透析用水处理设备控制系统设计

陈仙明 俞超 梁红燕 邓廷锴 傅嘉灏 王珂胜

1.浙江水利水电学院机械与汽车工程学院，中国·浙江 杭州 310018

2.浙江大学附属邵逸夫医院，中国·浙江 杭州 310011

3.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，中国·浙江 杭州 310018

1 引言

随着科技的发展和现代生活节奏的加快，生活方式也逐渐发生着变化，高强度和高压力导致亚健康状态逐渐增多，慢性肾衰竭发病率持续增高。目前针对慢性肾病患者，医疗机构主要采用血液透析的治疗方案，析出血液中的毒害成分，从而减轻患者肾脏的机能负担，改善患者的生活质量。

血液透析主要通过透析器将透析液与患者血液进行透析交互，期间需要大量的高纯水。根据大量的临床试验表明，若透析用水质量不合格，含有毒有害物质，就可能通过透析器进入患者血液，引起各种急性或慢性的不良反应[1]长期使用较差透析用水会对患者造成透析并发症。因此，透析用水质量对患者治疗至关重要，国家食品药品监督管理总局为此制定和发布了行业标准YY0572-2015《血液透析及相关治疗用水》，用于规范透析用水的水质。

随着科技的发展，血液透析用水的处理工艺也在逐渐发展和成熟。从最初的软化水到一级反渗透，再到目前流行的二级反渗透，水质在原有基础上得到大量的提升。目前透析用处理设备工艺普遍采用预处理、反渗透和电去离子装置、后处理等工艺作为处理核心，水质得到了更好的保障。

科技发展不仅改变着处理工艺，也改变着控制方式，使设备操作更加完善，自动化程度大幅提升。发展过程见表1。从早期的大缓冲水箱到现在的缓冲器联动及智能恒压调节、自动消毒及自动开关机、远程监控，技术和工艺的每次变革大大提升了中国和国际水处理设备的性能，使产水的质量得到大幅度提升，为有效地保证产水达到标准要求，奠定了良好的基础[2]。在此基础上，相关部门又制定了YY0793.1-2010《血液透析和相关治疗用水处理设备技术要求 第1 部分：用于多床透析》及YY∕ T1269-2015《血液透析和相关治疗用水处理设备常规控制要求》等标准来规范设备出厂和使用过程中可能存在的问题。

表1 设备自动化程度发展表

2 水处理工艺介绍

根据目前水处理工艺、各地水质及相关标准要求，本透析用水处理设备采用反渗透和电去离子为主要工艺核心。具体流程为原水箱储存原水，经过砂滤器、软化器、活性炭等预处理后，再经高压泵提升、电去离子交换后，再经反渗透处理，供给透析机使用，详见图1工艺流程图。

图1 工艺流程图

3 电路设计

电路是设备运行的中枢，是完成动作的关键。结合图1的工艺流程动作要求，控制部分除要实现泵、阀等执行器件的基本动作外，还要完成液位、电导率、温度等模拟量的检测和显示[3]。设备采用三菱FX3U-48MR 为主要控制核心，通FX2N-4AD 完成模拟量信号的采集，通过FX2N-4DA 完成对于电去离子的电压调节和循环泵的调速。PLC 通过编程口与昆仑通态TPC1061Ti 触摸屏通讯，完成上位机的控制，详见图2硬件框图。

图2 硬件框图

4 软件设计

本系统的控制主要在PLC 和触摸屏两处进行编程完成，具体是在昆仑通态MCGS 组态编程平台和三菱编程软件GX Works2 的环境下共同协调完成[4]。触摸屏部分采用脚本方式编程，PLC 部分采用梯形图方式实现。触摸屏部分主要完成关键参数的设置、控制信号的输入、关键参数的显示、工艺流程的状态显示，PLC 部分则完成具体动作的协调和底层传感器及执行器件的数据交互。

基本动作主要针对设置完成后的供水需求，协调原水泵、高压泵、电磁阀等执行器件，完成供水任务[5]。当水箱满水或压力到达条件时，能完成设备的暂停和重启，实现前后段工艺的协调。在此基础上，当需要对单个执行器件进行控制时，能通过手动方式，实现系统中任何一个器件的启停操作。详见图3主程序流程图。

图3 主程序流程图

结合临床需求，程序设计了多套备用方案。正常供水模式采用二级反渗透和电去离子工艺，达到最优化的水质的输出。当其中某个工艺出现故障时，设备可以通过程序切换管路走向，在满足水质达标的前提下，能持续提供产水输出，为紧急用水和维修争取时间。

5 控制界面设计

系统采用10 英寸昆仑通态触摸屏作为人机界面，整个界面区域设计了：流程监控区、参数操作区、参数显示区、压力开关状态显示区、参数设置区、产水水质记录区[6]。用户按照操作说明，能方便地实现对整个设备控制。详见图4主控制界面。

图4 主控制界面

根据血液透析质控要求，每天水质需要做记录。设备水质相关的参数及时保存在触摸屏的内存中，需要时可通过U盘导出，在电脑端进行分析。同时配备针式微型打印机，每日定时打印相应参数，达到质控参数记录的要求。

主画面主要包括工艺流程的状态、部分参数显示及控制按钮[7]。界面直观地展示了整个制水工艺流程及各个执行部件所处状态。参数界面中除将参数及压力开关状态进行集中显示外，增加了各级正反冲时间、管道压力、产水水质的设置，同时具备终端产水的水质记录，直观展示水质的变化，并具备历史数据的显示功能，能有效监测产水质量。

针对本系统的使用对象是医护人员，设备操作需简单易懂，人机交互友善。通过对工艺流程的电气化集成设计及人机界面的优化，达到了操作简洁、自动化程度高的设计要求，

6 结语

针对行业标准对水质提出要求，介绍了透析用水处理工艺流程，并提出了相应控制要求。在此基础上设计电路软硬件和触摸屏界面。不仅达到了设备的基本动作需求，也对关键参数的设置、显示，关键状态的监控，部分数据的存储等做了相应的功能设置。使设备自动化程度获得了较大的提升，大大方便了医护人员对于设备的操作。间接保证了产水的质量，提高了患者的治疗效果。