工业园区雨水监测排放控制系统设计_路鹏程.pdf

收稿日期：第一作者：路鹏程（），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为机械设计及自动化控制。：工业园区雨水监测排放控制系统设计路鹏程，崔秀波，李璐璐，高 硕（北京华信博润科技有限公司，北京）摘要：为防止工业园区雨后地表被污染的雨水流进备用水源湖泊中，在工业园区建设了一套地表雨水监测系统。该系统由每个企业的雨水监测一体站和监控中心组组成。雨水监测一体站对雨水中的、氨氮和 值进行检测，不合格的雨水不允许排放到市政排水网中；监控中心组主要是对各个企业进行监控与运维。经过项目的实施，确实有效地保护了备用水源。关键词：水源保护；云平台；透传中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（，）：，：；引言企业内部雨水也是导致水体污染的原因之一。为了保护备用水源水质，工业园区内所有企业的雨水排放需实现在线监测，严禁超标排放，企业实行雨污分流可保证工业园区良好水环境，但企业内部环境也会造成雨水的污染。目前雨水排放大多采用被动方式，下雨即进行排放，但雨水收集系统对排放过程缺乏控制，因此加入物联网系统的设计理念有利于扩大优势，化被动为主动，减轻排水系统的压力。将物联网技术引入雨水收集与排放系统中，采用主动监测与控制雨水的水质，主动监测雨水排放，以达到保护水资源的目地。张显忠等提出由于雨水污染的特点包括随机性、广泛性、复杂性和时空性，采用框架策略“源头控制、过程收集、末端处理”，具体工程上采用工程措施与管理措施相结合的方法；周怀宁研究了物联网在雨水监测系统设计中的应用。总体要求根据园区雨水排放收纳水体（备用水源）水质要求，以及园区雨水排放体制及园区企业雨水排放实际现状，确定了雨水排放的相关控制指标及控制要求。系统选用更高精度的检测设备和一体化监测站，检测参数、氨氮和 值等；增加流量计，可适用于定性、定量检测要求，用于监控和禁止超标雨水排放；若用于行政执法手段，可采用手工监测或符合国标方法的在线监控设备。表 为雨水水质排放及监测标准。工业仪表与自动化装置 年第 期表 雨水水质排放及监测标准监测项监测要求检测时间分析方法 法氨氮 ，检测误差 水杨酸法 值 系统要求雨水检测设备的稳定性和及时性应不受温度、湿度等正常工作自然环境因素的干扰；系统初始状态下，取样泵不工作，排水阀关闭，回流阀打开。管道监测到雨水时，取样泵启动，取水样给分析仪，雨水达标则排水阀打开，雨水正常排放到市政雨水排放系统；若水质监测不达标，排水阀保持关闭，回流阀保持打开，雨水不予排放，取样阀打开，不合格雨水自动留样以备人工核查，同时通知企业作进一步处理。监测到的数据如、氨氮、值、流量及阀门开关状态等参数上传至监控平台，监控平台将这些数据进行解析。平台可以显示出与现场监测相同的数据。软件视窗显示，实时在线检测、显示、监视。系统总体框图与原理 系统总体设计及工艺流程工业园区排水管网具有很强的上下游关联性，从排放源到分支管网、主干管网、泵站、水处理厂及最终的受纳水体，形成完整的排水系统。接收雨水排放监测的企业分布在工业园区约 内，每一家企业设置 台雨水监测一体监测站，企业围墙内建有雨水自检池，有 条雨水泵出水管道和雨水泵回流管道，通向企业围墙外的企业雨水池，企业雨水池也是将雨水排放至市政排水管道的入口。雨水泵回流管道安装电动阀，电动阀用于合格雨水的排放；流量计对排放的雨水流量进行计量；水感应器检测管道是否有雨水，不合格的雨水采取超标留样。雨水监测系统由手机终端、云平台服务器、网关以及一体化监测站点组成，系统总体结构设计框图如图 所示。图 系统总体结构设计框图 水质分析仪将检测到的水质信息传给，通过 从站方式，将水质参数传到云平台数据库中，移动终端 通过 网络访问云平台数据，读取云平台数据中的水质和水量参数信息，操作人员可以方便地知道现场数据情况，从而及时做出相应操作而不必再去现场处理，实现水质的远程监测。企业监测点设计企业水质监测点位于企业墙外，主要由多参数监测箱、视频监控和土建栅栏等组成，其管道布置平面图如图 所示。图 管道布置平面图 年第 期 工业仪表与自动化装置 当管道中的水位达到 位置时，即认为有水存在。水感应器（即液位计）有浮球液位计、音叉液位计和电极式液位计等，考虑到经济实用性优先采用电极式液位计，。阀门选用电动蝶阀，电压为交流 ，大型阀门采用交流 ，该阀门执行电机只有在开关动作状态下工作，开到位和关到位电机自动关闭，防止出现过热现象烧坏电机。流量计采用超声波流量计，可以记录总流量、流速等相关数据，超声波流量计是一种非接触式仪表，测量准确度很高，最高可以达到 的精度，几乎不受被测介质的各种参数的干扰。多参数监测箱多参数监测箱以在线自动分析仪器为核心，包含采水单元、配水单元、预处理单元、控制单元、分析单元和数据采集传输单元等。系统采用模块化设计，各类监测模块“即插即用”，可灵活组配。、氨氮和 值可选择 法和水杨酸法检测设备。分析单元有多个核心监测模块，可同步完成水质、氨氮和 值的在线监测；分析仪器采用意大利特莱思 紫外分光光度法分析仪，氨氮分析仪器采用意大利特莱思水杨酸比色法分析仪。基于紫外分光光度法（）的 在线监测是全面实施污染源在线实时监测的重要手段。雨水监测一体站采用一体化户外机柜配备工业冷暖空调，防护等级达到；内嵌工业级冷暖空调，装机功率小于 ，运行功率 。具有合理的分离沉砂和过滤功能；系统具有手动自动控制功能，自动化控制流程可编辑，具有良好的扩展性。数据采集传输单元具备实时监控功能，动态显示水站设备和监测仪器的运行状况。具有 和 等数字接口，支持无线、有线双重上传模式，支持多中心同步上传模式，具有系统自动诊断功能。雨水监测流程控制厂区将自检合格的雨水取样到一体化监测站，一体化监测站监测雨水的各项参数，合格的达标排放，不合格的回流到企业内部的雨水收集池；流量计设定测量频率为，以获取每个汇水区域排口的 在线流量监测数据。系统工艺流程如图 所示。图 系统工艺流程图 硬件设计 在工程设计中，开关量输入 个，开关量输出 个，数字量输入 个，选用标准型 ，晶体管输出，供电，路输入 路输出，根据配置，空余点数均在 以上，完全符合工程的要求；另外 既要做 主站，查询仪表的数据，也要做 从站上发报文到云平台，从站配数字量扩展模块 。接线图和工作示意图如图 所示。图 接线图和工作示意图 触摸屏触摸屏采用国产步科，（）高清显示，真彩色，自带网口和 个串口；脚本功能，支持边缘算法；内置物联网功能，支持 远程服务。采用以太网与触摸屏通信，两者之间用 根网线直接插接在一起，无需中间路由器，触摸屏 地址为 ，触摸屏地址为 。采用 路由器，提供了一种 工业仪表与自动化装置 年第 期 和 之间协议转换的产品，集成，及以太网等丰富的硬件接口，并且基于 操作系统，产品包含了 网页。硬件接口满足国标要求，方面支持空气放电 ，接触放电 。网络协议支持，和 等，该文采用 协议。串口采用标准 接线，将 从站数据发送到云端。系统软件设计 触摸屏组态软件设计现场人机界面采用步科 进行组态编程。组态设计了监控主界面、参数设置界面、历史数据和趋势画面等多个界面。自动与手动模式可自由切换，切换后可以显示出手动调节水泵和阀门的按钮；参数设置界面用于设置系统的各种参数，如、氨氮、值以及机箱温湿度控制等；趋势界面用于保存各个参数历史数据。为了防止出现暴雨情况下，企业因雨水不达标或雨水过多无法排放，设置了紧急排放功能。触摸屏组态画面如图 所示。图 触摸屏组态图 远程作业由于企业分布在园区方圆数千米之内，因此触摸屏 配有远程穿透功能，支持通过以太网实现触摸屏与主流 的远程链接。在该项目实施过程中，由于企业需要配置雨水监测站，如果程序有改动，借助远程穿透能力可以在办公室完成触摸屏和 程序的下载调试，极大地提高了工作效率。在 平台上，管理员通过建立群组分配不同用户对不同设备的访问权限，调试人员和操作人员在 端就能对相应的机械设备进行监控和集中管理，节省了时间和人力成本，提供了更加方便、及时和准确的现场设备远程维护服务。工作示意图如图 所示。图 工作示意图 程序设计采用 系列 软件，根据工作要求设计程序。首先分配开关量和模拟量 地址，开关量主要是现场的泵和阀门，模拟量为检测的数据如 值、电导率和氨气浓度；其次是分析流程，设计出图 所示程序设计流程图；最后根据工艺流程的需要，设计出符合要求的 程序。图 程序设计流程图 数据采集与透传系统对实时水质监控数据的处理包括接入、传输及解析、数据推送和数据业务处理。数据采集采用 转 的，一个 口接，一个 口接触摸屏，透传数据采用 协议。协议结构简单，只需要输入服务器 地址和端口 年第 期 工业仪表与自动化装置号，就可以连接到服务器上，打通设备与云平台的通道。云平台与监测一体站之间采用 协议进行通信，波特率，个数据位，偶校验，个停止位，发送命令间隔时间为 ，、氨氮、值和流量计站号分别是，和 等。报文文件数据见表。表 报文文件数据字段数据字段数据第 字节 高字节第 字节温度高字节第 字节 低字节第 字节温度低字节第 字节氨氮高字节第 字节取样泵开关第 字节氨氮低字节第 字节排水阀开关第 字节 高字节第 字节回流阀开关第 字节 低字节第 字节超标留样阀第 字节流量高字节第 字节预留第 字节流量低字节第 字节预留监控云平台网络通信协议采用数据透传方式，有可靠的连接通信能力，可实现全球快速接入、跨厂商设备互联互通以及调用第三方智能服务等。在物联网业务场景中，由于资源受限，不适合直接构造 数据与物联网平台通信，可将原数据直接透传到物联网平台。物联网平台会调用提交的数据解析脚本，将设备上行数据解析为物联网平台定义的标准格式，再进行业务处理。该文采用透传设备，将现场数据如、氨氮和 值等单精度浮点数，以及泵和阀的开关量状态等信号，整理成 标准格式报文，并被设置成一个 从站。通过 设置心跳、企业标识码以及询问码，采用主动上传的方式，将数据上传给云端，云端接收到报文后，解析设备透传的数据，并整理成 和 能识别的 格式数据。下行数据也采用类似的设置，云端通过 下发 报文，接收到报文后，将报文解析成 相应的数据或指令。表 为 格式物模型，可视化和移动端 如图 所示。表 格式物模型字符数据数据类型字符数据数据类型浮点数温度浮点数氨氮浮点数取样泵开关量浮点数排水阀开关量流量浮点数回流阀开关量图 可视化和移动端 测试和验证经过安装与调试，各仪器仪表与执行机构达到了相应的要求。取样泵的控制，当水感应器检测到管道中的水后，为了防止水信号跳动，在水信号稳定 后，取样泵开始不停抽水送到、氨氮和 值监测回路中，将监测后的水再返回到排水管中。排水阀和回流阀的控制，一体站在监测到合格雨水后，将排水阀打开，回流阀关闭；一体站在监测到不合格雨水后，将排水阀关闭，回流阀关闭，不允许将不合格雨水排放至城市排水管道。阀门动作符合系统控制的要求。超标留样电磁阀检测到不合格雨水时，打开约，采集足够的雨水，待人工进行雨水再次复检。、氨氮、值和超声波流量计采集数据达到设计的要求。结语该文基于实际工程案例，利用 物联网技术和自动化控制技术等，对大范围内的企业雨水进行监测和排放控制，实现了远程控制，极大地减少了操作者的劳动强度，对当地的雨水污染控制起到了良好的控制作用。该系统有以下优点：（）利用 和触摸屏读取现场监测数据，控制泵阀机构，极大地方便了操作；（）使用，极大地方便了 和 程序的调试以及监测数据的下载，在远程办公室就可以完成各种调试和数据处理工作；（）云平台及企业大屏幕，可以及时得到各个企业站点的监测数据信息，配合视频监控；（）基于在线多参数水质监测系统，方便一次性监测多参数，提高了监测效率。此外，该系统还可以应用到污水处理、雨水工程、海绵城市建设、农村水处理和养殖水监测工业仪表与自动化装置 年第 期等多种其他水质监测相关行业，应用前景广阔。参考文献：何梦男，张劲，陈诚，等 上海市淀北片降雨径流过程污染时空特性分析 环境科学学报，（）：张树林 企业雨分流统改造设计要点及案例分析工业用水与废水，（）：周怀宇，姜会全，刘海龙 基于物联网在线监测的景观项目雨