透析用水處理設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

陳仙明 俞超 梁紅燕 鄧廷鍇 傅嘉灝 王珂勝

1.浙江水利水電學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，中國·浙江 杭州 310018

2.浙江大學(xué)附屬邵逸夫醫(yī)院，中國·浙江 杭州 310011

3.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點實驗室，中國·浙江 杭州 310018

1 引言

隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，生活方式也逐漸發(fā)生著變化，高強度和高壓力導(dǎo)致亞健康狀態(tài)逐漸增多，慢性腎衰竭發(fā)病率持續(xù)增高。目前針對慢性腎病患者，醫(yī)療機構(gòu)主要采用血液透析的治療方案，析出血液中的毒害成分，從而減輕患者腎臟的機能負擔(dān)，改善患者的生活質(zhì)量。

血液透析主要通過透析器將透析液與患者血液進行透析交互，期間需要大量的高純水。根據(jù)大量的臨床試驗表明，若透析用水質(zhì)量不合格，含有毒有害物質(zhì)，就可能通過透析器進入患者血液，引起各種急性或慢性的不良反應(yīng)[1]長期使用較差透析用水會對患者造成透析并發(fā)癥。因此，透析用水質(zhì)量對患者治療至關(guān)重要，國家食品藥品監(jiān)督管理總局為此制定和發(fā)布了行業(yè)標準YY0572-2015《血液透析及相關(guān)治療用水》，用于規(guī)范透析用水的水質(zhì)。

隨著科技的發(fā)展，血液透析用水的處理工藝也在逐漸發(fā)展和成熟。從最初的軟化水到一級反滲透，再到目前流行的二級反滲透，水質(zhì)在原有基礎(chǔ)上得到大量的提升。目前透析用處理設(shè)備工藝普遍采用預(yù)處理、反滲透和電去離子裝置、后處理等工藝作為處理核心，水質(zhì)得到了更好的保障。

科技發(fā)展不僅改變著處理工藝，也改變著控制方式，使設(shè)備操作更加完善，自動化程度大幅提升。發(fā)展過程見表1。從早期的大緩沖水箱到現(xiàn)在的緩沖器聯(lián)動及智能恒壓調(diào)節(jié)、自動消毒及自動開關(guān)機、遠程監(jiān)控，技術(shù)和工藝的每次變革大大提升了中國和國際水處理設(shè)備的性能，使產(chǎn)水的質(zhì)量得到大幅度提升，為有效地保證產(chǎn)水達到標準要求，奠定了良好的基礎(chǔ)[2]。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)部門又制定了YY0793.1-2010《血液透析和相關(guān)治療用水處理設(shè)備技術(shù)要求 第1 部分：用于多床透析》及YY∕ T1269-2015《血液透析和相關(guān)治療用水處理設(shè)備常規(guī)控制要求》等標準來規(guī)范設(shè)備出廠和使用過程中可能存在的問題。

表1 設(shè)備自動化程度發(fā)展表

2 水處理工藝介紹

根據(jù)目前水處理工藝、各地水質(zhì)及相關(guān)標準要求，本透析用水處理設(shè)備采用反滲透和電去離子為主要工藝核心。具體流程為原水箱儲存原水，經(jīng)過砂濾器、軟化器、活性炭等預(yù)處理后，再經(jīng)高壓泵提升、電去離子交換后，再經(jīng)反滲透處理，供給透析機使用，詳見圖1工藝流程圖。

圖1 工藝流程圖

3 電路設(shè)計

電路是設(shè)備運行的中樞，是完成動作的關(guān)鍵。結(jié)合圖1的工藝流程動作要求，控制部分除要實現(xiàn)泵、閥等執(zhí)行器件的基本動作外，還要完成液位、電導(dǎo)率、溫度等模擬量的檢測和顯示[3]。設(shè)備采用三菱FX3U-48MR 為主要控制核心，通FX2N-4AD 完成模擬量信號的采集，通過FX2N-4DA 完成對于電去離子的電壓調(diào)節(jié)和循環(huán)泵的調(diào)速。PLC 通過編程口與昆侖通態(tài)TPC1061Ti 觸摸屏通訊，完成上位機的控制，詳見圖2硬件框圖。

圖2 硬件框圖

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制主要在PLC 和觸摸屏兩處進行編程完成，具體是在昆侖通態(tài)MCGS 組態(tài)編程平臺和三菱編程軟件GX Works2 的環(huán)境下共同協(xié)調(diào)完成[4]。觸摸屏部分采用腳本方式編程，PLC 部分采用梯形圖方式實現(xiàn)。觸摸屏部分主要完成關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置、控制信號的輸入、關(guān)鍵參數(shù)的顯示、工藝流程的狀態(tài)顯示，PLC 部分則完成具體動作的協(xié)調(diào)和底層傳感器及執(zhí)行器件的數(shù)據(jù)交互。

基本動作主要針對設(shè)置完成后的供水需求，協(xié)調(diào)原水泵、高壓泵、電磁閥等執(zhí)行器件，完成供水任務(wù)[5]。當(dāng)水箱滿水或壓力到達條件時，能完成設(shè)備的暫停和重啟，實現(xiàn)前后段工藝的協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)需要對單個執(zhí)行器件進行控制時，能通過手動方式，實現(xiàn)系統(tǒng)中任何一個器件的啟停操作。詳見圖3主程序流程圖。

圖3 主程序流程圖

結(jié)合臨床需求，程序設(shè)計了多套備用方案。正常供水模式采用二級反滲透和電去離子工藝，達到最優(yōu)化的水質(zhì)的輸出。當(dāng)其中某個工藝出現(xiàn)故障時，設(shè)備可以通過程序切換管路走向，在滿足水質(zhì)達標的前提下，能持續(xù)提供產(chǎn)水輸出，為緊急用水和維修爭取時間。

5 控制界面設(shè)計

系統(tǒng)采用10 英寸昆侖通態(tài)觸摸屏作為人機界面，整個界面區(qū)域設(shè)計了：流程監(jiān)控區(qū)、參數(shù)操作區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)、壓力開關(guān)狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、產(chǎn)水水質(zhì)記錄區(qū)[6]。用戶按照操作說明，能方便地實現(xiàn)對整個設(shè)備控制。詳見圖4主控制界面。

圖4 主控制界面

根據(jù)血液透析質(zhì)控要求，每天水質(zhì)需要做記錄。設(shè)備水質(zhì)相關(guān)的參數(shù)及時保存在觸摸屏的內(nèi)存中，需要時可通過U盤導(dǎo)出，在電腦端進行分析。同時配備針式微型打印機，每日定時打印相應(yīng)參數(shù)，達到質(zhì)控參數(shù)記錄的要求。

主畫面主要包括工藝流程的狀態(tài)、部分參數(shù)顯示及控制按鈕[7]。界面直觀地展示了整個制水工藝流程及各個執(zhí)行部件所處狀態(tài)。參數(shù)界面中除將參數(shù)及壓力開關(guān)狀態(tài)進行集中顯示外，增加了各級正反沖時間、管道壓力、產(chǎn)水水質(zhì)的設(shè)置，同時具備終端產(chǎn)水的水質(zhì)記錄，直觀展示水質(zhì)的變化，并具備歷史數(shù)據(jù)的顯示功能，能有效監(jiān)測產(chǎn)水質(zhì)量。

針對本系統(tǒng)的使用對象是醫(yī)護人員，設(shè)備操作需簡單易懂，人機交互友善。通過對工藝流程的電氣化集成設(shè)計及人機界面的優(yōu)化，達到了操作簡潔、自動化程度高的設(shè)計要求，

6 結(jié)語

針對行業(yè)標準對水質(zhì)提出要求，介紹了透析用水處理工藝流程，并提出了相應(yīng)控制要求。在此基礎(chǔ)上設(shè)計電路軟硬件和觸摸屏界面。不僅達到了設(shè)備的基本動作需求，也對關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置、顯示，關(guān)鍵狀態(tài)的監(jiān)控，部分數(shù)據(jù)的存儲等做了相應(yīng)的功能設(shè)置。使設(shè)備自動化程度獲得了較大的提升，大大方便了醫(yī)護人員對于設(shè)備的操作。間接保證了產(chǎn)水的質(zhì)量，提高了患者的治療效果。