LHAASO 凈水及超純水制備控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

翟徐徐 張健欣 王博東 張月雷

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學電力學院；2.中國科學院高能物理研究所）

高海拔宇宙線觀測站 （Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO） 項目在國務(wù)院發(fā)布的《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012～2030 年）》中被列為16 個優(yōu)先安排的重大項目之一， 于2015 年12 月31 日獲得國家發(fā)改委批準立項［1］。項目建設(shè)了繆子探測器（MD）陣列和水切倫科夫探測器陣列（WCDA）。 其中凈水及超純水的產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)、穩(wěn)定性和可靠性將直接影響MD 和WCDA 這兩種探測器接收信號的效率和靈敏度［2］。

由于高海拔宇宙線觀測站項目地處4 410m的高海拔地區(qū)，凈水及超純水制備控制系統(tǒng)首次應(yīng)用到這樣的環(huán)境中， 對于系統(tǒng)中所涉及的泵、閥門及傳感器等設(shè)備的性能、工藝設(shè)計都帶來了極大的挑戰(zhàn)。 目前，該系統(tǒng)采用成熟的反滲透和EDI（離子交換）技術(shù)，取代了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的離子交換、RO 混床等工藝。 與此同時，結(jié)合此系統(tǒng)的復雜程度，采用設(shè)備層、控制層和基于西門子組態(tài)軟件WinCC 的監(jiān)控管理層的典型三層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)［3］，并給出了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件編程方式。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 工藝設(shè)計

在本項目中超純水制備控制系統(tǒng)涵蓋凈水（亦稱注補水）系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此筆者將著重研究超純水制備控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。 在LHAASO項目中，繆子探測器對水質(zhì)的具體要求是：產(chǎn)水電阻率達18MΩ·cm （25℃），95%的時間不低于17MΩ·cm，溶解氧（DO）含量小于10ppb（1ppb=10-9），其余指標符合GB/T 11446.1—1997 規(guī)定的電子I 級水質(zhì)標準，設(shè)計產(chǎn)量為20m3/h，設(shè)計注水流量應(yīng)為160t/h（10%預(yù)留量）。 因日后運行期間水池的滲漏、 排污及蒸發(fā)等情況， 每天需要對3個凈水池補充水量約為總水量的千分之一，設(shè)計補水流量應(yīng)為26m3/h。 WCDA 需要的凈水水質(zhì)標準見表1［4］。

表1 凈水水質(zhì)標準

本項目位于四川稻城海子山，不具備以普通自來水作為水源的條件，只能選擇以當?shù)氐奶烊坏乇硭疄樵?岸邊式取水泵取水后，經(jīng)加壓至沉淀池備用。備水量能夠滿足供水峰值176t/h，且濁度小于5NTU。 但原水中含有溶解性固體、溶解性有機物、懸浮顆粒物及微生物等，每逢雨季水質(zhì)情況更為復雜，需要通過相應(yīng)的工藝流程進行處理， 并且具備短時間水質(zhì)突變的處理能力，這也是本套凈水及超純水制備控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的重點和難點。

本系統(tǒng)采用目前成熟的反滲透和EDI 技術(shù)［5～7］，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 凈水及超純水工藝流程

通過石英砂過濾器去除水中的大的懸浮物質(zhì)。 利用過濾器內(nèi)所填充的精制石英砂和無煙煤濾料，當原水自上而下流經(jīng)濾料層時，水中的懸浮物、雜質(zhì)和顆粒物被除去，而使水的濁度降低，5、3、1μm 過濾器可防止預(yù)處理水中的微粒進入后級裝置中，影響水質(zhì)和裝置的使用壽命。 RO 系統(tǒng)是一種新興的膜分離高新技術(shù)產(chǎn)品，是本系統(tǒng)裝置中關(guān)鍵設(shè)備，它不僅能連續(xù)除去水中大部分鈣、鎂及硫酸根等無機離子，還能除去水中絕大部分的有機物、細菌、熱源病毒及微粒等。 EDI 裝置即連續(xù)電脫鹽裝置，它利用裝置內(nèi)所填充的混合型樹脂，在樹脂床兩側(cè)加上直流電后，純水流經(jīng)樹脂時， 水中的陽離子被陽樹脂的H+取代，水中的陰離子被陰樹脂OH-取代，進入水中的H+和OH-組成H2O，從而提高脫鹽效率［8］。 拋光混床系統(tǒng)位于凈水及超純水制備控制系統(tǒng)末端，用來進一步提升系統(tǒng)出水水質(zhì)。

1.2 控制方案設(shè)計

由于整個系統(tǒng)I/O 點數(shù)有400 個， 信息采集量大，控制過程復雜，為此設(shè)計了三層結(jié)構(gòu)（設(shè)備層、 控制層和監(jiān)控層） 的凈水及超純水制備控制系統(tǒng)。 設(shè)備層由數(shù)字量輸入輸出模塊EM DT32（16DI/16DQ） 和模擬量輸入模塊EM AE08（8AI）連接現(xiàn)場操作按鈕、現(xiàn)場設(shè)備檢測單元（液位傳感器、壓力傳感器及溫度傳感器等）、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)（如水泵、電磁閥等），設(shè)備層的信息由Profibus總線傳遞； 控制層主要包括S7-200 SMART 系列PLC 和相應(yīng)電源模塊； 監(jiān)控層采用WinCC7.3 軟件進行組態(tài)設(shè)計［9］。

2 凈水及超純水制備控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 底層檢測元件與執(zhí)行元器件選型

由于整個控制系統(tǒng)需檢測各路管道中的流量、壓力、溫度和各水箱液位情況，執(zhí)行機構(gòu)包括電動閥和水泵。 液位傳感器、流量傳感器及壓力傳感器等通過電纜連接到輸入輸出模塊層，然后通過Profibus-DP 連接到PLC 控制器。 PLC 控制器通過調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行［10］。 根據(jù)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的精度和量程范圍，主要檢測元件與執(zhí)行元器件選型見表2。

表2 元器件型號

在凈水及超純水制備過程中對水的濁度、電導率、溶解氧、pH 值、硬度、電阻率、顆粒數(shù)和總有機碳（TOC）有嚴格要求，需要采用相關(guān)的分析儀表進行檢測和顯示，系統(tǒng)對分析儀的靈敏度和準確度也都有嚴格要求［11］的信號作為輸入信號傳輸?shù)絇LC 控制器中進行處理，水質(zhì)檢測儀型號見表3。

表3 水質(zhì)檢測儀型號

2.2 PLC 控制系統(tǒng)硬件選型與組態(tài)

根據(jù)工藝流程和點數(shù)分配情況，選擇了CPU的型號及其相應(yīng)電源， 進而分配I/O 塊， 選擇數(shù)字/模擬量輸入輸出模塊型號。其中凈水系統(tǒng)和超純水系統(tǒng)分別位于兩個控制柜中。 PLC 控制系統(tǒng)硬件選型如下：

a. 處理器。 S7-200 SMART，凈水系統(tǒng)有兩個PLC， 分別為6ES7288-1ST60-0AA0 和6ES7288-1ST20-0AA0，作為主/從處理器。

b. 數(shù)字量輸入模塊。 6ES7288-1ST16-0AA0，16 位數(shù)字量輸入，6 個。

c. 數(shù)字量輸出模塊。 6ES7288-2QT16-0AA0，16 位數(shù)字量輸出，2 個。

d. 模擬量輸入模塊。 6ES7288-3AE08-0AA0，8 位模擬量輸入，6 個。

系統(tǒng)硬件選定后， 在STEP 7-Micro/WIN SMART 軟件中進行硬件組態(tài)。

3 凈水及超純水制備控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)在編程的過程中，將工藝流程中每個設(shè)備的控制程序編寫在功能塊中。 例如針對凈水系統(tǒng)，主要的功能塊有：原水泵、石英砂過濾器、精密過濾器、活性炭過濾器、臭氧混合和注補水、紫外殺菌和水池等， 超純水系統(tǒng)的主要功能塊有：原水泵、一級RO 膜、二級RO 膜、EDI、送水及清洗等［12］。

3.1 石英砂過濾器控制程序設(shè)計

由于整個系統(tǒng)的原水為天然地表水，隨著當?shù)丶竟?jié)變化水質(zhì)情況較為復雜。 石英砂過濾器作為整個系統(tǒng)的第一道過濾裝置，主要通過內(nèi)部填裝的過濾介質(zhì)攔截水中不溶于水的大顆粒、懸浮物。 其產(chǎn)水質(zhì)量直接影響后續(xù)工藝設(shè)備能否正常運行，如一級RO 膜會出現(xiàn)堵塞的情況。為了保證石英砂過濾器產(chǎn)水達標，流量穩(wěn)定，整個系統(tǒng)配置4 個砂濾罐， 每個砂濾罐分別設(shè)置正常工作、反洗、落料和正洗4 個階段［13］。 當正常工作時間超過500min 時，砂濾罐依次進入上述4 個階段。相應(yīng)控制程序流程如圖2 所示。

圖2 石英砂過濾器控制程序流程

3.2 反滲透膜單元程序設(shè)計

RO 膜是超純水制備的重要一環(huán)， 良好的控制策略不僅可以保證產(chǎn)水水質(zhì)和產(chǎn)水量穩(wěn)定，而且最主要的是可以延長反滲透膜元件的壽命，為后續(xù)處理設(shè)備（如EDI、拋光混床和終端過濾器）的穩(wěn)定產(chǎn)水奠定了基礎(chǔ)。因此，針對RO 膜單元設(shè)計了低壓沖洗、高壓沖洗、沖洗循環(huán)、正常工作和化學清洗5 個階段［14］，相應(yīng)控制程序的流程如圖3 所示。

3.3 EDI 單元程序設(shè)計

EDI 的主要工作過程如下：

a. 在外加直流電場的作用下， 水中陽離子（如H+、Ca2+、Na+及Mg2+等） 和陰離子 （如OH-、CO32-、Cl-及SO42-等） 電解質(zhì)離子通過離子交換樹脂進行選擇性遷移；

圖3 反滲透膜單元程序流程

b. 水中的陽離子被陽樹脂的H+取代，水中的陰離子被陰樹脂的OH-取代， 進入水中的H+和OH-組成H2O；

c. 離子交換樹脂界面的極化過程產(chǎn)生的H+、OH-和交換劑本身的水解作用對交換樹脂進行電化學再生。

根據(jù)工藝要求，EDI 裝置由4 臺膜堆、1 套整流裝置和1 套操作閥組成，EDI 過濾器的出水進入EDI 裝置，其中膜堆有兩路，一路為淡水，一路為濃水，每路均設(shè)置一個調(diào)節(jié)閥。 其控制程序分為待機、低壓沖洗、高壓沖洗、正常工作、沖洗排放、沖洗循環(huán)和化學清洗7 個階段［15］，具體的流程如圖4 所示。

圖4 EDI 單元程序流程

3.4 脫氣裝置和拋光混床單元程序設(shè)計

根據(jù)超純水產(chǎn)水指標要求，終端產(chǎn)水溶解氧含量應(yīng)小于10ppb， 基于此在工藝設(shè)計上增加了脫氣裝置，用于脫除EDI 產(chǎn)水中的氣體（主要為氧氣），真空泵為脫氣裝置提供一定的工作壓力，脫氣裝置由脫氣膜、真空泵、冷卻水箱和氮氣組成［16］。

根據(jù)工藝要求， 當送水泵啟動后， 真空泵運行， 脫氣裝置開始正常工作， 由于真空泵在運行的過程中會產(chǎn)生熱量， 需要用冷卻水箱中的純水進行冷卻， 當冷卻水箱內(nèi)水溫升高后，需要及時更換。 這部分需要控制系統(tǒng)配合完成，實現(xiàn)全自動控制［17］。 具體程序設(shè)計流程如圖5 所示。

圖5 脫氣裝置和拋光混床單元程序流程

4 系統(tǒng)調(diào)試與控制效果

該系統(tǒng)于2018 年10 月進入調(diào)試運行階段，截至2019 年4 月， 本套系統(tǒng)已經(jīng)為WCDA1#水池注入10 萬噸凈水，為100 個MD 注入共計6 000t 超純水。出水指標達到設(shè)計要求，自控系統(tǒng)經(jīng)過不斷的調(diào)試改進，已經(jīng)實現(xiàn)全自動運行。 凈水系統(tǒng)和超純水系統(tǒng)部分運行參數(shù)分別見表4、5。

通過分析凈水系統(tǒng)和超純水系統(tǒng)4 天的運行參數(shù)，可以看出系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，過濾器壓差增長緩慢，出水指標合格，基本達到預(yù)期目標。通過不斷優(yōu)化自控系統(tǒng)的控制邏輯，超純水系統(tǒng)RO 膜的除鹽率較高，處理效果顯著，為后續(xù)EDI和拋光樹脂的穩(wěn)定運行提供了保證。

由于海子山氣候多變，每年夏季降水較為集中，導致原水泥沙含量較大，冬季最冷月平均氣溫為-7.1℃，造成原水溫度大約在1℃左右。 原水的不穩(wěn)定會對整個系統(tǒng)造成較大的影響，因此在系統(tǒng)運行過程中，通過不斷調(diào)整運行參數(shù)（如石英砂過濾器各階段運行時間、絮凝劑（PAC 聚合氯化鋁）的用量［15］）、設(shè)備之間的流量等，使系統(tǒng)運行參數(shù)達到最優(yōu)。

表4 凈水系統(tǒng)部分運行參數(shù)

表5 超純水系統(tǒng)部分運行參數(shù)

通過分析凈水系統(tǒng)的原水、供水的濁度情況以及運行過程中的過濾器壓差變化，可以看出凈水系統(tǒng)水處理效果顯著，其進、產(chǎn)水濁度和濾芯壓差變化如圖6、7 所示。

圖6 凈水系統(tǒng)進、產(chǎn)水濁度變化

圖7 凈水系統(tǒng)過濾器壓差變化

電導率是判斷超純水水質(zhì)的基本指標，通過對比超純水站各水處理單元的電導率，結(jié)合自控系統(tǒng)對水質(zhì)的邏輯判斷， 實時控制水流走向，保證水處理單元產(chǎn)水達標后方可進入下一階段。 超純水系統(tǒng)電導率變化情況如圖8 所示。

圖8 超純水系統(tǒng)原、產(chǎn)水電導率變化

5 結(jié)束語

整個凈水及超純水制備控制系統(tǒng)采用設(shè)備層、控制層、基于西門子組態(tài)軟件WinCC 的監(jiān)控管理層的典型三層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，極大地保證了系統(tǒng)的完整性，對設(shè)備突發(fā)的異常也具有一定的容錯性。 LHAASO 項目是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，WCDA 和MD 作為項目的主要探測器，其介質(zhì)水質(zhì)的好壞，直接影響測量效果。 因此凈水及超純水制備控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行對于整個項目責任重大。 通過系統(tǒng)實際運行表明，整個系統(tǒng)功能完善，可應(yīng)用于高海拔地區(qū)，穩(wěn)定和易于維護的特點使得系統(tǒng)可以連續(xù)生產(chǎn)出符合要求的凈水和超純水，為LHAASO 項目的科學運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。