基于PLC控制和组态软件的水质监测系统的设计

基于PLC控制和组态软件的水质监测系统的设计
樊伟;李光;王庆芬
【摘要】With configuration software as core of controlling,PLC,Peristaltic Pumps and MOXA multipart serial cards and so on as auxiliary components,such as water quality automatic monitoring system was designed.The system has such as proportional sampling,contaminant monitoring,transfinite water samples keeping,and safety monitoring capabilities,as well as high integration,high reliability,high compatibility and the characteristics of high scalability,achieved the control requirements of water quality automatic monitoring system.%以组态软件为控制核心，以PLC、蠕动泵和 MOXA多串口卡等为辅助部件，设计了水质自动监测系统。

该系统具有等比例采样、污染物监测、超标留样、安全监控等功能，以及高集成性、高可靠性、高兼容性和高扩展性等特点，达到了水质自动监测系统的控制要求。

【期刊名称】《内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】4页(P609-612)
【关键词】水质监测;系统结构;智能诊断;组态软件
【作者】樊伟;李光;王庆芬
【作者单位】石家庄铁道大学四方学院电气工程系，河北石家庄 051132;石家庄理工职业学院，河北石家庄 050228;石家庄铁道大学四方学院电气工程系，河北石家庄 051132
【正文语种】中文
【中图分类】X824
随着工业经济的高速发展,水、气污染源的排放不能得到完全、有效的控制,环境污染日益加剧,已经直接影响到人们的日常生活.在《节能减排“十二五”规划》(国发〔2012〕40号)的总体目标中,对化学需氧量(COD)、氨氮等水质排放污染物均提出了明确的减排指标,但我国在水污染源在线监测中,仍存在偷排、偷放,以及超标数据时效性的争议等问题,严重制约了节能减排及有效控制水污染源排放工作的顺利开展.为了探索有效解决上述问题的方法,本文提出一种基于PLC控制和组态软件的水质监测系统,希望能为解决节能减排及有效控制水污染源排放等问题提供参考.
1.1 系统整体结构
水质自动监测系统是以电气自动化控制技术为支撑的复杂系统,该系统的构建是基于系统控制技术.系统控制技术的应用体现在水质自动监测系统的设计和集成中,不仅包括系统控制单元整体结构的设计,而且包括软硬件部分的设计[1],如图1所示.
1.2 系统硬件设计
1.2.1 控制单元的硬件设计系统控制单元的硬件主要包括工业控制计算机、PLC(可编程控制器)、继电器、多串口卡等.
选用台湾研华科技的工业控制计算机作为基础硬件,通过PCI接口的MOXA多串口卡将工控机的串行接口扩展为10个,以RS232接口的方式与PLC、各个水质在线自动监测仪、水质自动采样单元、UPS不间断电源等部件进行交互式通讯.同时,使用ISA接口的视频采集卡对室内的视频摄像头数据进行采集.
选用三菱(MITSUBISH)公司的FX2N系列PLC作为主要控制部件,接收、执行上位机组态软件的控制指令,结合外围的继电器、交流接触器、开关电源、采样泵等部件,实现对系统的管路清洗、采水、预处理、测量等自动控制操作.
1.2.2 水质污染参数在线自动监测仪主要由COD在线自动监测仪、氨氮在线自动监测仪、超声波明渠流量计等组成,对水体中的COD、氨氮的排放浓度、排放总量进行实时、在线监测.
COD和氨氮在线监测仪分别选用美国HACH公司的CODmax Ⅱ型COD在线监测仪和Amtax Compact Ⅱ型氨氮在线监测仪.两种仪器均采用符合国标方法的监测原理,数据可靠、性能稳定、维护量小,能满足含有复杂成分水体的在线监测[2].流量计选用北京九波声迪公司的WL-1A1型超声波明渠流量计,对排水口的流量进行实时监测,并通过RS232接口将数据实时上传给PLC进行处理和存储.其他监测参数,如总磷、总氮、重金属、pH、溶解氧等,可根据实际需求进行选型、扩展.
1.2.3 水质自动采样单元的硬件设计为了减小核算污染物排放总量的误差,在废水连续不稳定的排放状态下,选用等比例采样法作为有效的采样方法[3].
同步留样系统可以对超标废水进行自动留样,能够满足留样废水与超标废水的同时性和一致性,并可根据需要扩展至双路或多路留样系统[4].
选用石家庄德润环保科技的DR-803A型水质自动采样器,实现同步采样、等比例采样、超标留样等功能,并通过GPRS远程进行采样、查询等操作,实现对污染参数超标水样的同步留样、低温保存,防止水污染源的偷排、偷放.
1.2.4 安保监控单元的硬件设计室内安全部分由视频采集卡、视频监控摄像头和门禁系统等组成,对室内的视频数据进行触发式采集,主要安装在监控采样口、监测站房外围、站房内部.门禁系统对监测站房门的开、关情况进行监控,实时地将开、关门时间传输给控制单元,并记录.
1.2.5 辅助单元的硬件设计主要包括稳压电源、UPS不间断电源、避雷系统、供
水单元等部件.
1.3 系统软件设计
1.3.1 人机界面的软件设计组态软件,又称组态监控系统软件.组态是为了使工业控制系统现场工作站按照预定设置自动执行相应的任务,并对工作站的各种资源进行配置.组态软件是面向工业自动化领域监控与数据采集系统的软件平台工具,工程师可以根据不同的工控项目预置组态工程以便操作员灵活使用[5].系统采用北京亚控公司的组态王软件进行系统平台的二次开发,运行于工业控制计算机平台上,与SQL Server 数据库软件进行实时的数据交互[6].
通过组态软件,用户可以直观地观测整个系统的运行状态、工作流程、报警状态等,查询历史数据、报警记录、操作日志等,进行所需的参数设置、参数锁定等.该系统人机界面的监测参数主要有:
(1) 房门状态.实时显示当前监测站房房门的开、关状态;
(2) 瞬时流量.实时显示系统所监测的明渠排放废水的瞬时流量;
(3) 累计流量.实时显示系统运行开始到当前的累计流量,可人工进行重置清零;
(4) 采样口液位.实时显示系统所监测明渠的液位状态;
(5) 采样周期.实时显示等比例采样单元的自动采样周期;
(6) 周期计时.实时显示等比例采样单元采样周期的计时显示;
(7) COD上限值.显示设定的COD上限值,当测得的COD数据超过该限值时,系统启动超标留样功能;
(8) COD当前值.实时显示当前或最近一次测量所得的COD数值;
(9) COD当前状态.实时显示COD监测仪当前的状态,是否接收到组态软件发送的各种指令;
(10) 氨氮上限值.显示设定的氨氮上限值,当测得的氨氮数值超过给限值后,系统启动超标留样功能;
(11) 氨氮当前值.实时显示当前或最近一次测得的氨氮检测值;
(12) 测试时间.实时显示COD、氨氮监测仪所需要的测试时间;
(13) 测试计时.COD、氨氮监测仪测试时间的计时显示.
1.3.2 控制单元的软件设计系统以运行于SQL Server数据库软件之上的组态软件为人机界面,进行下发控制指令、数据采集、数据存储等操作.PLC接收到组态软件的指令后,通过RS232接口和下位机实时通讯,按照控制要求发送指令,控制整个系统自动完成对废水样品的采集、混匀、测量、超标留样和保存数据等操作,从而实现废水样品的COD、氨氮、流量及污染物排放总量等参数测量、采集和记录等功能[7].
PLC通过继电器、交流接触器等,可直接对电磁阀、采样泵、蠕动泵、水质在线监测仪、水质自动采样器等部件的启动、停止进行控制.系统模式初始化及蠕动泵控制的PLC梯形图如图2所示.
2.1 超标留样
通过人工向样品中加入已知浓度的标准样品,使COD或氨氮测量数据超过系统设定的超标限值,例如系统的COD超标限值设定为60 mg/L,通过人工加标,使样品COD值达到80 mg/L左右,然后系统开始自动运行,等待约1 h后,COD测量数据初值为77 mg/L,系统自动发送超标留样命令给水质自动采样器,进行超标留样、低温保存,并自动进行留样日志记录.
2.2 监测数据
按照环保部门相关技术规范要求,对系统中的COD在线监测仪、氨氮在线监测仪的监测数据和实验室检测数据进行了比对,各组数据的误差均符合相关技术要求,见表1和表2.如果结合实际的水体性质,对监测仪器的相关参数进行调整,可以进一步提高测量数据的可靠性,例如对一些难消解的水体样品,适当延长COD在线监测仪的消解时间,从而提高测量数据的可靠性.
水质自动监测系统选用质量可靠、性能稳定的水质在线自动监测仪,监测方法与国标方法一致,并具有配套的预处理、清洗、稳压、防雷、视频监控等设施,可以有效地保证系统运行的安全性、稳定性和可靠性.
监测系统在仪器选型、结构设计、控制流程设计、智能诊断等方面进行了优化和改进,减少了系统的维护量.系统内部均为标准、开放的接口,并对系统的各种接口进行了预留,提高了系统的可扩展性.
系统所提供的监测数据均以混合样作为样品进行检测,并可对污染参数超标的污水样进行及时的超标留样、低温保存、日志记录,可有效地防止偷排偷放,真正实现了对污染源的“在线”监测.
总之,水质自动监测系统选用PLC(可编程控制器)、组态软件、MOXA多串口卡、蠕动泵、视频监控、门禁系统,运用SQL Server数据库技术,根据对水质自动监测系统的要求和工作流程,设计了符合要求的硬件结构和软件程序等.系统具有时间等比例、流量等比例、超标留样等功能,以及高集成性、高可靠性、高兼容性和高扩展性等特点,达到了水质自动监测系统的控制要求.
【相关文献】
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