LHAASO 净水及超纯水制备控制系统的设计与实现

翟徐徐 张健欣 王博东 张月雷

（1.内蒙古工业大学电力学院；2.中国科学院高能物理研究所）

高海拔宇宙线观测站 （Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO） 项目在国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012～2030 年）》中被列为16 个优先安排的重大项目之一， 于2015 年12 月31 日获得国家发改委批准立项［1］。项目建设了缪子探测器（MD）阵列和水切伦科夫探测器阵列（WCDA）。 其中净水及超纯水的产水量、产水水质、稳定性和可靠性将直接影响MD 和WCDA 这两种探测器接收信号的效率和灵敏度［2］。

由于高海拔宇宙线观测站项目地处4 410m的高海拔地区，净水及超纯水制备控制系统首次应用到这样的环境中， 对于系统中所涉及的泵、阀门及传感器等设备的性能、工艺设计都带来了极大的挑战。 目前，该系统采用成熟的反渗透和EDI（离子交换）技术，取代了传统工业生产的离子交换、RO 混床等工艺。 与此同时，结合此系统的复杂程度，采用设备层、控制层和基于西门子组态软件WinCC 的监控管理层的典型三层网络控制系统［3］，并给出了控制系统的硬件设计和软件编程方式。

1 系统总体设计

1.1 工艺设计

在本项目中超纯水制备控制系统涵盖净水（亦称注补水）系统中的关键环节，因此笔者将着重研究超纯水制备控制系统的实现。 在LHAASO项目中，缪子探测器对水质的具体要求是：产水电阻率达18MΩ·cm （25℃），95%的时间不低于17MΩ·cm，溶解氧（DO）含量小于10ppb（1ppb=10-9），其余指标符合GB/T 11446.1—1997 规定的电子I 级水质标准，设计产量为20m3/h，设计注水流量应为160t/h（10%预留量）。 因日后运行期间水池的渗漏、 排污及蒸发等情况， 每天需要对3个净水池补充水量约为总水量的千分之一，设计补水流量应为26m3/h。 WCDA 需要的净水水质标准见表1［4］。

表1 净水水质标准

本项目位于四川稻城海子山，不具备以普通自来水作为水源的条件，只能选择以当地的天然地表水为原水。 岸边式取水泵取水后，经加压至沉淀池备用。备水量能够满足供水峰值176t/h，且浊度小于5NTU。 但原水中含有溶解性固体、溶解性有机物、悬浮颗粒物及微生物等，每逢雨季水质情况更为复杂，需要通过相应的工艺流程进行处理， 并且具备短时间水质突变的处理能力，这也是本套净水及超纯水制备控制系统设计与实现的重点和难点。

本系统采用目前成熟的反渗透和EDI 技术［5～7］，其工艺流程如图1 所示。

图1 净水及超纯水工艺流程

通过石英砂过滤器去除水中的大的悬浮物质。 利用过滤器内所填充的精制石英砂和无烟煤滤料，当原水自上而下流经滤料层时，水中的悬浮物、杂质和颗粒物被除去，而使水的浊度降低，5、3、1μm 过滤器可防止预处理水中的微粒进入后级装置中，影响水质和装置的使用寿命。 RO 系统是一种新兴的膜分离高新技术产品，是本系统装置中关键设备，它不仅能连续除去水中大部分钙、镁及硫酸根等无机离子，还能除去水中绝大部分的有机物、细菌、热源病毒及微粒等。 EDI 装置即连续电脱盐装置，它利用装置内所填充的混合型树脂，在树脂床两侧加上直流电后，纯水流经树脂时， 水中的阳离子被阳树脂的H+取代，水中的阴离子被阴树脂OH-取代，进入水中的H+和OH-组成H2O，从而提高脱盐效率［8］。 抛光混床系统位于净水及超纯水制备控制系统末端，用来进一步提升系统出水水质。

1.2 控制方案设计

由于整个系统I/O 点数有400 个， 信息采集量大，控制过程复杂，为此设计了三层结构（设备层、 控制层和监控层） 的净水及超纯水制备控制系统。 设备层由数字量输入输出模块EM DT32（16DI/16DQ） 和模拟量输入模块EM AE08（8AI）连接现场操作按钮、现场设备检测单元（液位传感器、压力传感器及温度传感器等）、现场执行机构（如水泵、电磁阀等），设备层的信息由Profibus总线传递； 控制层主要包括S7-200 SMART 系列PLC 和相应电源模块； 监控层采用WinCC7.3 软件进行组态设计［9］。

2 净水及超纯水制备控制系统硬件设计

2.1 底层检测元件与执行元器件选型

由于整个控制系统需检测各路管道中的流量、压力、温度和各水箱液位情况，执行机构包括电动阀和水泵。 液位传感器、流量传感器及压力传感器等通过电缆连接到输入输出模块层，然后通过Profibus-DP 连接到PLC 控制器。 PLC 控制器通过调节执行机构保证系统的稳定运行［10］。 根据系统测量数据的精度和量程范围，主要检测元件与执行元器件选型见表2。

表2 元器件型号

在净水及超纯水制备过程中对水的浊度、电导率、溶解氧、pH 值、硬度、电阻率、颗粒数和总有机碳（TOC）有严格要求，需要采用相关的分析仪表进行检测和显示，系统对分析仪的灵敏度和准确度也都有严格要求［11］的信号作为输入信号传输到PLC 控制器中进行处理，水质检测仪型号见表3。

表3 水质检测仪型号

2.2 PLC 控制系统硬件选型与组态

根据工艺流程和点数分配情况，选择了CPU的型号及其相应电源， 进而分配I/O 块， 选择数字/模拟量输入输出模块型号。其中净水系统和超纯水系统分别位于两个控制柜中。 PLC 控制系统硬件选型如下：

a. 处理器。 S7-200 SMART，净水系统有两个PLC， 分别为6ES7288-1ST60-0AA0 和6ES7288-1ST20-0AA0，作为主/从处理器。

b. 数字量输入模块。 6ES7288-1ST16-0AA0，16 位数字量输入，6 个。

c. 数字量输出模块。 6ES7288-2QT16-0AA0，16 位数字量输出，2 个。

d. 模拟量输入模块。 6ES7288-3AE08-0AA0，8 位模拟量输入，6 个。

系统硬件选定后， 在STEP 7-Micro/WIN SMART 软件中进行硬件组态。

3 净水及超纯水制备控制系统软件设计

本系统在编程的过程中，将工艺流程中每个设备的控制程序编写在功能块中。 例如针对净水系统，主要的功能块有：原水泵、石英砂过滤器、精密过滤器、活性炭过滤器、臭氧混合和注补水、紫外杀菌和水池等， 超纯水系统的主要功能块有：原水泵、一级RO 膜、二级RO 膜、EDI、送水及清洗等［12］。

3.1 石英砂过滤器控制程序设计

由于整个系统的原水为天然地表水，随着当地季节变化水质情况较为复杂。 石英砂过滤器作为整个系统的第一道过滤装置，主要通过内部填装的过滤介质拦截水中不溶于水的大颗粒、悬浮物。 其产水质量直接影响后续工艺设备能否正常运行，如一级RO 膜会出现堵塞的情况。为了保证石英砂过滤器产水达标，流量稳定，整个系统配置4 个砂滤罐， 每个砂滤罐分别设置正常工作、反洗、落料和正洗4 个阶段［13］。 当正常工作时间超过500min 时，砂滤罐依次进入上述4 个阶段。相应控制程序流程如图2 所示。

图2 石英砂过滤器控制程序流程

3.2 反渗透膜单元程序设计

RO 膜是超纯水制备的重要一环， 良好的控制策略不仅可以保证产水水质和产水量稳定，而且最主要的是可以延长反渗透膜元件的寿命，为后续处理设备（如EDI、抛光混床和终端过滤器）的稳定产水奠定了基础。因此，针对RO 膜单元设计了低压冲洗、高压冲洗、冲洗循环、正常工作和化学清洗5 个阶段［14］，相应控制程序的流程如图3 所示。

3.3 EDI 单元程序设计

EDI 的主要工作过程如下：

a. 在外加直流电场的作用下， 水中阳离子（如H+、Ca2+、Na+及Mg2+等） 和阴离子 （如OH-、CO32-、Cl-及SO42-等） 电解质离子通过离子交换树脂进行选择性迁移；

图3 反渗透膜单元程序流程

b. 水中的阳离子被阳树脂的H+取代，水中的阴离子被阴树脂的OH-取代， 进入水中的H+和OH-组成H2O；

c. 离子交换树脂界面的极化过程产生的H+、OH-和交换剂本身的水解作用对交换树脂进行电化学再生。

根据工艺要求，EDI 装置由4 台膜堆、1 套整流装置和1 套操作阀组成，EDI 过滤器的出水进入EDI 装置，其中膜堆有两路，一路为淡水，一路为浓水，每路均设置一个调节阀。 其控制程序分为待机、低压冲洗、高压冲洗、正常工作、冲洗排放、冲洗循环和化学清洗7 个阶段［15］，具体的流程如图4 所示。

图4 EDI 单元程序流程

3.4 脱气装置和抛光混床单元程序设计

根据超纯水产水指标要求，终端产水溶解氧含量应小于10ppb， 基于此在工艺设计上增加了脱气装置，用于脱除EDI 产水中的气体（主要为氧气），真空泵为脱气装置提供一定的工作压力，脱气装置由脱气膜、真空泵、冷却水箱和氮气组成［16］。

根据工艺要求， 当送水泵启动后， 真空泵运行， 脱气装置开始正常工作， 由于真空泵在运行的过程中会产生热量， 需要用冷却水箱中的纯水进行冷却， 当冷却水箱内水温升高后，需要及时更换。 这部分需要控制系统配合完成，实现全自动控制［17］。 具体程序设计流程如图5 所示。

图5 脱气装置和抛光混床单元程序流程

4 系统调试与控制效果

该系统于2018 年10 月进入调试运行阶段，截至2019 年4 月， 本套系统已经为WCDA1#水池注入10 万吨净水，为100 个MD 注入共计6 000t 超纯水。出水指标达到设计要求，自控系统经过不断的调试改进，已经实现全自动运行。 净水系统和超纯水系统部分运行参数分别见表4、5。

通过分析净水系统和超纯水系统4 天的运行参数，可以看出系统整体运行平稳，过滤器压差增长缓慢，出水指标合格，基本达到预期目标。通过不断优化自控系统的控制逻辑，超纯水系统RO 膜的除盐率较高，处理效果显著，为后续EDI和抛光树脂的稳定运行提供了保证。

由于海子山气候多变，每年夏季降水较为集中，导致原水泥沙含量较大，冬季最冷月平均气温为-7.1℃，造成原水温度大约在1℃左右。 原水的不稳定会对整个系统造成较大的影响，因此在系统运行过程中，通过不断调整运行参数（如石英砂过滤器各阶段运行时间、絮凝剂（PAC 聚合氯化铝）的用量［15］）、设备之间的流量等，使系统运行参数达到最优。

表4 净水系统部分运行参数

表5 超纯水系统部分运行参数

通过分析净水系统的原水、供水的浊度情况以及运行过程中的过滤器压差变化，可以看出净水系统水处理效果显著，其进、产水浊度和滤芯压差变化如图6、7 所示。

图6 净水系统进、产水浊度变化

图7 净水系统过滤器压差变化

电导率是判断超纯水水质的基本指标，通过对比超纯水站各水处理单元的电导率，结合自控系统对水质的逻辑判断， 实时控制水流走向，保证水处理单元产水达标后方可进入下一阶段。 超纯水系统电导率变化情况如图8 所示。

图8 超纯水系统原、产水电导率变化

5 结束语

整个净水及超纯水制备控制系统采用设备层、控制层、基于西门子组态软件WinCC 的监控管理层的典型三层网络控制系统，极大地保证了系统的完整性，对设备突发的异常也具有一定的容错性。 LHAASO 项目是国家重大科技基础设施建设项目，WCDA 和MD 作为项目的主要探测器，其介质水质的好坏，直接影响测量效果。 因此净水及超纯水制备控制系统的长期稳定运行对于整个项目责任重大。 通过系统实际运行表明，整个系统功能完善，可应用于高海拔地区，稳定和易于维护的特点使得系统可以连续生产出符合要求的净水和超纯水，为LHAASO 项目的科学运行奠定了坚实的基础。