箱仪一体化医用纯化水设备控制系统的设计与实现

苑英海，朱孟府，宿红波，王济虎，姬晓涛，郭立军，马 军，伍瑞昌

箱仪一体化医用纯化水设备控制系统的设计与实现

苑英海，朱孟府，宿红波，王济虎，姬晓涛，郭立军，马 军，伍瑞昌

目的：设计一种箱仪一体化医用纯化水设备的控制系统，提高应急医疗保障制取医用纯化水的能力。方法：控制系统集成运用可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）、触摸屏和传感器技术，依据膜法制取医用纯化水工艺要求，控制电磁阀、增压泵、高压泵、气泵、消毒装置和报警装置的运行，实现医用纯化水制备、设备排水和智能报警等功能的自动运行和手动运行。结果：控制系统能够实现医用纯化水制取、设备排水和智能报警等功能，且设备产水水质符合药典纯化水的要求。结论：该控制系统界面直观，操作方便，满足设备各功能的控制要求，提高了设备的自动化和智能化水平。

PLC；触摸屏；箱仪一体化；纯化水

0 引言

随着公共安全事件和自然灾害的多发以及部队军事任务的执行，应急医疗保障逐渐成为重要的课题[1-2]。

医用纯化水作为医疗保障中不可缺少的原材料，为药物制剂（外用药、口服液）、伤口清洗、术前准备、器械清洗、分析检测、化验等提供用水，并进一步作为注射用水和灭菌注射用水的原料水，用途广泛，用水量大[3-5]。其水质直接影响医疗保障的安全，因此对水质有严格要求，必须符合国家药典规定。

现有的医用纯化水设备控制系统复杂，使用和维护均需专业技术人员进行操作，自动化和智能化程度较低，且运输故障率高，不便于在应急保障现场投送和及时展开。而存储和输送过程会影响纯化水水质[6]，不能满足部队野战医院以及机动卫勤力量“就地制取、就地供给”医用纯化水的需求，严重制约应急医疗保障能力。

本文研制了一种基于可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）和触摸屏的箱仪一体化医用纯化水设备控制系统，具有医用纯化水制取、设备排水和智能报警等功能，保证产水水质符合药典纯化水要求，并可解决设备存水污染和低温防冻的难题。该控制系统通过采集压力、流量、电导率等信号，实现工艺参数的实时监测和在线调整。根据参数的变化，对设备过滤组件性能进行评估，实现智能报警，进一步提高了设备的自动化和智能化程度。

1 设备工艺

膜法制取医用纯化水工艺技术成熟，已得到广泛应用[5-8]。箱仪一体化医用纯化水设备采用“粗滤—超滤—反渗透—离子交换—紫外线消毒”等工艺制取医用纯化水，工艺流程如图1所示。首先，原水通过一台具有自吸能力的增压泵进入粗滤装置，去除水中的大颗粒杂质。其次，经过粗滤的原水再进入超滤组件，去除水中的微粒、胶体、大分子有机物等杂质。再次，超滤产水通过高压泵进入反渗透膜组件，去除水中绝大部分的可溶性盐类、细菌和大分子有机物，获得初级纯化水。然后，初级纯化水经过离子交换树脂，进一步去除水中的可溶性盐类。最终，产水经过紫外杀菌装置杀灭水中的残留微生物，制得符合国家药典规定的纯化水。

图1 设备工艺流程图

2 控制系统硬件设计

箱仪一体化医用纯化水设备控制系统硬件包括PLC控制器、触摸屏和信号传感器，实现设备工艺的自动运行和手动运行，其硬件结构如图2所示。

图2 控制系统硬件结构

PLC可实现医用纯化水制取、设备排水和智能报警等功能以及各功能之间的互斥保护。根据工艺要求，控制系统需要16路继电器输出，控制电磁阀、水泵、气泵、消毒装置、报警装置运行。本文选用欧姆龙公司CP系列的CP1E-N40控制器实现输出控制，通过触摸屏和控制面板实现双输入控制；选用欧姆龙公司CP1W-AD041模拟量输入单元，实现传感器信号的输入。

触摸屏用于功能选择输入、参数及状态的实时显示和在线调整、设备运行调试以及智能报警信息的显示。本系统选用Kinco公司的MT4210T型触摸屏作为人机界面。触摸屏与PLC控制器之间通过RS-232C接口进行连接通信。

信号传感器用于采集设备运行过程中的压力、流量、电导率等模拟量信号，实现参数的在线检测。本系统选用半导体扩散硅不锈钢膜片压力传感器，实现压力信号的检测；选用涡轮流量变送器，实现流量信号的检测；选用不同量程的电导率传感器，实现水质电导率信号的检测。各模拟量均为4～20 mA电流信号，传输至模拟量输入单元。

3 控制系统软件设计

控制系统的软件设计包括PLC程序设计和触摸屏组态界面设计2个部分。控制系统使用CXProgrammer编程软件和Kinco HMIware组态编辑软件，分别对PLC进行梯形图编程和对触摸屏进行组态界面设计。

3.1 PLC程序设计

PLC程序采用模块化结构进行设计，包括医用纯化水制取、设备排水、互斥保护和智能报警等模块，其程序流程图如图3所示。

图3 控制系统程序流程图

医用纯化水制取模块根据工艺和时序要求，控制增压泵、电磁阀、高压泵和紫外杀菌装置，实现超滤组件的自动冲洗、反渗透组件的定时冲洗、紫外杀菌装置的启动等操作，完成医用纯化水的制取。

设备排水模块控制气泵、气路电磁阀和排水阀，完成超滤膜组件排水、反渗透膜组件排水、离子交换树脂组件排水、消毒装置排水和管路及水泵排水，解决设备停用期间管路中的存水污染以及低温环境中管路防冻和膜组件贮存等问题。

互斥保护模块主要由互斥保护标志位组成，通过各模块之间互斥保护标志位的操作，实现医用纯化水制备与排水功能之间的互斥保护、排水功能内部的互斥保护等，增加程序和操作的安全性。

智能报警模块主要由声光报警装置组成，实现无水保护报警、超滤产水不足报警、超滤清洗报警、高压保护报警、低压保护报警、水质超标报警、膜组件维护报警和膜组件更换报警等，监测设备运行的异常情况，有助于操作人员采取及时有效的措施以防止重大事故的发生。

3.2 触摸屏组态界面设计

触摸屏组态界面主要由操作界面、制医用水界面、排水界面、报警界面、工艺界面、状态界面、参数界面、调试界面、报警界面和设置界面组成，组态界面结构与效果如图4、5所示。其中，操作界面可实现多功能选择，进入相应的功能操作界面；制医用纯化水界面实现制取医用纯化水功能，显示制取医用纯化水过程中各装置的运行状态以及制水参数；排水界面实现超滤膜组件排水、反渗透膜组件排水和管路及水泵排水功能以及各排水功能之间的互斥操作；报警界面显示各智能报警信息，提示操作人员采取有效的措施以防止重大事故的发生；工艺界面动态显示工艺流程以及运行参数；状态界面显示各装置的运行状态；参数界面实现压力、流量、电导率、液位和温度等运行参数的实时显示和在线调整；调试界面用于调试设备的运行，强制各装置的运行与停止；设置界面用于设置设备开机运行时间及微滤膜组件、超滤膜组件、反渗透膜组件累计运行时间等信息。

图4 触摸屏组态界面结构图

图5 触摸屏组态界面效果图

3.3 控制系统性能实验

本文研制的箱仪一体化医用纯化水设备控制系统与现有的医用纯化水设备控制系统相比，界面直观、操作方便、自动化和智能化水平较高，可实现工艺参数在线检测与调整以及设备性能评估，保证产水水质安全。该设备多次用于部队野战医院以及机动卫勤力量演习和演练中，具有机动投送能力强、现场展开与撤收方便等优点，可满足就地制取、就地供给医用纯化水的需求。

控制系统技术参数为：使用电源为AC220 V/ 50 Hz；功率消耗为1.0 kW。

控制系统中医用纯化水制取、排水功能正常运行。当运行参数发生变化时触发智能报警，提示操作人员采取及时有效的措施，如：（1）原水进水压力低于a（设定值）MPa时，触发无水保护报警，停止制取医用纯化水功能，防止增压泵空转；（2）超滤产水压力低于b（设定值）MPa时，触发超滤产水不足报警，停止制取医用纯化水功能，防止高压泵空转；（3）超滤膜两侧压力差大于c（设定值）Pa时，触发超滤膜清洗报警，及时清洗或更换超滤膜组件；（4）操作压力高于d（设定值）MPa时，触发高压保护报警，防止反渗透膜组件在高压条件下损坏；（5）操作压力低于e（设定值）MPa时，触发低压保护报警，及时更换高压泵；（6）产水电导率高于f（设定值）μS/cm时，触发水质超标报警，停止制取医用纯化水功能，保证用水的安全；（7）当微滤膜组件、超滤膜组件、反渗透膜组件的累计运行时间超过g（设定值）h时，参考各膜组件的使用寿命，触发膜组件更换报警，及时进行更换。

控制系统根据《军用运输包装件试验方法》要求[9]进行了振动和跌落试验，试验后外观无异常，能正常工作。还进行了该系统的可靠性试验，累计运行720 h无故障。采用不同地区的地下水、地表水和自来水对设备产水水质进行检测，均符合《中华人民共和国药典》（2010年版）纯化水的水质规定[10]。

4 结论

随着应急医疗保障水平的提高，医用纯化水的用途越来越广泛。本文研制的箱仪一体化医用纯化水设备控制系统人机交互性强，操作方便，可以实时监测和在线调整工艺参数，实现设备性能评估和智能报警，保证产水水质安全。该系统提高了设备的自动化和智能化程度、机动投送能力、现场展开与撤收效率，便于部队野战医院以及机动卫勤力量进行应急医疗保障，具有良好的应用前景。

[1]苑英海，宿红波，朱孟府，等.车载式反渗透净水机的结构设计[J].医疗卫生装备，2014，35（3）：17-18，22.

[2]王庆梅，罗耀全，陈科，等.一种灾害医疗救援用车载式多功能水处理器的研制[J].局解手术学杂志，2013，22（6）：622-624.

[3]陈科，王庆梅，罗跃全，等.一种医院消毒供应中心集成水处理设备的研制[J].医疗卫生装备，2013，34（1）：34-36.

[4]孙晶晶，柯云玲，邵益丹，等.不同贮存条件对纯化水质量的影响[J].中国消毒学杂志，2014，31（4）：353-355.

[5]马军，刘红斌，王济虎，等.膜集成法医用纯化水系统工艺设计的探讨[J].膜科学与技术，2010，30（6）：70-74.

[6]朱孟府.野战制液技术与装备研究现状及发展趋势[J].医疗卫生装备，2008，29（9）：247-249.

[7]Finlay J M，Hango J T，Hango R A.A novel approach to a pharmaceutical R&D high purity water system[J].Phar Eng，1995（5/6）：88-96.

[8]Ganzi G C，Parise P L.The production of pharmaceutical grades of water using continuous deionization post-reverse osmosis[J].J Parent Sci&Tech，1990，44（4）：231-241.

[9]GJB 2711—1996 军用运输包装件试验方法[S].

[10]国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京：中国医药科技出版社，2010：411.

（收稿：2015-01-09 修回：2015-04-10）

Design and implementation of control system of water purification device using packaging-instrumentation integration technology

YUAN Ying-hai1,ZHU Meng-fu1,SU Hong-bo1,WANG Ji-hu1,JI Xiao-tao2,GUO Li-jun1,MA Jun1,WU Rui-chang1
(1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.Procurement Bureau of Military Supplies in Northeast,Shenyang 110026,China)

ObjectiveTo design a control system of the water purification device using packaging-instrumentation integration technology for emergency medical service.MethodsThe control system integrated programmable logic controller (PLC),touch screen and sensor technology to control the running of electromagnetic valve,booster pump,high-pressure pump,air compressor,disinfection apparatus and alarm device based on technical process of purified water preparation by membrane.Then the functions could be implemented automatically or manually,including the preparation of medical purified water,water drainage,intelligent alarming and etc.ResultsThe prepared water could meet the requirements of pharmacopoeias for purified water.ConclusionThe control system has a friendly interface and easy operation,and can enhance the automation and intelligence of the water purification device.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：20-22]

PLC;touch screen;packaging-instrumentation integration technology;purified water

R318.6；R197.39

A

1003-8868（2015）07-0020-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.020

全军后勤科研计划重大项目（AWS11Z005-2）

苑英海（1986—），男，助理研究员，主要从事控制系统设计方面的研究工作，E-mail：YuanYinghaiNKU@126.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（苑英海，朱孟府，宿红波，王济虎，郭立军，马 军，伍瑞昌）；110026沈阳，东北军用物资采购局（姬晓涛）

宿红波，E-mail：13920307615@126.com