
访问密码为平台的访问密码；
超时时间是发送数据之后，等待平台响应的超时时间，单位s。

图4 数据采集传输仪与自动监控平台通信设置

平台类型分国家平台、省平台、市平台、区平台、企业平台、运营商平台等，用于区分连接的平台，显示在实时界面，方便查看，可根据现场情况选择。报警周期是发生数据超标报警事件之后的报警数据上传时间间隔，单位s；
心跳周期是心跳包的上传时间间隔，单位min，其他参数不再多叙述。

数据采集传输仪是现场仪表与上位机系统的连接仪器，通过数字通道、模拟通道、开关量通道采集监测仪表的监测数据、状态等信息，然后通过传输网络将数据、状态传输至上位机。上位机通过传输网络发送控制命令，数据采集传输仪根据命令控制监测仪表工作。在整个环境在线监测系统中，上位机是在线监测系统软件平台的统称，下位机则是现场仪器仪表的统称，包括仪表供应商提供的具有计算处理能力的工业控制计算机。

通过4G等多种通信方式，系统可实现环保等水环境信息自动采集、预警、存储及远程发送到环保监控中心；
工作人员可通过网络远程登录数据采集终端进行各种操作，从而彻底实现系统的无人值守与实时监测的目的。

数据采集传输仪与自动监控平台网的通信设置需要由4G网络完成，系统通信原理如图5所示。数据采集传输仪中连接现场仪表和环保局监控中心、企业监控平台的中间核心设备。

污染自动监控平台以环境感知物联网为基础、以大数据技术为核心，按照“环保部门统一监管、企业主体责任、社会多元共治”的环境管理改革理念，致力于构建管理和服务互融、数据和信息互通的“互联网+”管理体系，助力提升环境管理能力、改善生态环境质量、实现环境经济协调发展。在支持环保部门提升业务能力的前提下，该平台可以在环评质量监测、污染源监控、环境应急管理等方面为环保行政部门提供监管手段和新鲜的一手数据，解决人员缺乏与监管任务繁重的矛盾，是利用科学技术提高管理水平的典型应用。“三分技术、七分管理”，该水质监测系统的建设是为环境监管服务的，同时也需要一个完善的运营管理体制，保证数据的真实性、一致性、完整性等的同时，也要解决管理能力不足、运维记录作假及现场基础资料不全等问题[3]。

平台由省级或市级环保局统一提供，各个排污企业统一将各自的污染监测数据上传至该平台，自动监测数据传输符合HJ212协议最新版本要求。排污单位安装在监控站房、排放口、治污设施关键位置的视频监控设备应当能够被省、市生态环境主管部门远程实时访问，并能远程调取6个月内的录像信息，排污单位对自建视频监控系统的安全性负责。安装用电监控设备的排污单位应当至少每15 min传输电量、功率数据一次，确保数据传输率达到99%以上。

自动监测监控设备停运或故障期间，排污单位或其委托的运维单位应当按照有关规定和技术规范，采用手工监测等方式，对污染物排放状况进行监测，并在72 h内向有管辖权的生态环境主管部门报送监测数据。

企业监测中心由数据采集与处理、数据通信、监测设备3部分组成。企业现场的各种在线监测设备自动对污染物排放口进行实时监测，其监测数据由数据采集器采集到监测中心，经数据处理单元处理后，由通信装置上传至污染自动监控平台。

企业监测中心的数据处理器具有本地存储功能。当通信网络出现故障时，企业监测中心系统会自动保存数据；
在通信恢复后，自动将故障期间的全部未上传数据上传至监测中心服务器，保证数据的完整性。

本文基于实际工程案例，利用当前流行的水质监测、智能物联等技术，将实时监测到的水质，上传至自动监控平台，接受环保行政管理监督，实现了数据远程传输、实时数据采集、数据管理分析、设备信息显示控制功能。系统有以下优点：

(1)控制方法简易，采用数据采集传输仪控制取水泵的启停，省去了编写控制程序。

(2)数据采集传输仪将COD、氨氮和总磷等多项数据集成在一起，按相关国标协议，打包发送给自动监控平台。

(3)企业和环保行政管理都可以通过Web可视化进行管理，实现历史数据保存查询及相关数据报警等功能。