基于可编程逻辑控制器的空心纤维血液透析器超滤率检测系统的设计

王东峰，韩征峰，李新东，张化强，王苏萍

1 河南驼人医疗器械研究院有限公司 （河南新乡 453400）；2 河南省医疗高分子材料技术与应用重点实验室 （河南新乡 453400）

空心纤维血液透析器俗称人工肾，由大量空心纤维组成，是治疗急、慢性肾衰竭患者的主要产品。其工作原理是经过吸附、超滤、对流及弥散等方法清除人体内多余的水分及血液中的代谢废物，并维持酸碱及电解质平衡[1-4]。

超滤率是空心纤维血液透析器的重要性能指标，主要反映产品的除水能力，也可作为产品质量检测的重要指标[5-6]。因此，产品质量检测人员对超滤率检测系统的要求越来越高[7]。目前，国内市场上和实验室环境下使用的空心纤维血液透析器超滤率检测系统种类较少，且自动化程度较低，主要通过手动调节阀门开度获得稳定的跨膜压，当跨膜压稳定后，开始计时并通过人眼目视滤过液的多少，最后检测人员通过过程中记录的数据计算出空心纤维血液透析器的超滤率，检测效率低，检测人员的工作量大[8]。

本研究设计的检测系统将可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）应用于空心纤维血液透析器超滤率检测中，通过自动调节空心纤维血液透析器的跨膜压，最终获得稳定的跨膜压，并通过自动采集空心纤维血液透析器在超滤率检测过程中的滤过液流量，计算出空心纤维血液透析器的超滤率，最终做出合格或不合格的判断，检测效率高，检测人员的工作量小[9-10]。

1 系统组成及检测原理

空心纤维血液透析器超滤率检测系统由滚压泵、电子秤、PLC、触摸屏、压力传感器、伺服控制系统、电动升降台及打印机等组成[11]。其中，滚压泵作为流量控制部件，通过滚轮挤压泵管，使泵管内的液体呈蠕动式流动，即顺滚轮转动方向由泵管的一端流向另一端，可大范围内任意平滑地调节流量；电子秤可采集空心纤维血液透析器滤过液的流量信息；PLC 作为检测系统核心，通过采集的压力传感器的压力信号控制电动升降台的升降及伺服电机的旋转角度，从而使空心纤维血液透析器保持恒定的跨膜压；触摸屏作为人机交互控制界面，可通过RS-485接口与PLC 双向通信，实时监控空心纤维血液透析器的跨膜压和滤过液流量；打印机作为打印执行部件，可将触摸屏的测试记录信息界面打印出来[12]。本设计采用两个独立的双工位检测系统，可同时对两个产品进行检测。系统整体结构设计见图1。

图1 系统整体结构

系统工作前，连接好被测空心纤维血液透析器的管路，选择产品型号、流量、跨膜压，点击“启动”按钮，检测系统开始工作，通过伺服电机调节阀门开度及电动升降台调节废液出口高低，使跨膜压稳定在设定值，之后检测系统开始计时，并将电子秤测量值清零，待计时5 min 后，读取电子秤的测量值，计算出空心纤维血液透析器的超滤率，并做出合格或不合格的判断。产品的超滤率体外检测见图2。

图2 空心纤维血液透析器的超滤率体外检测示意图

2 软件的实现与分析

本检测系统的软件设计主要包含PLC 软件设计及触摸屏软件设计。PLC 的输入、输出地址分配见表1，控制流程见图3。触摸屏控制界面包含4个界面，分别为主界面、参数设定界面、工位1打印界面及工位2打印界面，主界面见图4，参数设定界面见图5，打印界面见图6和7。

图3 PLC 控制流程图

表1 PLC 输入、输出地址分配

由图4所示，系统主界面不仅可显示两个工位的测量信息，而且可分别显示被测空心纤维血液透析器的批次、操作员、型号、流量、血液进口侧压力（压力1）、血液出口侧压力（压力2）、滤过液侧压力（压力3）、跨膜压设定值SV、跨膜压当前值PV、排水量下限值、排水量上限值、排水量测量值（结果）、超滤率参考值、超滤率测量值、从开始测量到测量结束的时间（节拍时间）及从跨膜压达到设定值并稳定后的计时时间（测量计时）等信息；点击“启动”按钮，检测系统开始检测，同时启动按钮文字显示“测试中”，点击“复位”按钮，检测系统自动结束工作并回到初始状态，点击“参数设定”按钮可以切换到图5所示的检测系统参数设定界面，点击“打印界面”按钮可以切换到图6所示的检测系统工位1打印界面。

图4 系统主界面

图5 系统参数设定界面

图6 系统工位1 打印界面

由图5所示，我们可在系统参数设定界面分别对工位1和工位2待测产品的型号、流量及跨膜压进行选择，对产品批次、操作员及不同型号产品的排水量下限值、排水量上限值、超滤率参考值进行设定；点击“下一页”按钮可以切换到图6所示的检测系统工位1打印界面，点击“返回”按钮可以切换到图4所示的检测系统主界面。

由图6所示，系统工位1打印界面可以显示工位1被测空心纤维血液透析器的型号、流量、跨膜压设定值、批次、排水量、超滤率、操作员及测试中的排水量监控曲线图等信息；点击“下一页”按钮可以切换到图7所示的检测系统工位2打印界面，点击“返回”按钮可以切换到图4所示的检测系统主界面，点击“打印”按钮可以将当前界面打印出来。

图7 系统工位2 打印界面

由图7所示，系统工位2打印界面可以显示工位2被测空心纤维血液透析器的型号、流量、跨膜压设定值、批次、排水量、超滤率、操作员及测试中的排水量监控曲线图等信息；点击“上一页”可以切换到图6所示的检测系统工位1打印界面，点击“返回”按钮可以切换到图4所示的检测系统主界面，点击“打印”按钮可以将当前界面打印出来。

3 系统测试结果

本研究中的被测元件为空心纤维血液透析器，其性能指标的检测与产品质量密切相关，检测时要求检测系统检测结果准确可靠，所以必须对检测系统所用元件进行准确性与重复性精度测试。

第一，将两台血泵流速设定为200 ml/min，测试3 min，重复测试5 次；将两台血泵流速设定为300 ml/min，测试3 min，重复测试5次。测试结果见表2。

表2 检测系统对血泵的测试结果（测试时长3 min）

第二，将50 g 的砝码分别放在两台电子秤上，重复称重5次；将100 g 的砝码分别放在两台电子秤上，重复称重5次。测试结果见表3。

表3 检测系统对电子秤的测试结果（g）

第三，将校准压力表用三通分别与两个工位上的压力传感器连接，使校准压力表显示为50、100 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），观察每个压力传感器的显示值，并分别重复测试5次。测试结果见表4。

表4 检测系统对压力传感器的测试结果（mmHg）

第四，取一支空心纤维血液透析器分别在工位1和工位2上进行检测，将流速分别设定为200、300 ml/min，跨膜压分别设定为50、100、500 mmHg，在跨膜压稳定后，分别在测试计时的第1、2、3、4、5分钟记录当前跨膜压数值。测试结果见表5。

表5 检测系统对空心纤维血液透析器的测试结果（mmHg）

由测试结果可知，本检测系统所用检测元件准确、稳定、可靠；在检测空心纤维血液透析器超滤率的过程中，本检测系统可以提供一个在误差允许范围（±10%）内的跨膜压，从而准确地得出被测空心纤维血液透析器的超滤率，检测过程全部自动化，提高了检测质量，可代替人工对空心纤维血液透析器超滤率进行准确检测，达到了设计要求[13]。

4 小结

本研究对空心纤维血液透析器超滤率检测系统进行了精心的设计，采用伺服电机控制阀门开度及电动升降台调节废液出口高度，可确保跨膜压控制稳定，检测过程全自动化，采集数据准确，减少了人工误差的引入，满足了生产中对空心纤维血液透析器超滤率检测的需求。相较于目前功能单一的超滤率检测装置，该设计适用范围更广，且对空心纤维血液透析器的推广使用和评价体系的建立具有推动意义[14]。