基于PLC的直供式透析用水處理器的控制方案設(shè)計

(西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

·機電工程·

基于PLC的直供式透析用水處理器的控制方案設(shè)計

彭 韜，向中凡*，李 科，黃 磊

(西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

為增強血液透析水處理器的可靠性及控制精度，同時方便醫(yī)務(wù)人員操作，設(shè)計一套基于可編程控制器(PLC)的直供式雙級反滲透水處理控制系統(tǒng)。對直供式雙極反滲透水處理器的各組成部分進行電氣控制設(shè)計，使系統(tǒng)實現(xiàn)自動沖洗、數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障報警以及按需選擇單、雙級控制水等功能。采用PI控制技術(shù)不僅能保障水處理產(chǎn)水水壓恒定，還能根據(jù)實際用水量自動調(diào)節(jié)產(chǎn)水水量，達(dá)到節(jié)約用水的目的。實驗運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單，產(chǎn)水水壓恒定。

血液透析；雙級反滲透；水處理；PLC；MCGS

血液透析是維持腎病患者生命的重要治療方法，水處理設(shè)備作為血液透析系統(tǒng)的重要組成部分，為透析治療提供高質(zhì)量的透析用水。引進PLC控制器不僅能提高水處理系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，還能減少不必要的醫(yī)療事故，同時方便醫(yī)務(wù)人員的操作[1-3]。

本文設(shè)計一套基于MCGS觸摸屏嵌入式版組態(tài)軟件和可編程控制器(PLC)的直供式雙級反滲透水處理控制系統(tǒng)。利用PLC對系統(tǒng)進行自動控制，由MCGS組態(tài)軟件對整個控制系統(tǒng)實時監(jiān)控，當(dāng)壓力、流量、電導(dǎo)率等監(jiān)控數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時產(chǎn)生報警信號，以保證系統(tǒng)運行安全、可靠[4]。為預(yù)防因待機時間長而引起細(xì)菌滋生的問題，控制系統(tǒng)能夠自動對管道進行定時沖洗。為使輸出水壓恒定，采用PI控制技術(shù)控制變頻器從而調(diào)節(jié)Ⅱ級泵的輸出壓力，同時采用流量閉環(huán)控制調(diào)節(jié)Ⅰ級泵的轉(zhuǎn)速以避免直供式水處理器存在的水電浪費現(xiàn)象[5]。

1 直供式雙級反滲透水處理器方案

直供式雙極反滲透水處理器的主要功能是實現(xiàn)對普通自來水的凈化，使水達(dá)到血液透析用水的標(biāo)準(zhǔn)，其主要包括水路工藝過程和電氣控制2部分，其中水路工藝過程包括預(yù)處理單元及雙級反滲透單元，原理如圖1所示。

根據(jù)通常自來水中含有的雜質(zhì)和微量元素類型(如懸浮物質(zhì)、有機懸浮物、膠體物質(zhì)、難溶解物質(zhì)及氣體等)，配置預(yù)處理設(shè)備，其由原水增壓泵、砂濾器、活性炭吸附罐、 樹脂軟化罐以及保安過濾器等組成，能有效去除自來水中的雜質(zhì)、游離的氯胺、致熱源、鈣鎂等離子以及懸浮顆粒，同時能防止RO膜表面的污染、結(jié)垢，延長RO膜的使用壽命[6-7]。反滲透單元采用雙級反滲透裝置，可得到電導(dǎo)率小于5 μS/cm的超純凈水。

圖1 水路工藝流程

由于膜表面的濃度極差現(xiàn)象會導(dǎo)致產(chǎn)水量降低、產(chǎn)水濃度增加以及反滲透膜壽命縮短[8]，系統(tǒng)將Ⅰ級部分濃水反饋到平衡器，Ⅱ級濃水分別反饋到平衡器和Ⅱ級膜的入口。這樣可以提高膜表面切向流速，降低濃度極差，降低產(chǎn)水的內(nèi)毒素含量。

文中的水處理器的Ⅰ、Ⅱ級可協(xié)同工作，也能獨立工作，任意一級出現(xiàn)故障，可獨立開啟另一級保持供水，保障了設(shè)備的運行安全、穩(wěn)定及靈活性。參照以上的水處理器水路設(shè)計方案完成的水處理器實物圖如圖2所示。

圖2 直供式雙級反滲透水處理器

2 水處理系統(tǒng)的控制方案

本文的主要工作是完成基于圖2的直供式水處理器的控制系統(tǒng)設(shè)計，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。觸摸屏為上位機，負(fù)責(zé)給下位機發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)的實時顯示等；PLC為下位機，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集并將指定的數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏，同時還負(fù)責(zé)控制繼電器等水處理設(shè)備。輸入設(shè)備中的電導(dǎo)率儀、渦輪流量計、壓力傳感器等,主要輸出4～20 mA的電流信號，實現(xiàn)對參數(shù)的檢測；另外，起限位和報警作用的液位開關(guān)等，這些輸入設(shè)備輸出開關(guān)量信號給PLC控制器。系統(tǒng)的輸出設(shè)備主要有觸摸屏顯示器、電磁閥、高壓泵等。

圖3 電氣控制結(jié)構(gòu)圖

3 PLC控制方案設(shè)計

3.1控制過程

控制系統(tǒng)采用永宏P(guān)LC FBS-24MA/MC，具有14點24 VDC數(shù)字量輸入(4點可達(dá)10 kHz)，10點(R/T/S)數(shù)字量輸出(“T”機型具4點10 kHz輸出)，1個RS232或USB通信端口，同時擴展了1個6通道的A/D模塊和6通道的D/A模塊。人機界面采用昆侖通態(tài)觸摸屏及MCGS嵌入版組態(tài)軟件作為操作的上位機。通過PLC編程控制各個泵及電磁閥協(xié)調(diào)工作從而使系統(tǒng)各個部分達(dá)到全自動化的制水、消毒等工作模式。整個控制系統(tǒng)的控制過程遵循著啟動時先開閥后開泵，關(guān)閉時先關(guān)泵后關(guān)閥的原則。

1)原水預(yù)處理。預(yù)處理部件主要包括原水泵，預(yù)處理高壓開關(guān)，預(yù)處理低壓開關(guān)，平衡器進水電磁閥，平衡器的高、中、低水位開關(guān)和全自動多路閥。其中高壓開關(guān)選擇常閉觸點，低壓開關(guān)選擇常開觸點。預(yù)處理的正常進水控制過程如圖4所示。

圖4 預(yù)處理出水控制流程圖

其控制過程包括預(yù)處理過濾器的正、反沖洗及正常進水模式。智能的全自動多路閥自動實現(xiàn)過濾器的反沖洗、正沖洗，并有信號輸出，與主機PLC控制相結(jié)合，達(dá)到全自動控制過程。通常預(yù)處理的正、反沖洗都設(shè)置在夜間以避免與正常工作相沖突，當(dāng)系統(tǒng)檢測到正、反沖洗信號應(yīng)立即停制水或消毒工作。

2)Ⅰ級高壓泵。Ⅰ級高壓泵主要功能是為Ⅰ級反滲透膜加壓使其達(dá)到產(chǎn)水壓力，其控制部件主要包括Ⅰ級高壓泵、平衡器低水位開關(guān)、平衡器中水位開關(guān)以及輸出端的壓力傳感器，其控制流程圖如圖5所示。

圖5 Ⅰ級泵控制流程圖

3)Ⅱ級高壓泵。Ⅱ級高壓泵主要功能是為Ⅱ級反滲透膜加壓使其達(dá)到產(chǎn)水壓力，其控制部件主要包括Ⅱ級高壓泵、Ⅱ級輸入壓力開關(guān)以及輸出端的壓力傳感器，其控制流程圖如圖6所示。

圖6 Ⅱ級泵控制流程圖

4)恒壓供水。在透析治療中，必須保證供水壓力滿足透析機進水壓力的要求，一般可在靠近平衡器的供水管道上加1個調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)返回平衡器的產(chǎn)水流量從而調(diào)節(jié)供水壓力；但這種方法需要人工調(diào)節(jié)，操作不方便，在透析用水需求較小的情況下還將造成水、電的浪費。

本文利用變頻器控制供水水壓，不僅能保證供水壓力恒定，還具有節(jié)能、節(jié)水的優(yōu)點。控制原理圖如圖7所示，將產(chǎn)水壓力的測量信號y(k)傳送給PLC，由PLC的PID模塊將y(k)與給定信號y*做差，將差值進行PID運算，輸出控制信號控制變頻器的頻率，進而控制泵的輸出壓力，保證供水壓力的恒定。

圖7 恒壓控制框圖

PID控制算法的種類繁多，最常見的有位置式、增量式和速度控制算法。本文采用增量式PID控制算法，其算法流程圖如圖8所示。

圖8 PID控制流程圖

5)流量控制。流量控制包括Ⅰ級產(chǎn)水量控制和Ⅱ級產(chǎn)水量的控制。恒壓供水控制是根據(jù)用水的多少來控制Ⅱ級的產(chǎn)水流量。Ⅰ級產(chǎn)水流量也是Ⅱ級的進入流量，Ⅱ級產(chǎn)水流量與Ⅱ級產(chǎn)進水流量之比為Ⅱ級反滲透的回收率，一般設(shè)定為0%；因此，根據(jù)Ⅱ級產(chǎn)水流量計算出所需的進水流量也即Ⅰ級的產(chǎn)水流量，再利用變頻控制即可控制Ⅰ級的產(chǎn)水流量，其控制框圖如圖9所示。其中，F(xiàn)*為Ⅰ級產(chǎn)水流量的參考值，由Ⅱ級產(chǎn)水量除以Ⅱ級回收率得到。

圖9 工級產(chǎn)水流量控制

6)報警處理。在系統(tǒng)正常運行過程中，對Ⅰ、Ⅱ級反滲透膜的進水水壓及出水水壓，Ⅰ、Ⅱ級的產(chǎn)水電導(dǎo)率進行檢測，對不符合規(guī)定的值進行報警處理。

3.2工作模式

系統(tǒng)的工作模式包括消毒、制水、待機和自動沖洗4種。

1)消毒模式。為清除雙級反滲機和供水管道內(nèi)的細(xì)菌和內(nèi)毒素，需要定期對反滲機及管道進行消毒[9]。消毒模式包括全消毒、機器消毒和管道消毒3種方式，根據(jù)實際需要選擇性的對機器、用戶管道單獨消毒或?qū)φ麄€水處理設(shè)備及用戶取水管道消毒。消毒過程按照添加消毒液、循環(huán)、浸泡、沖洗依次進行，各過程的執(zhí)行時間參數(shù)通過觸摸屏設(shè)置。

2)制水模式。制水模式包括全制水、Ⅰ級制水和Ⅱ級制水3種。正常情況下系統(tǒng)運行在全制水模式下，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，如Ⅰ級高壓泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動報警并停止工作，在保證產(chǎn)水質(zhì)量的前提下啟動Ⅱ級單獨制水模式繼續(xù)工作，待故障解除后再調(diào)整到全制水模式，同樣當(dāng)Ⅱ級制水通道出現(xiàn)故障時可以調(diào)整到Ⅰ級制水模式。

3)待機模式。當(dāng)系統(tǒng)停止運行時便進入待機模式，同時開始計時為進入沖洗模式做準(zhǔn)備。

4)自動循環(huán)模式。當(dāng)系統(tǒng)停止運行的時間超過設(shè)置時間時，停留在用戶管道中的水就容易滋生細(xì)菌，若細(xì)菌進入人體體內(nèi)，將嚴(yán)重危害透析病人的健康[10]。為防止細(xì)菌滋生，當(dāng)系統(tǒng)剛開機時或者待機超過設(shè)定時間時，系統(tǒng)自動進入自動循環(huán)模式，將管道中的水進行循環(huán)流動制水，防止產(chǎn)生死水。

4 人機界面設(shè)計

采用可視化的組態(tài)方式，完成人機界面的設(shè)計，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和開發(fā)速度，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，并提供動畫顯示、報表輸出、報警處理等多種方式解決工程問題[11-12]。

本系統(tǒng)上位機人機界面選用北京昆侖通態(tài)公司的MCGS嵌入版組態(tài)軟件，它可編寫能運行于安裝有Windows CE操作系統(tǒng)的嵌入式觸摸屏，通過RS-485總線，實現(xiàn)觸摸屏與人機界面的協(xié)同工作。

本文開發(fā)的水處理器的人機界面的主要功能包括：工作模式的切換操作；對工藝流程，系統(tǒng)壓力、流量、電導(dǎo)率等傳感器的測量值，設(shè)備運行狀態(tài)等的顯示；對系統(tǒng)運行中警告、錯誤信息的顯示及瀏覽；對系統(tǒng)運行參數(shù)的設(shè)置及修改。其實現(xiàn)了系統(tǒng)自動控制、數(shù)據(jù)集中管理、故障報警等多方面功能。圖形化的人機界面顯示了設(shè)備運行全過程，操作簡明快捷，通過發(fā)出控制指令使系統(tǒng)按照操控人員的意愿工作，同時配合PLC檢測一定的系統(tǒng)故障并提供調(diào)試窗口幫助維修人員排查故障，部分操作界面如圖10所示。

圖10 水處理系統(tǒng)控制界面

5 控制系統(tǒng)的功能驗證

根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案完成PLC及觸摸屏的程序編寫，并將程序下載到已經(jīng)安裝在水處理器中的PLC及觸摸屏中，并對系統(tǒng)進行調(diào)試。調(diào)試運行過程中，將Ⅱ級反滲透的輸出壓力值設(shè)定為6 MPa，并將回水循環(huán)閥(如圖2所示)開大或關(guān)小，觀察輸出壓力和流量的變化情況。其實驗結(jié)果表明：輸出壓力能保持在6 MPa，并且流量能隨著回水循環(huán)閥的開大開小而變大變小，這說明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓供水和節(jié)約用水的目的；系統(tǒng)能夠按照操作命令實現(xiàn)自動制水、消毒等功能；當(dāng)系統(tǒng)待機時間超過設(shè)定時間時能夠自動對管道沖洗，防止細(xì)菌滋生；當(dāng)系統(tǒng)檢測到產(chǎn)水電導(dǎo)率過高、泵的壓力過低或過高等報警信息時還能實現(xiàn)故障報警、低壓及高壓保護等功能；人機界面友好，操作方便，能直觀地顯示制水、消毒、沖洗等工作狀態(tài)。

6 結(jié)論

以PLC、組態(tài)軟件為核心的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動制水、消毒、沖洗等功能，并能對產(chǎn)水水質(zhì)及系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時檢測與控制，對系統(tǒng)的故障發(fā)出報警信號并自動采取相應(yīng)的保護措施；采用變頻控制技術(shù)不僅能保證恒壓供水還能避免水電的浪費。整個控制系統(tǒng)操作方便、運行可靠。實驗結(jié)果證明該系統(tǒng)的控制設(shè)計合理。

[1]呂維敏，黃鋼妹，劉弋青，等．基于RO-EDI的透析用水處理系統(tǒng)設(shè)計[J]．水處理技術(shù)，2007，33(10)：52-54．

[2]馬寶榮．血液透析水處理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D]．濟南：山東大學(xué)，2012．

[3]鄧成中．基于總線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)院中心供氧監(jiān)測系統(tǒng)[J]．西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，24(5)：29-31．

[4]任銀錄，鄭萍，陳昌菊，等．基于MCGS組態(tài)軟件的通用DDE“軟通道”的研究與實現(xiàn)[J]．西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，25(6)：86-88．

[5]蒲貴兵，王文蕾，呂波，等．三峽庫區(qū)某工業(yè)水廠生產(chǎn)廢水處理工程設(shè)計[J]．西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，33(2)：84-87．

[6]宋艷麗．基于PLC的醫(yī)用純凈水處理系統(tǒng)設(shè)計[D]．北京：北方工業(yè)大學(xué)，2008．

[7]鄒冬梅，蔡穎爾．血液透析水處理系統(tǒng)的組成以及發(fā)展方向[J]．臨床醫(yī)學(xué)工程，2010，17(10)：117-119．

[8]劉學(xué)軍．血液透析實用技術(shù)手冊[M]．北京：中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社，2010：56-58．

[9]陳英．長沙市血液透析單位透析用水透析液質(zhì)量的研究[D]．長沙：中南大學(xué)，2007．

[10]滕朝宇．血液透析水處理系統(tǒng)微生物生長特點及對策[J]．醫(yī)療裝備，2010，23(2)：69-70．

[11]徐惠芳，曹嘉，伍星．基于MCGS和PLC的反滲透水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]．計算機應(yīng)用，2011，31 (S2)：204-208．

[12]包建華，啟勝，張興奎．工控組態(tài)軟件MCGS及其應(yīng)用[J]．工礦自動化，2007，6 (3)：92-94．

(編校：饒莉)

ADesignofHemodialysisWaterTreatmentControlSystemBasedonPLC

PENG Tao, XIANG Zhong-fan*, LI Ke, HUANG Lei

(SchoolofMechanicalEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

To improve the reliability and control accuracy of hemodialysis water treatment, and make the medical staff operate convenient, a direct supply of dual-stage reverse osmosis water treatment control system is designed , which is based on programmable logic controller(PLC)．The system has a single and two-stage water system, automatic washing, data monitoring and fault alarm functions, This is owe to the design of electrical control of the hemodialysis water treatment. The purpose of using the PI control technology can guarantee water production constant water pressure, and water treatment still can automatically adjust the water production according to the actual amount of water to save water. Experiment results show that the system is stable to run , simple to operate and the supplied water pressure is constant.

hemodialysis ；dual-stage reverse osmosis；water treatment system；PLC；MCGS

2014-04-26

四川省科技廳科技支撐項目(2011GZ0102)；四川省省級重點學(xué)科“機械電子工程”(SZD0409-08-07)。

：向中凡(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向為機電一體化及機器人技術(shù)。E-mail:xzf1965@126.com

TP273

：A

：1673-159X(2015)06-0042-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.009

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