劉真貞，全繼宏，陳 楠，孫海林，何麗娜，徐榮華，鄭明明，牛雅典，田一平

（1.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，武漢 430074；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012；3.湖北省環(huán)境保護(hù)廳，武漢 430074）

重金屬廢水在線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

劉真貞1，全繼宏1，陳 楠1，孫海林2，何麗娜3，徐榮華1，鄭明明1，牛雅典1，田一平1

（1.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，武漢 430074；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012；3.湖北省環(huán)境保護(hù)廳，武漢 430074）

通過對荷貝克、理研汽車兩個(gè)項(xiàng)目點(diǎn)已建污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況的調(diào)研，并結(jié)合重金屬廢水在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目點(diǎn)實(shí)際情況，介紹了重金屬廢水在線監(jiān)控及控制系統(tǒng)的現(xiàn)場端和上端平臺(tái)。該系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上增加了四方面的設(shè)計(jì)：采用污染因子數(shù)據(jù)、污水處理工況和在線監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合的三級監(jiān)控方式，對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判別；對未達(dá)標(biāo)排放的污水進(jìn)行監(jiān)控和控制；對設(shè)備故障和超標(biāo)廢水進(jìn)行報(bào)警；自動(dòng)上傳日志及報(bào)告。實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測因子數(shù)據(jù)有效性識別和超標(biāo)控制功能，提高了在線運(yùn)營監(jiān)控工作效率，實(shí)際運(yùn)行效果良好。

重金屬廢水；在線監(jiān)測系統(tǒng)；監(jiān)控及控制；數(shù)據(jù)有效性

引言

隨著工業(yè)的高速發(fā)展，礦山不斷地開采、冶煉，金屬產(chǎn)品的加工，各行業(yè)對金屬原料的需求與日俱增，導(dǎo)致重金屬污染越來越嚴(yán)重，污染事件不斷發(fā)生。而目前國內(nèi)尚無重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，已建的重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)也存在諸多問題：

（1）在線監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)僅能反映數(shù)據(jù)的上傳率，不能對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判別，無法保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性；

（2）數(shù)據(jù)的監(jiān)測停留在原始的“監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示”，即使監(jiān)測到廢水超標(biāo)，廢水仍被排入到環(huán)境中，未實(shí)現(xiàn)超標(biāo)廢水不得進(jìn)入環(huán)境水體；

（3）現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺(tái)僅能滿足數(shù)據(jù)查看和超標(biāo)報(bào)警顯示，故障報(bào)警等功能還未完善；

（4）平臺(tái)缺少日志及報(bào)告上傳等功能，平臺(tái)監(jiān)管人員仍采用文本手動(dòng)記錄和人工報(bào)送方式。

根據(jù)以上問題，亟需建立全面的重金屬規(guī)范化的監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)，以獲得準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并采取措施減少重金屬對水質(zhì)生態(tài)環(huán)境的危害。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場端和上端平臺(tái)兩部分（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1），現(xiàn)場端與上端平臺(tái)的通訊應(yīng)用層采用HJ/T 212協(xié)議的擴(kuò)展協(xié)議[1]，傳輸層使用TCP協(xié)議，物理層使用雙絞線直接和公網(wǎng)相連。該系統(tǒng)采用UDP的方式和上端平臺(tái)通訊，集成一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，方便移動(dòng)辦公。以武漢理研汽車配件（武漢）有限公司（以下簡稱“理研汽車”）示范點(diǎn)為例，現(xiàn)場端設(shè)在污染源排放口現(xiàn)場，用于監(jiān)控、監(jiān)測污染源排污狀況及完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊傳輸?shù)膯闻_(tái)或多臺(tái)設(shè)備及設(shè)施，包括國產(chǎn)與進(jìn)口的兩臺(tái)六價(jià)鉻監(jiān)測儀器、COD自動(dòng)監(jiān)測儀、總磷自動(dòng)監(jiān)測儀、等比例采樣儀、流量計(jì)、pH計(jì)、現(xiàn)場工況控制器；上端平臺(tái)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)接收服務(wù)、WEB頁面瀏覽服務(wù)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)三個(gè)部分，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2005，另外可以與移動(dòng)平臺(tái)對接。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部署圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用監(jiān)測與控制相分離的方法，將PLC控制程序同工控機(jī)相結(jié)合。因?yàn)橄鄬τ诠た貦C(jī)而言，PLC具有更高的穩(wěn)定性，但工控機(jī)具有較好的運(yùn)算處理能力[2-3]，所以該方案將所有的設(shè)備控制邏輯都集中到PLC上處理，而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示、通訊等任務(wù)集中到工控機(jī)處理，這就確保了現(xiàn)場設(shè)備在工控機(jī)失靈的情況下仍能正常工作，最大程度提高了現(xiàn)場設(shè)備的魯棒性。

現(xiàn)場監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)是現(xiàn)今比較流行的架構(gòu)方式，其優(yōu)點(diǎn)是組態(tài)軟件廠商對于軟件開發(fā)細(xì)節(jié)進(jìn)行了很大程度的整合，降低了軟件開發(fā)技術(shù)門檻，以“搭積木”的方式開發(fā)出了完整的系統(tǒng)，整合了豐富的界面素材。然而組態(tài)軟件也存在弊端：組態(tài)軟件一般只整合比較通用的通訊協(xié)議，對于特殊協(xié)議的通訊設(shè)備，組態(tài)軟件即無法滿足要求。故該系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控軟件采用了組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)相結(jié)合的架構(gòu)方式。

在兩個(gè)示范點(diǎn)，每套系統(tǒng)中集成的監(jiān)控設(shè)備所采用的協(xié)議具有多樣性，利用組態(tài)軟件能夠整合一些通用協(xié)議，但對于廠商自定義的專用特殊協(xié)議，就需要組態(tài)軟件開發(fā)廠商開發(fā)出專用的協(xié)議驅(qū)動(dòng)，這樣不僅延長了開發(fā)時(shí)間，而且增加了開發(fā)成本。若采用傳統(tǒng)高級語言，則能靈活地將特殊協(xié)議整合到系統(tǒng)中。針對這一情況，現(xiàn)場端監(jiān)控軟件結(jié)合了組態(tài)軟件開發(fā)和高級語言開發(fā)的各自優(yōu)勢進(jìn)行架構(gòu)，即用組態(tài)軟件開發(fā)用戶監(jiān)控界面，用高級編程語言開發(fā)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)M態(tài)軟件進(jìn)行支持，兩者分別對應(yīng)現(xiàn)場端的TkMonitor軟件模塊和TkTransfer軟件模塊，具體開發(fā)方式見表1。

表1 現(xiàn)場監(jiān)控軟件開發(fā)方式表

工控機(jī)上的TkTransfer模塊有多種數(shù)據(jù)接收端口（見圖2），該模塊將各個(gè)端口接收到的數(shù)據(jù)按照不同的設(shè)備協(xié)議解析后重新打包并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，然后由兩路進(jìn)行輸出，一路由標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議輸出，并由工控機(jī)的另一個(gè)串行口接收，TkMonitor模塊監(jiān)視此串行口，作為組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)口；另一路由擴(kuò)展HJT212協(xié)議通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái)。使用擴(kuò)展HJT212協(xié)議的目的在于兼容協(xié)議原本定義的污染因子監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充設(shè)備自檢、工況監(jiān)控等新類別的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)有效性判別奠定基礎(chǔ)。表2為協(xié)議接口方式列表。

2.2 上端平臺(tái)設(shè)計(jì)

上端平臺(tái)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

（1）采用污水處理工況和在線狀態(tài)相結(jié)合方式，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性的判斷；

（2）采用數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)上報(bào)兩種通訊模式，數(shù)據(jù)采集模式可自動(dòng)也可以手動(dòng)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定的情況下，能最大程度地將數(shù)據(jù)上傳到上端平臺(tái)；

（3）上端數(shù)據(jù)庫采取三級安全體系，數(shù)據(jù)庫管理員賬戶擁有所有數(shù)據(jù)增、刪、改、查的權(quán)限，平臺(tái)應(yīng)用程序賬戶只能對數(shù)據(jù)進(jìn)行增、查，普通賬戶只能查看數(shù)據(jù)，通過不同權(quán)限的劃分提高了系統(tǒng)的安全級別，同時(shí)又不失靈活性；

（4）采用分布式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，減輕了上端平臺(tái)的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的效率；

（5）與移動(dòng)平臺(tái)相結(jié)合，具有更強(qiáng)的可用性；

（6）平臺(tái)和平臺(tái)之間可以互相轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)縣市級平臺(tái)到省級平臺(tái)再到國家級平臺(tái)的數(shù)據(jù)互通。

圖2 軟件模塊與系統(tǒng)硬件的接口示意圖

表2 軟件模塊與系統(tǒng)硬件的接口方式列表

3 系統(tǒng)功能

3.1 有效性判別

原有在線監(jiān)測平臺(tái)系統(tǒng)往往僅反映污染因子的排放數(shù)據(jù)，而未對監(jiān)測設(shè)備本身和污水處理工況進(jìn)行監(jiān)控[4]。該系統(tǒng)對以往這些被忽略的狀態(tài)量進(jìn)行監(jiān)控，并將接收到的監(jiān)測設(shè)備自檢數(shù)據(jù)、污水處理過程工況數(shù)據(jù)和污染因子濃度數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行分析。

對于每個(gè)上傳的污染物監(jiān)測因子濃度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)合同期上傳的設(shè)備自檢數(shù)據(jù)和工況數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，如均在有效范圍內(nèi)即判斷該污染因子濃度數(shù)據(jù)有效，否則將被判斷為無效數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中剔除（見圖3）。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判別界面圖

3.2 監(jiān)控及控制

當(dāng)進(jìn)水污染物負(fù)荷超出工藝處理范圍或工況出現(xiàn)異常時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只能監(jiān)測出水中污染物超標(biāo)濃度，超標(biāo)廢水仍然被排放到環(huán)境中[5]。該軟件系統(tǒng)能在儀表盤上，通過控制污水處理過程中各關(guān)鍵位置的閥門以及攪拌機(jī)，實(shí)現(xiàn)“超標(biāo)控制”功能。該系統(tǒng)的監(jiān)控及控制功能通過兩個(gè)部位實(shí)現(xiàn)：1）廢水處理過程中pH值控制；2）監(jiān)視槽pH值控制。若某一值超出工藝過程規(guī)定的范圍，則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉排放泵，并打開回流泵，這樣未達(dá)標(biāo)廢水會(huì)重新回到污水處理系統(tǒng)前端緊急預(yù)備槽并進(jìn)行再一次的污水處理過程；若該值在相應(yīng)的范圍內(nèi)，則表明出水達(dá)標(biāo)，排放泵開啟，污水排出。

3.3 故障報(bào)警

該系統(tǒng)可對監(jiān)測因子數(shù)據(jù)設(shè)置報(bào)警最小值與報(bào)警最大值，超過范圍，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。報(bào)警系統(tǒng)分為超標(biāo)報(bào)警和故障報(bào)警兩方面內(nèi)容：

（1）超標(biāo)報(bào)警。根據(jù)國家和行業(yè)相關(guān)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)排放廢水污染物濃度超過標(biāo)準(zhǔn)限值，進(jìn)行報(bào)警提示。系統(tǒng)通過主界面上各儀表數(shù)據(jù)的顏色來提示測量值超標(biāo)情況。紅色表示測量值超標(biāo)，綠色表示測量值正常。

（2）故障報(bào)警。根據(jù)設(shè)備說明以及工藝過程設(shè)定在線監(jiān)測儀器內(nèi)部關(guān)鍵檢測單元的正常信號值，系統(tǒng)自動(dòng)采集設(shè)備自檢信號以及工況監(jiān)測信號，若某個(gè)部件發(fā)生故障，則監(jiān)測值將超出此區(qū)間范圍，系統(tǒng)則會(huì)提示該部位故障報(bào)警。

故障報(bào)警狀態(tài)通過主界面報(bào)警指示燈提示，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警狀況時(shí)，該指示燈變?yōu)榧t色。通過報(bào)警確認(rèn)，系統(tǒng)可按照多種方式對報(bào)警信息進(jìn)行查詢。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，會(huì)主動(dòng)向遠(yuǎn)程平臺(tái)傳輸該報(bào)警信息。

3.4 日志

吳建中在《轉(zhuǎn)型與超越：無所不在的圖書館》一書中指出，“圖書館是虛擬與實(shí)體高度融合的交流空間；圖書館應(yīng)有效利用信息通訊技術(shù)，推進(jìn)虛擬與實(shí)體空間的高度融合，使圖書館成為溫馨親和、信息通暢的知識交流空間；讀者不僅可以在這里獲取知識、交流信息，而且還可以從這里連接到全國乃至全球更大范圍的信息資源” [9]。隨著網(wǎng)絡(luò)和新媒體技術(shù)的日益普及，圖書館也應(yīng)開拓網(wǎng)上虛擬文化空間，使得各類文化展覽和活動(dòng)可以跳出現(xiàn)實(shí)空間束縛，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上發(fā)揮更大空間。

系統(tǒng)對各種報(bào)警信息、系統(tǒng)事件、設(shè)備參數(shù)等進(jìn)行詳細(xì)的記錄（具體內(nèi)容如表3），并提供智能查詢功能，能夠以報(bào)表形式進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出、備份。記錄了重要的關(guān)鍵事件作為日志備檔，便于查詢分析，見圖4、圖5。

表3 日志系統(tǒng)內(nèi)容

圖4 歷史數(shù)據(jù)分類查詢和導(dǎo)出界面

圖5 系統(tǒng)日志

4 遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)方案

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通訊體系分為服務(wù)器機(jī)房、現(xiàn)場工控機(jī)和應(yīng)用終端三部分，服務(wù)器機(jī)房配備專用的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、WEB應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，形成一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)集群，用一個(gè)網(wǎng)關(guān)與Internet連接并配有防火墻。現(xiàn)場工控機(jī)通過光纖上網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通訊。使用WEB瀏覽器的用戶、移動(dòng)終端用戶和WEB應(yīng)用服務(wù)器通訊獲取數(shù)據(jù)（如圖6所示）。

圖6 通訊系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

4.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

協(xié)議體系按照OSI模型將其初略分成應(yīng)用層、傳輸層和物理層，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（2）傳輸層使用TCP協(xié)議，TCP協(xié)議在傳輸前先三次握手建立連接，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)檢測接收數(shù)據(jù)回應(yīng)，并有重傳機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸；

（3）采用擴(kuò)展HJ/T 212協(xié)議與現(xiàn)場軟件進(jìn)行通訊，擴(kuò)展HJ/T 212協(xié)議將工況數(shù)據(jù)以及設(shè)備自檢數(shù)據(jù)做為污染因子的輔助數(shù)據(jù)和濃度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行捆綁，擴(kuò)容了傳輸數(shù)據(jù)的類型，同時(shí)兼容了原來的HJ/T 212協(xié)議，即使采用老協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸采集儀也能接入該遠(yuǎn)程平臺(tái)；

（4）數(shù)據(jù)傳輸采用非對稱加密算法，保證數(shù)據(jù)即使被截獲也不可破解，通訊安全性高；

（5）平臺(tái)對外使用HTTP協(xié)議進(jìn)行WEB頁面發(fā)布，使用瀏覽器即可瀏覽；

（6）平臺(tái)對外使用UDP協(xié)議和移動(dòng)終端通訊，使得運(yùn)維工程師隨時(shí)可以接收到在線數(shù)據(jù)、報(bào)警等消息。

5 結(jié)語

該研究詳細(xì)介紹了一種基于重金屬在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的污水處理監(jiān)控及控制設(shè)計(jì)方案，將污水處理工況和在線狀態(tài)相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的無法判定上傳數(shù)據(jù)有效性、超標(biāo)廢水直接外排、自動(dòng)化程度不高等諸多問題，并成功將該系統(tǒng)應(yīng)用于荷貝克電源系統(tǒng)（武漢）有限公司含鉛廢水在線監(jiān)測系統(tǒng)和理研汽車配件（武漢）有限公司含鉻廢水在線監(jiān)測系統(tǒng)，為湖北省建立規(guī)范化的固定污染源排放重金屬廢水自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)提供了一定的事實(shí)依據(jù)。但在具體應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)尚存在不能生成報(bào)表等一些問題，有待在后期研究中進(jìn)一步解決與完善。

[1] 污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（HJ/T 212-2005）[S]．

[2] 李振，杜斌，彭林.山西省污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2012（6）：130-135.

[3] 苗奇.山西省重點(diǎn)污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

[4] 水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)范（HJ/T 356-2007）[S].

[5] 杜兆東.污染源水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué)，2009.

Design and Application of Control System of Heavy Metal Wastewater on Line

LIU Zhen-zhen1, QUAN Ji-hong1, CHEN Nan1, SUN Hai-lin2,HE Li-na3, XU Rong-hua1, ZHENG Ming-ming1, NIU Ya-dian1,TIAN Yi-ping1
(1.Environmental Monitoring Center of Hubei Province, Wuhan 430074;
2.China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012;
3.Environmental Protection Bureau of Hubei Province, Wuhan 430074, China)

Based on the investigation of operation status of monitoring system of pollution source on line set up at two project sites of Hoppecke and Riken motorcars, and in line with the actual conditions of construction standards and project sites of monitoring system of heavy metal wastewater on line, the paper presents the locale end and up end platform of supervision and control system of heavy metal wastewater on line. The system increases four designs in original base: by adopting third class control mode to integrate the pollution gene data, sewage treatment working condition with supervision equipment system on line and to carry through the effective differentiation on transmitting data; to carry through supervision and control on sewage which does not comply with the discharge standard; to give an alarm on malfunction of equipment and wastewater of extra standard; to transmit logs and reports automatically so as to increase the working efficiency of supervision and conrol on line and to realize a good operation result.

heavy metal wastewater; monitoring system on line; supervision and conrol; validity of data

X832

A

1006-5377（2015）04-0008-05

課題項(xiàng)目：環(huán)保部監(jiān)測司2012年研究課題，項(xiàng)目編號：2012HJW001。