摘 要： 針對基于分區(qū)采樣、分區(qū)電極供電的填埋場實(shí)時(shí)滲漏檢測系統(tǒng)的下位機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套基于RS-485串口通信，以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺(tái),C#語言作為編程語言，SQL Server 2005作為底層數(shù)據(jù)庫,Matlab6.5作為三維成圖軟件的上位機(jī)采集檢測軟件。用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理,讀取下位機(jī)采樣值，并對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的三維圖形展示及泄漏預(yù)判分析。通過滲漏定位算法實(shí)現(xiàn)精確漏洞定位。
關(guān)鍵詞： 填埋場滲漏檢測；RS-485；C#；SQL Server 2005；Matlab6.5
固體廢物的處理方法主要有焚燒法、堆肥法和填埋法。填埋法是城市生活垃圾處理的最基本方法。目前的填埋場通常把大量劇毒、有毒物質(zhì)與生活垃圾混合在一起進(jìn)行填埋，填埋場防滲膜滲漏引起的后患不可低估。如果能及時(shí)檢測到填埋場防滲膜(HDPE膜)漏洞并進(jìn)行修補(bǔ)，將可有效地控制滲漏造成的大氣、土壤和地下水污染。滲漏檢測方法主要有雙電極法、電容傳感器法、化學(xué)示劑跟蹤法、電阻率法和電極柵格法。基于分區(qū)電極供電的填埋場實(shí)時(shí)滲漏檢測系統(tǒng)采用分區(qū)檢測、電極供電的方法對大面積填埋場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了電勢數(shù)據(jù)的采集、保存、管理和處理。本文介紹在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用定位算法進(jìn)行漏洞定位，該軟件經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，檢測定位準(zhǔn)確[1]。
1 滲漏檢測基本原理
滲漏檢測法是利用土工膜的電絕緣性和被滲濾液浸濕的垃圾能導(dǎo)電的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。其基本原理是利用HDPE膜的絕緣性和HDPE膜兩側(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性，在HDPE膜上、下介質(zhì)中各放一個(gè)供電電極，接在高壓直流電源的兩端。HDPE膜完好的情況下，由于膜的高阻特性，使得回路電流很小(近似為零)，因此該電流場中各點(diǎn)的電勢(相對無窮遠(yuǎn)處)近似為零，電勢分布均勻；若膜破損，則其高阻特性被破壞，電流將從電源的正極流出后經(jīng)漏洞回到電源的負(fù)極，從而形成電流回路，并在膜上、下介質(zhì)中形成穩(wěn)恒的電流場。此時(shí)，通過測量膜上或膜下介質(zhì)中不同點(diǎn)位的電勢分布，經(jīng)過數(shù)值分析及模型演練情況進(jìn)行漏洞定位。固體廢物填埋場滲漏檢測系統(tǒng)就是基于此原理而設(shè)計(jì)的自動(dòng)滲漏檢測系統(tǒng)[2]，如圖1所示。
2 硬件系統(tǒng)介紹
填埋場的面積一般較大，檢測系統(tǒng)布置的電極數(shù)量較多，檢測區(qū)域龐大，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)、分層分布式結(jié)構(gòu)，并同時(shí)兼顧以后的擴(kuò)展和維修的方便性[3]。
2.1 功能介紹
硬件系統(tǒng)主要完成3個(gè)功能： (1)實(shí)現(xiàn)供電電極切換、區(qū)域供電；(2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、FFT計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；(3)根據(jù)設(shè)計(jì)的串口通信協(xié)議，通過485總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。
2.2 硬件構(gòu)成
系統(tǒng)的硬件主要包括信號發(fā)射源、信號控制單元和數(shù)據(jù)采集單元三部分。
高壓信號發(fā)射源采用直流開關(guān)電源，能夠給填埋場提供電壓幅度為0~1 000 V、電流幅度為0~1 A的高壓直流信號。
采用西門子的s7-200系列PLC對高壓直流電源進(jìn)行電壓、電流、頻率設(shè)置,可有效地控制供電電源，同時(shí)能準(zhǔn)確地開關(guān)設(shè)備，節(jié)省能源，方便運(yùn)行。
以dsPIC33F單片機(jī)為控制核心，負(fù)責(zé)完成各區(qū)域供電電極的切換、數(shù)據(jù)采集、FFT計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上位機(jī)軟件的串口通信。
3 滲漏定位軟件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)
開發(fā)工具：本系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2010 C#.Net作為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)，具有友好的用戶界面和穩(wěn)定的運(yùn)行特性[4]。
數(shù)據(jù)庫：采用Microsoft SQL Server 2005作為采樣數(shù)據(jù)庫，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的管理、分析和計(jì)算。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫包含14個(gè)相互關(guān)聯(lián)和約束的表，這些表中有管理用戶數(shù)據(jù)的、管理日志信息的、管理配置信息的和管理采樣數(shù)據(jù)的。
數(shù)據(jù)可視化：將Matlab圖像界面[5]嵌入到窗口界面中，實(shí)現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的多樣化的直觀表述。根據(jù)電極布置，以電極點(diǎn)作為X-Y坐標(biāo)，采樣電壓值為高度，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的三維可視化，極大地增加了對泄漏點(diǎn)的預(yù)判準(zhǔn)確性和直觀性[6]。
提供了4種可視化方式：泄漏點(diǎn)二維平面分析、三維曲面模擬圖、三維網(wǎng)格模擬圖和采樣值等值線圖，如圖2所示。
3.2 功能設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件是為滿足固體廢棄物填埋場滲漏檢測需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的上位機(jī)采集檢測系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，通過485總線進(jìn)行串口通信，讀取下位機(jī)采樣值和相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，實(shí)現(xiàn)泄漏預(yù)判和定位，提供良好的人機(jī)交互界面。
配合填埋場下位機(jī)系統(tǒng)，可完成如下功能：用戶管理、數(shù)據(jù)庫設(shè)置、串口通信參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、采樣檢測記錄管理、 日志信息管理、供電設(shè)置、采樣操作(分為手動(dòng)采樣和自動(dòng)定時(shí)采樣)、數(shù)據(jù)可視化。
4 滲漏定位算法和數(shù)據(jù)分析
滲漏定位分為預(yù)判和定位兩個(gè)過程[3]。
滲漏點(diǎn)預(yù)判原則：最大采樣值點(diǎn)、最大極差值點(diǎn)。
采樣值：采樣電極獲得的采樣值(電壓值)。
極差值：采樣點(diǎn)與周圍點(diǎn)差值的絕對值和的均值。計(jì)算方法如下：
滲漏分析定位結(jié)果如圖5所示。
本文針對原有的垃圾填埋場滲漏檢測系統(tǒng)檢測大面積填埋場時(shí)存在成本高、電極鋪設(shè)困難和定位精度不高的問題，開發(fā)了基于分區(qū)電極供電的填埋場實(shí)時(shí)滲漏檢測設(shè)備。該設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，抗干擾能力強(qiáng)(通過硬件電路進(jìn)行高頻濾波、FFT計(jì)算進(jìn)行低頻濾波，準(zhǔn)確還原原始信號)，價(jià)格低于國外相似設(shè)備，并填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。該設(shè)備在固體廢物填埋場的實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集、通信、滲漏檢測的效果良好。
參考文獻(xiàn)
[1] 王斌，王琪，董路,等．垃圾填埋場土工膜滲漏電學(xué)檢測法的研究[J]． 環(huán)境科學(xué)研究,2003，16(2)：54-57.
[2] 能昌信，董路，姜文峰,等．土工膜滲漏檢測系統(tǒng)研究[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005，28(4)：1-3.
[3] 能昌信．填埋場滲漏檢測高壓直流電法的研究[D]．北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2005.
[4] 王昊亮，李剛． Visual C#程序設(shè)計(jì)教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[5] 潘愛民．COM原理及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2003.
[6] 苗春葆．MATLAB 與VC 混合編程[J]．中國仿真科技論壇電子期刊, 2009(1).