城市排水在线监测系统的应用

城市排水在线监测系统的应用盛平, 喻一萍(1.江苏大学计算机科学与通信工程学院, 江苏镇江212013; 2. 镇江市排水管理处, 江苏镇江212001)摘要:探讨了城市排水监测方法及在线监测系统开发的必要性. 介绍了镇江市排水管网和污水泵站的分布情况和监测要求, 以及镇江市实时监测和自动控制系统的组成、数据处理情况; 介绍了监测数据的无线传输方式, 即GPRS无线传输系统的特点; 介绍了在线监测仪器仪表等设备的选用情况. 介绍了监测系统数据的实时显示原理. 通过分析表明, GPRS尤其适用于各监测点所采集的数据与中心主机的通信. 该市实时监测和自动控制系统可以实现全天候观测污水排放数据, 了解pH 值、流量、水位等数据的实时变化. 通过该系统对部分重点排污企业监控点进行的观测结果表明, 强酸强碱污水的偷排, 不仅对城市排水管网、泵站以及污水处理厂的设施产生腐蚀危害, 还会影响污水处理微生物的活性, 降低污水处理能力.关键词: 城市给排水; 在线监测; 污水处理; 数据处理; GPRSApplica tion of on2linemonitoring system of urban dra inageSheng P ing , Yu Yiping( 1. School ofCompu ter Science and Telecommun ication Engineering, J iangsu Un ivers ity, Zhen jiang, J iangsu 212013, Ch ina; 2. Zhen jiangSewageManagemen t Bureau, Zhen jiang, J iangsu 212001, Ch ina)Abstract:The urban dra inagemon itoringmethod and the on linemon itoring system are d iscussed. The d is2tributing status and monitoring request of dra in ingwater pipe network in Zhenjiang are introduced, inclu2d ing sewage pump ing station, system composition, data processing of rea l2timemon itor and automatic con2trol system. Thewire less transmission mode ofmon itoring data, the characteristics ofGPRS wireless trans2mission system, the selection of equ ipment on linemonitoring instruments, and the real2time d isplay princi2p le of themon itoring system data are a lso introduced. Through the analysis, it shows thatGPRS is particu2larlywell suited to the communication between those data collected inmonitoring points and center comput2er. The system of rea l2timemon itor and the automatic controlmay realize the observation for sewage dispos2al data all day and find out the real2time changes of data, for examp le, pH value, the flux, andwater lev2e.l The observation result ind icate that the illegal d ischarge of sewage with strong acid and alkali into theurban sewage pipe network, the pump ing station, as we ll as sewage treatment plants' fac ilitywill affect thesewage treatmentmicro2organism activeness and reduce the sewage treatment ability.Keywords: urban water supply and drainage; on2line monitoring; sewage treatmen;t data processing; GPRS1 城市污水排放在线监测作用和意义由于各种原因导致的水资源紧缺使得国家对污水处理问题特别重视. 但是, 污水处理厂的建设需要大量的投资, 运行和维护也要花费大量的人工和资金, 这些实际问题的出现, 促使对于已有的管网、污水处理厂的设备、设施和仪器加倍保护的污水处理在线监测势在必行. 我国城市污水处理领域已逐步应用在线监测系统[ 1, 2] , 在线监测系统包括在线监测仪器、数据传输网络、数据处理、应用设施和业务信息系统, 是集环境保护科学、在线监测、自动控制和数据通信、现代网络和信息系统为一体的新技术[ 3] .对于市场化的城市污水处理厂, 进行及时、准确的水质、水量监测是十分必要的. 欧洲、美国等国的城市污水处理厂, 一般都有比较完善的在线监测系统[ 4- 7] . 而国内由于污水处理厂的体制问题、归属问题, 以及在线监测成套设备生产的厂家极少, 在线监测仪器基本都是进口仪表, 需要集成和配套, 对应于具体的在线监测任务, 其监测系统的需求也具有很大的差异性.在国外城市污水处理和排放管理实践中, 监控和数据采集系统( Supervisory Control And Data Ac2quisition systems, SCADA)技术和数值模拟, 已经成为城市排水在线监测技术与管理体系的标准设施.SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度管理的自动化系统, 可以有效地改善城市排水系统的运行效果, 提高排水设施的经济效益和社会效益.在国内, 80年代中期以后, 随着计算机和通信技术的发展, 以及国内设备性能、可靠性和软件开发水平的提高, 多家给排水企业开发了新一代分布式SCADA系统. 但是针对排水监测技术和管理体系的研究较晚, SCADA系统应用在城市排水系统时, 还未形成系统的城市排水监测技术和管理体系.城市污水排放在线监测与分析技术, 利用现代检测仪表、数据通讯和模拟技术, 实现对城市排水系统的实时动态监测和管理, 达到最佳收集和处理城市污水源头数据, 保护城市水体资源, 整合优化城市排水资源配置的效果. 由于现有不少企业将经过预处理的工业污水接入城市排水管网系统, 因此, 对这些工业污染源而言, 做好它的管理控制才能保证城市排水设施正常运转; 对污染排水户超标偷排进行实时监测, 才能起到有效的监管作用.在许多实际工程中, 城市排水监测技术与管理体系的环境效益和经济效益仍未得到充分发挥, 还存在诸多问题. 例如, 在实际工作中发现过未经处理的强酸及强碱工业废水排放, 直接进入城市排水管网和泵站后, 直接影响排水管网、污水处理厂的设备、设施, 甚至使污水处理效果变差. 现代很多污水厂是采用活化污泥法(Activated Sludge Process) 处理工艺技术, 主要通过微生物的新陈代谢将污水中的大部分有机、无机污染物质从水中分离, 变成CO2和H2O, 使污水得到净化. 而微生物都要有它们适宜的pH值范围, 在酸性太强或碱性太强的环境中一般不能生存, 也不能生长, 就不能在曝气生物滤池产生足够的活化生物去处理污水了.作者认为, 监测系统通过对城市排水污染点源的在线控制, 实时监测排水的水量、水质, 可对超标排放污染源及时采取对应措施进行处理.2 镇江市实时监测和自动控制系统镇江排水管理处负责主城区雨水排放处理、污水截流收集和污水处理工作. 征润洲污水处理厂于2003年投入使用, 现污水处理能力为1. 8 @105 t/d,采用cast生物脱氮除磷工艺, 以氧化塘为辅助. 由于排水的不均匀性, 污水处理厂采取削峰填谷的做法,利用部分原氧化塘系统作为调节池, 增设调节泵站,增加蓄调能力, 充分发挥了cast池的作用. 2008 年全年完成污水处理近*******排水泵站及设备安装地理布局见图1.图1 镇江市排水泵站设备安装地理布局F ig. 1 Zhen jiang City, the dra inage pump station equipmentinsta llation geograph ica l layou t根据镇江市排水管网和污水泵站的分布情况以及监测要求, 整个系统由中央控制管理级(中控室)、现场控制级(各泵站PLC)和以太通讯网组成(如图2所示).图2 控制系统框图F ig. 2 Control system diagram中控室由2台上位工控机(一用一备)、数码光路处理器( Digital L ight Processor, DLP)控制器及大屏幕显示屏组成, 完成对系统的监控、显示和管理任务. DLP技术是美国德州仪器公司开发的一种专利技术, 以DMD(DigitalMicormirror Device)数字微镜作为成像器件的投影技术. 每台工控机装有以太网卡, 以便与中控室的以太网交换机连接, 进而通过以太网与现场控制级组成分布式集中控制系统. 现场控制级以A- B PLC为控制核心, 完成对各泵站的监控与信息采集, 通过PLC本身的以太网通信口和以太网交换机连接到以太网通信层, 实现和中央控制管理级的高速互联互通.在线仪表[ 8]实时数据采集程序是通过底层DDE (动态数据交换)通讯技术从INTOUCH 工控系统中获取. 本系统在征润洲污水处理厂和江滨泵站全天候实时运行. 在征润洲污水处理厂和各个泵站所需的实时状态工作点(例如氧化塘、消毒池、鼓风机, 等等), 均能将数据从中控室的上位机中采集到. 目前设置的采集频率为每5 min更新1次, 能够及时反映各个仪表的数据及运行状态. 通过在征润洲污水处理厂及江滨泵站管理所安装实施在线监测系统, 在运行过程中, 可以远程在线监测污水排放点源水质, 通过数据采集、传送、处理等控制程序的运行, 能够将整个污水处理过程(从重点排水户排口、污水处理厂、泵站、化验中心等生产运行部门)实时数据提供给管理者, 深入实时地了解任何一个排水监测和控制点的运行状况.3 在线监测与数据处理城市排水参数是突发和实时的. 系统集成监测设备、无线远程通讯设备进入监测数据处理中心, 这也是整个监测系统最基础、最根本的部分, 监控中心内部由监测工作站、网络服务器及相应的配置应用管理软件和数据库组成, 系统控制中心通过Internet和GPRS(通用分组无线业务)无线通信系统与排水监测的点进行双向数据通信.3. 1 现场数据的采集与处理在线仪表实时数据发送程序是采用VB. net与SQL SERVER数据库技术, 将DDE 采集到的数据,传输到服务器的DataBase中, 将各个泵站的在线实时数据及时发送出去, 实现在总公司可以在线及时监测各个泵站和重点排污点源运行情况的功能.数据主要有两种类型: 模拟数据和数字数据. 模拟数据(AnalogData)是由传感器采集到的连续变化的值, 例如流量、压力、pH值等; 数字数据(Digital Da2ta)是模拟数据经量化后得到的离散值, 在计算机中用代码表示的字符、图形、音频和视频数据, 例如在线监测水质检测[ 9]数据详细结构信息(见表1).表1 水质检测数据详细结构信息Tab. 1 W a ter qua lity testing da ta in deta il str uctur e of in form a tion操作人员终端的基本接口是图形用户界面(GUI), 以图形方式显示污水处理厂或者设备. 在静态背景上, 生动的数据显示为图形形状(前景). 随着数据在现场的变化, 前景被更新. 现场来的数据被处理, 如果存在警报, 将以检测报警状态显示. 在现场监测到的任何异常条件都贮存在中央主机. 当现场变量随时间变化时, 在线监测系统可提供一个趋势性的系统, 其中特定变量的变化行为可以在图形用户界面屏幕上绘出.数据的采集方式通过DDE 的方式来完成. 在实际应用中需要根据采集后的数据进行分析处理, 并且对照经验数据和现场实际测试数据作出误差和数据采集取样的调整, 寻找出最佳数据处理计算方法.存入SQL数据库的是经过预处理的、从网络上接收到的污水排放管网口发来的信息数据, 利用ASP( active serve pages)在远程检测中心的www服务器上开发出Web数据页面及动态实时数据查询.中心的端处理系统对传递来的各项污水设置参数进行自动分析, 还可以将有关的数据实时地通过Inter2net或存储外设上报到上级管理部门, 并对有预警的超标排放采取相应的控制措施.3. 2 监测数据的无线传输在线监测系统包括数据传输装置(无线通信系统)、污水处理监测点(在线监测仪表) 以及监控中心等. 本系统采用GPRS无线通信系统, 因为在设计时考虑到采用有线传输数据方式的传输过程中会碰到线路中断信号、信号衰减以及布线成本高等状况.同时, GPRS无线传输系统吸纳了GSM和IP技术的精华, 提高了无线资源的利用率, 具有永远在线、计费灵活便宜、自由切换、传输速率高, 系统易于向3G升级的优点, 应用范围相当广泛, 尤其适用于非周期性(突发)的小流量数据传送. 基于IP地址的GPRS网络要求监控中心主机具有固定IP 地址, 各监测点的数据采用GPRS模块与中心主机进行通信.GPRS采用了一种高效、低成本的无线分组数据业务, 不需要利用电路交换模式的网络资源, 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据. 在网络协商之后, 开始传送数据. GPRS网络支持TCP/IP协议, 通过收发IP数据包传送数据, 采用不可靠、面向无连接的UDP(用户数据报协议)协议, 不选用TCP(传输控制协议), 省略了建立连接、保持连接和断开连接等过程[ 9 ] , 节省了时间和数据流量, 更适合于非周期性(突发)的小流量数据传送的要求. 但对于UDP协议必须在数据中心和数据终端都设计重发机制.监测点由监测水质及流量的在线仪表、远程GPRS无线数据终端和GPRS无线MODEM 组成. 现场的在线监测仪表采集监测企业至公共管网排水管口的水质和污水处理量的实时数据, 并通过远程数据终端转换成数字信号, 从监测仪的Ser ia l one进入通信模块, 数据由GPRS模块进行TCP /IP协议转换成IP数据包, 再经Seria l two发送给GPRS模块, 利用GPRS网络的服务传送到无线数据网关, 最后接入到已设定的具有固定IP地址的监控中心服务器端口上, 实现对远程监测点的在线实时监测[ 10] . 同时, 监控中心也会通过管理软件, 向各监测点发送相应的控制指令数据任务, 由GPRS无线Modem、远程数据终端传送给监测站点及监测仪表, 可以实现对仪器控制、监测点、通讯方式等的参数设置. 本系统应用GPRS 无线分组交换技术的增值服务, 实现了系统中监测点与监测中心数据的双向通信, 实时监测的同时能进行实时控制(需要企业终端的配合).3. 3 在线监测仪器仪表因为排水系统是收集污水的系统, 污水中不只含有大量无机杂质, 更含有许多腐蚀性的有机化学物质; 水流中的各种物质交错, 情况复杂多变. 靠接触液体方式测流量的各种流量计, 在排水系统中的适用范围相对较窄, 应用受到局限. 排水系统中采用非接触式测流技术, 可以避免污水的腐蚀与侵害, 以及情况变化对测量精度的影响. 因此, 根据现场的实际情况, 选择合适的测量设备, 应用灵活方便, 可以同时测量水位、水温、水质和流量等(见表2).表2 监测项目及设备Tab. 2M on itor p roject a nd equ ipm ent3. 4 监测数据的实时显示监测中使用了现场仪表、工业酸度测试仪和GPRS数据终端单元.该系统通过GPRS数据终端单元经过GPRS网络实现数据的传输, 该系统通过远程GPRS无线数据Modem(DTU)与硬件终端连接, 实现数据传输.监测点仪表通过串口直接与GPRS DTU进行透明数据传送, GPRS DTU 采用标准AT 命令界面, 支持TCP / IP协议. 考虑到通信的成本和实时性, 每个模块在使用时需要进行基本设置并安装SIM卡, 在移动网中具有唯一的ID. 将通信模块集成进工业酸度测试仪, 通过工业测试仪中设置的信息采集单元与GPRS网络连接, 实现现场仪表数据和监测中心系统的实时在线连接, 并实时接收数据.利用GPRS厂商提供的开发工具包从网络上收集到某区域发来的信息后, 经过软件处理把数据存入SQL数据库. 通过与排水SCADA软件系统或者排水SCADA数据库的软件接口, 将排水流量、水质监测信息在排水系统模拟界面中实时显示, 为管理人员提供决策依据(见图3).图3 重点排污企业在线监测图F ig. 3 Key pollution discha rge enterpr ise on line mon itor chart4 结论城市污水排放监测SCADA系统通常由监测控制中心、污水流量和水质测控站和数据通讯系统构成. 对下, 采集生产过程和管网排水的实时数据; 对上, 将生产和排水的信息传到控制管理系统中, 供排水管理决策参考. 因此, 排水SCADA系统构成了城市污水排放在线监测和分析的核心.对部分重点排污企业监控点(例如硫酸厂、农药厂)的观测表明, 强酸强碱污水的偷排, 会对城市排污管网、泵站以及污水处理厂的设施产生腐蚀危害. 同时, 强酸强碱污水还会影响污水处理微生物的活性, 降低处理污水能力, 所以必须随时监视pH值. 如果监测到系统异常, 则要及时报警和提示控制泵站.本项目重点实现了对部分污水参数进行远程在线监测的功能, 能够在中心控制室的电脑界面上通过GPRS收看全天24 h的污水排放数据, 了解pH值、流量、水位等值的实时变化.其他诸如盐度, COD, BOD5, SS, 溶解氧, 色度,油份浓度, TOC (总有机碳), 氮, 磷, 氰化物, 游离氯等成分的综合监测系统在下一步要深入研究, 以实现各泵站的无人职守监控, 上位机对各泵站下位机的实时监控, 通过远程监控和远程控制及时排除各水泵的故障, 保证城市污水能够顺利并安全的排放, 保护城市生态环境.保护城市生态环境.参考文献( Referen ces)[ 1 ] 赵银慧, 朱建平. 从城考结果看城市污水处理的发展趋势[ J] . 中国环境监测, 2002, 18( 1): 3- 5.Zhao Y inhu,i Zhu Jianping. Trend ofmun icipa l sewagetreatment in key city[ J]. Environmenta lMon itoring inChina, 2002, 18( 1) : 3- 5. ( in Chinese)[ 2 ] 曹喆, 秦保平, 徐立敏. 我国污染源在线监测现状及建议[ J] . 中国环境监测, 2002, 18( 2): 1- 3.Cao Zhe, Q in Baop ing, Xu L im in. On line mon itor ingfor pollution source in China[ J]. Environmenta lMonito2ring in China, 2002, 18( 2): 1- 3. ( in Ch inese)[ 3 ] 孟庆强, 吴大为, 林毅, 等. 探讨城市污水在线监测系统的应用[ J]. 中国给水排水, 2004, 20( 7 ): 34 -36.Meng Q ingq iang, Wu Dawe ,i L in Y,i et a.l D iscuss ionon applica tion of on - line monitor ing system for urbanwastewate r[ J]. Ch ina Wa ter and Wa stewa ter, 2004, 20 ( 7): 34- 36. ( in Ch inese)[ 4 ] Qu inn NW T. Informa tion technology and innovativedra inage managemen t practices for se len ium load reduc2tion from irr igated agr iculture to provide stakeholde r as2su rances and mee t contam inan tmass load ing policy ob2jectives[ J]. Agr icultura l Wa ter Management, 2009, 96( 3): 484- 492.[ 5 ] Lee N Y, Lee S G, Ryu K H, et a .l On - line monito2ring system deve lopment for s ingle- phase flow acce le r2a ted corrosion [ J ]. N uclea r Eng ineering and Design,2007, 237( 7): 761- 767.[ 6 ] PleauM, Colas H, Lava llee P, et a.l G lobal optima lrea l2time control of the Quebec urban dra inage system[ J]. Environmenta lModelling and Sof tware, 2005, 20( 4): 401- 413.[ 7 ] H att B E, Fletcher T D, Wa lsh C J, et a.l The influ2ence of urban density and dra inage infrastructure on theconcentrations and loads of pollutants in sma ll streams[ J]. Environmenta lMa nagement, 2004, 34( 1 ): 112[ 8 ] 冯琴, 张后文, 刘春. 自动化仪表在泵站中的应用[ J]. 排灌机械, 2005, 23( 2): 36- 38.Feng Q in, Zhang H ouwen, L iu Chun. The applicationof automation instrumen tation in pump ing sta tion [ J].Dra inage a nd Irriga tionMach inery, 2005, 23( 2) : 36-38. ( in Chinese) [ 9 ] 葛玉连, 赵保康, 喻一萍. 浅谈城市污水处理及工业污水在线监测[ J]. 排灌机械, 2005, 23( 6): 34- 37.Ge Yu lian, Zhao Baokang, Yu Y iping. Monitor ing onlinefor industr ia l wastewa ter in exit of urban p ipe line network[ J]. Dra inage and Irr iga tionMa chinery, 2005,23( 6): 34- 37. ( in Ch inese)[ 10 ] 高占祥. 水质在线监测中的若干问题[ J]. 城市环境与城市生态, 2002, 15( 4): 39- 40.Gao Zhanxiang. Some prob lems of automatic environ2mental water qualitymonitoring system[ J]. Urban En2vironment and Urba n Ecology, 2002, 15( 4): 39- 40 ( in Ch inese)。