城市排水監(jiān)測(cè)方法及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

城市排水監(jiān)測(cè)方法及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

1在線監(jiān)測(cè)的必要性由于各種原因的水資源短缺，國(guó)家應(yīng)特別注意處理廢水問題。然而，污水處理廠的建設(shè)需要大量的投資，運(yùn)營(yíng)和維護(hù)需要大量的工作和資金。這些實(shí)際問題的出現(xiàn)，意味著污水處理廠的設(shè)備、設(shè)施和儀器必須受到重新保護(hù)。在線監(jiān)控系統(tǒng)越來越被用作我國(guó)的廢水處理設(shè)施和設(shè)備。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括在線監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用設(shè)施和業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)。這是集環(huán)境保護(hù)科學(xué)、在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制和通信、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)于一體的新技術(shù)。對(duì)于市場(chǎng)化的城市污水處理廠,進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)是十分必要的.歐洲、美國(guó)等國(guó)的城市污水處理廠,一般都有比較完善的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).而國(guó)內(nèi)由于污水處理廠的體制問題、歸屬問題,以及在線監(jiān)測(cè)成套設(shè)備生產(chǎn)的廠家極少,在線監(jiān)測(cè)儀器基本都是進(jìn)口儀表,需要集成和配套,對(duì)應(yīng)于具體的在線監(jiān)測(cè)任務(wù),其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求也具有很大的差異性.在國(guó)外城市污水處理和排放管理實(shí)踐中,監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SupervisoryControlAndDataAcquisitionsystems,SCADA)技術(shù)和數(shù)值模擬,已經(jīng)成為城市排水在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與管理體系的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施.SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度管理的自動(dòng)化系統(tǒng),可以有效地改善城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行效果,提高排水設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.在國(guó)內(nèi),80年代中期以后,隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展,以及國(guó)內(nèi)設(shè)備性能、可靠性和軟件開發(fā)水平的提高,多家給排水企業(yè)開發(fā)了新一代分布式SCADA系統(tǒng).但是針對(duì)排水監(jiān)測(cè)技術(shù)和管理體系的研究較晚,SCADA系統(tǒng)應(yīng)用在城市排水系統(tǒng)時(shí),還未形成系統(tǒng)的城市排水監(jiān)測(cè)技術(shù)和管理體系.城市污水排放在線監(jiān)測(cè)與分析技術(shù),利用現(xiàn)代檢測(cè)儀表、數(shù)據(jù)通訊和模擬技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)城市排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理,達(dá)到最佳收集和處理城市污水源頭數(shù)據(jù),保護(hù)城市水體資源,整合優(yōu)化城市排水資源配置的效果.由于現(xiàn)有不少企業(yè)將經(jīng)過預(yù)處理的工業(yè)污水接入城市排水管網(wǎng)系統(tǒng),因此,對(duì)這些工業(yè)污染源而言,做好它的管理控制才能保證城市排水設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn);對(duì)污染排水戶超標(biāo)偷排進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),才能起到有效的監(jiān)管作用.在許多實(shí)際工程中,城市排水監(jiān)測(cè)技術(shù)與管理體系的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益仍未得到充分發(fā)揮,還存在諸多問題.例如,在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)過未經(jīng)處理的強(qiáng)酸及強(qiáng)堿工業(yè)廢水排放,直接進(jìn)入城市排水管網(wǎng)和泵站后,直接影響排水管網(wǎng)、污水處理廠的設(shè)備、設(shè)施,甚至使污水處理效果變差.現(xiàn)代很多污水廠是采用活化污泥法(ActivatedSludgeProcess)處理工藝技術(shù),主要通過微生物的新陳代謝將污水中的大部分有機(jī)、無機(jī)污染物質(zhì)從水中分離,變成CO2和H2O,使污水得到凈化.而微生物都要有它們適宜的pH值范圍,在酸性太強(qiáng)或堿性太強(qiáng)的環(huán)境中一般不能生存,也不能生長(zhǎng),就不能在曝氣生物濾池產(chǎn)生足夠的活化生物去處理污水了.作者認(rèn)為,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)城市排水污染點(diǎn)源的在線控制,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排水的水量、水質(zhì),可對(duì)超標(biāo)排放污染源及時(shí)采取對(duì)應(yīng)措施進(jìn)行處理.2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、原理及實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)江排水管理處負(fù)責(zé)主城區(qū)雨水排放處理、污水截流收集和污水處理工作.征潤(rùn)洲污水處理廠于2003年投入使用,現(xiàn)污水處理能力為1.8×105t/d,采用cast生物脫氮除磷工藝,以氧化塘為輔助.由于排水的不均勻性,污水處理廠采取削峰填谷的做法,利用部分原氧化塘系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)池,增設(shè)調(diào)節(jié)泵站,增加蓄調(diào)能力,充分發(fā)揮了cast池的作用.2008年全年完成污水處理近5×107t.排水泵站及設(shè)備安裝地理布局見圖1.根據(jù)鎮(zhèn)江市排水管網(wǎng)和污水泵站的分布情況以及監(jiān)測(cè)要求,整個(gè)系統(tǒng)由中央控制管理級(jí)(中控室)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)(各泵站PLC)和以太通訊網(wǎng)組成(如圖2所示).中控室由2臺(tái)上位工控機(jī)(一用一備)、數(shù)碼光路處理器(DigitalLightProcessor,DLP)控制器及大屏幕顯示屏組成,完成對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控、顯示和管理任務(wù).DLP技術(shù)是美國(guó)德州儀器公司開發(fā)的一種專利技術(shù),以DMD(DigitalMicormirrorDevice)數(shù)字微鏡作為成像器件的投影技術(shù).每臺(tái)工控機(jī)裝有以太網(wǎng)卡,以便與中控室的以太網(wǎng)交換機(jī)連接,進(jìn)而通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)組成分布式集中控制系統(tǒng).現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)以A-BPLC為控制核心,完成對(duì)各泵站的監(jiān)控與信息采集,通過PLC本身的以太網(wǎng)通信口和以太網(wǎng)交換機(jī)連接到以太網(wǎng)通信層,實(shí)現(xiàn)和中央控制管理級(jí)的高速互聯(lián)互通.在線儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序是通過底層DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)通訊技術(shù)從INTOUCH工控系統(tǒng)中獲取.本系統(tǒng)在征潤(rùn)洲污水處理廠和江濱泵站全天候?qū)崟r(shí)運(yùn)行.在征潤(rùn)洲污水處理廠和各個(gè)泵站所需的實(shí)時(shí)狀態(tài)工作點(diǎn)(例如氧化塘、消毒池、鼓風(fēng)機(jī),等等),均能將數(shù)據(jù)從中控室的上位機(jī)中采集到.目前設(shè)置的采集頻率為每5min更新1次,能夠及時(shí)反映各個(gè)儀表的數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài).通過在征潤(rùn)洲污水處理廠及江濱泵站管理所安裝實(shí)施在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在運(yùn)行過程中,可以遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)污水排放點(diǎn)源水質(zhì),通過數(shù)據(jù)采集、傳送、處理等控制程序的運(yùn)行,能夠?qū)⒄麄€(gè)污水處理過程(從重點(diǎn)排水戶排口、污水處理廠、泵站、化驗(yàn)中心等生產(chǎn)運(yùn)行部門)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供給管理者,深入實(shí)時(shí)地了解任何一個(gè)排水監(jiān)測(cè)和控制點(diǎn)的運(yùn)行狀況.3管理系統(tǒng)和監(jiān)控中心的構(gòu)成城市排水參數(shù)是突發(fā)和實(shí)時(shí)的.系統(tǒng)集成監(jiān)測(cè)設(shè)備、無線遠(yuǎn)程通訊設(shè)備進(jìn)入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中心,這也是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)、最根本的部分,監(jiān)控中心內(nèi)部由監(jiān)測(cè)工作站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及相應(yīng)的配置應(yīng)用管理軟件和數(shù)據(jù)庫組成,系統(tǒng)控制中心通過Internet和GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))無線通信系統(tǒng)與排水監(jiān)測(cè)的點(diǎn)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信.3.1數(shù)據(jù).模擬數(shù)據(jù).analogsd在線儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送程序是采用VB.net與SQLSERVER數(shù)據(jù)庫技術(shù),將DDE采集到的數(shù)據(jù),傳輸?shù)椒?wù)器的DataBase中,將各個(gè)泵站的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送出去,實(shí)現(xiàn)在總公司可以在線及時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)泵站和重點(diǎn)排污點(diǎn)源運(yùn)行情況的功能.數(shù)據(jù)主要有兩種類型:模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù).模擬數(shù)據(jù)(AnalogData)是由傳感器采集到的連續(xù)變化的值,例如流量、壓力、pH值等;數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(DigitalData)是模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散值,在計(jì)算機(jī)中用代碼表示的字符、圖形、音頻和視頻數(shù)據(jù),例如在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息(見表1).操作人員終端的基本接口是圖形用戶界面(GUI),以圖形方式顯示污水處理廠或者設(shè)備.在靜態(tài)背景上,生動(dòng)的數(shù)據(jù)顯示為圖形形狀(前景).隨著數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)的變化,前景被更新.現(xiàn)場(chǎng)來的數(shù)據(jù)被處理,如果存在警報(bào),將以檢測(cè)報(bào)警狀態(tài)顯示.在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的任何異常條件都貯存在中央主機(jī).當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)變量隨時(shí)間變化時(shí),在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可提供一個(gè)趨勢(shì)性的系統(tǒng),其中特定變量的變化行為可以在圖形用戶界面屏幕上繪出.數(shù)據(jù)的采集方式通過DDE的方式來完成.在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,并且對(duì)照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)作出誤差和數(shù)據(jù)采集取樣的調(diào)整,尋找出最佳數(shù)據(jù)處理計(jì)算方法.3.2gprs無線分組交換技術(shù)的應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸裝置(無線通信系統(tǒng))、污水處理監(jiān)測(cè)點(diǎn)(在線監(jiān)測(cè)儀表)以及監(jiān)控中心等.本系統(tǒng)采用GPRS無線通信系統(tǒng),因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)考慮到采用有線傳輸數(shù)據(jù)方式的傳輸過程中會(huì)碰到線路中斷信號(hào)、信號(hào)衰減以及布線成本高等狀況.同時(shí),GPRS無線傳輸系統(tǒng)吸納了GSM和IP技術(shù)的精華,提高了無線資源的利用率,具有永遠(yuǎn)在線、計(jì)費(fèi)靈活便宜、自由切換、傳輸速率高,系統(tǒng)易于向3G升級(jí)的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,尤其適用于非周期性(突發(fā))的小流量數(shù)據(jù)傳送.基于IP地址的GPRS網(wǎng)絡(luò)要求監(jiān)控中心主機(jī)具有固定IP地址,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采用GPRS模塊與中心主機(jī)進(jìn)行通信.GPRS采用了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源,允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù).在網(wǎng)絡(luò)協(xié)商之后,開始傳送數(shù)據(jù).GPRS網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP協(xié)議,通過收發(fā)IP數(shù)據(jù)包傳送數(shù)據(jù),采用不可靠、面向無連接的UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)協(xié)議,不選用TCP(傳輸控制協(xié)議),省略了建立連接、保持連接和斷開連接等過程,節(jié)省了時(shí)間和數(shù)據(jù)流量,更適合于非周期性(突發(fā))的小流量數(shù)據(jù)傳送的要求.但對(duì)于UDP協(xié)議必須在數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)終端都設(shè)計(jì)重發(fā)機(jī)制.監(jiān)測(cè)點(diǎn)由監(jiān)測(cè)水質(zhì)及流量的在線儀表、遠(yuǎn)程GPRS無線數(shù)據(jù)終端和GPRS無線MODEM組成.現(xiàn)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)儀表采集監(jiān)測(cè)企業(yè)至公共管網(wǎng)排水管口的水質(zhì)和污水處理量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),從監(jiān)測(cè)儀的Serialone進(jìn)入通信模塊,數(shù)據(jù)由GPRS模塊進(jìn)行TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包,再經(jīng)Serialtwo發(fā)送給GPRS模塊,利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)傳送到無線數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),最后接入到已設(shè)定的具有固定IP地址的監(jiān)控中心服務(wù)器端口上,實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).同時(shí),監(jiān)控中心也會(huì)通過管理軟件,向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的控制指令數(shù)據(jù)任務(wù),由GPRS無線Modem、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端傳送給監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及監(jiān)測(cè)儀表,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器控制、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、通訊方式等的參數(shù)設(shè)置.本系統(tǒng)應(yīng)用GPRS無線分組交換技術(shù)的增值服務(wù),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)的雙向通信,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制(需要企業(yè)終端的配合).3.3非接觸式檢測(cè)流量計(jì)的應(yīng)用.因?yàn)榕潘到y(tǒng)是收集污水的系統(tǒng),污水中不只含有大量無機(jī)雜質(zhì),更含有許多腐蝕性的有機(jī)化學(xué)物質(zhì);水流中的各種物質(zhì)交錯(cuò),情況復(fù)雜多變.靠接觸液體方式測(cè)流量的各種流量計(jì),在排水系統(tǒng)中的適用范圍相對(duì)較窄,應(yīng)用受到局限.排水系統(tǒng)中采用非接觸式測(cè)流技術(shù),可以避免污水的腐蝕與侵害,以及情況變化對(duì)測(cè)量精度的影響.因此,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,選擇合適的測(cè)量設(shè)備,應(yīng)用靈活方便,可以同時(shí)測(cè)量水位、水溫、水質(zhì)和流量等(見表2).3.4現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中使用了現(xiàn)場(chǎng)儀表、工業(yè)酸度測(cè)試儀和GPRS數(shù)據(jù)終端單元.該系統(tǒng)通過GPRS數(shù)據(jù)終端單元經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,該系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程GPRS無線數(shù)據(jù)Modem(DTU)與硬件終端連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀表通過串口直接與GPRSDTU進(jìn)行透明數(shù)據(jù)傳送,GPRSDTU采用標(biāo)準(zhǔn)AT命令界面,支持TCP/IP協(xié)議.考慮到通信的成本和實(shí)時(shí)性,每個(gè)模塊在使用時(shí)需要進(jìn)行基本設(shè)置并安裝SIM卡,在移動(dòng)網(wǎng)中具有唯一的ID.將通信模塊集成進(jìn)工業(yè)酸度測(cè)試儀,通過工業(yè)測(cè)試儀中設(shè)置的信息采集單元與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接,并實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù).利用GPRS廠商提供的開發(fā)工具包從網(wǎng)絡(luò)上收集到某區(qū)域發(fā)來的信息后,經(jīng)過軟件處理把數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫.通過與排水SCADA軟件系統(tǒng)或者排水SCADA數(shù)據(jù)庫的軟件接口,將排水流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息在排水系統(tǒng)模擬界面中實(shí)時(shí)顯示,為管理人員提供決策依據(jù)(見圖3).4城市污水處理綜合監(jiān)控系統(tǒng)組成城市污水排放監(jiān)測(cè)SCADA系統(tǒng)通常由監(jiān)測(cè)控制中心、污水流量和水質(zhì)測(cè)控站和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)構(gòu)成.對(duì)下,采集生產(chǎn)過程和管網(wǎng)排水的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);對(duì)上,將生產(chǎn)和排水的信息傳到控制管理系統(tǒng)中,供排水管理決策參考.因此,排水SCADA系統(tǒng)構(gòu)成了城市污水排放在線監(jiān)測(cè)和分析的核心.對(duì)部分重點(diǎn)排污企業(yè)監(jiān)控點(diǎn)(例如硫酸廠、農(nóng)藥廠)的觀測(cè)表明,強(qiáng)酸強(qiáng)堿污水的偷排,會(huì)對(duì)城市排污管網(wǎng)、泵站以及污水處理廠的設(shè)施產(chǎn)生腐蝕危害.同時(shí),強(qiáng)酸強(qiáng)堿污水還會(huì)影響污水處理微生物的活性,降低處理污水能力,所以必須隨時(shí)監(jiān)視pH值.如果監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)