基于PLC的直供式透析用水处理器的控制方案设计

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

·机电工程·

基于PLC的直供式透析用水处理器的控制方案设计

彭 韬，向中凡*，李 科，黄 磊

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

为增强血液透析水处理器的可靠性及控制精度，同时方便医务人员操作，设计一套基于可编程控制器(PLC)的直供式双级反渗透水处理控制系统。对直供式双极反渗透水处理器的各组成部分进行电气控制设计，使系统实现自动冲洗、数据监测、故障报警以及按需选择单、双级控制水等功能。采用PI控制技术不仅能保障水处理产水水压恒定，还能根据实际用水量自动调节产水水量，达到节约用水的目的。实验运行结果表明，该系统运行稳定，操作简单，产水水压恒定。

血液透析；双级反渗透；水处理；PLC；MCGS

血液透析是维持肾病患者生命的重要治疗方法，水处理设备作为血液透析系统的重要组成部分，为透析治疗提供高质量的透析用水。引进PLC控制器不仅能提高水处理系统的可靠性和抗干扰能力，还能减少不必要的医疗事故，同时方便医务人员的操作[1-3]。

本文设计一套基于MCGS触摸屏嵌入式版组态软件和可编程控制器(PLC)的直供式双级反渗透水处理控制系统。利用PLC对系统进行自动控制，由MCGS组态软件对整个控制系统实时监控，当压力、流量、电导率等监控数据超出设定范围时产生报警信号，以保证系统运行安全、可靠[4]。为预防因待机时间长而引起细菌滋生的问题，控制系统能够自动对管道进行定时冲洗。为使输出水压恒定，采用PI控制技术控制变频器从而调节Ⅱ级泵的输出压力，同时采用流量闭环控制调节Ⅰ级泵的转速以避免直供式水处理器存在的水电浪费现象[5]。

1 直供式双级反渗透水处理器方案

直供式双极反渗透水处理器的主要功能是实现对普通自来水的净化，使水达到血液透析用水的标准，其主要包括水路工艺过程和电气控制2部分，其中水路工艺过程包括预处理单元及双级反渗透单元，原理如图1所示。

根据通常自来水中含有的杂质和微量元素类型(如悬浮物质、有机悬浮物、胶体物质、难溶解物质及气体等)，配置预处理设备，其由原水增压泵、砂滤器、活性炭吸附罐、 树脂软化罐以及保安过滤器等组成，能有效去除自来水中的杂质、游离的氯胺、致热源、钙镁等离子以及悬浮颗粒，同时能防止RO膜表面的污染、结垢，延长RO膜的使用寿命[6-7]。反渗透单元采用双级反渗透装置，可得到电导率小于5 μS/cm的超纯净水。

图1 水路工艺流程

由于膜表面的浓度极差现象会导致产水量降低、产水浓度增加以及反渗透膜寿命缩短[8]，系统将Ⅰ级部分浓水反馈到平衡器，Ⅱ级浓水分别反馈到平衡器和Ⅱ级膜的入口。这样可以提高膜表面切向流速，降低浓度极差，降低产水的内毒素含量。

文中的水处理器的Ⅰ、Ⅱ级可协同工作，也能独立工作，任意一级出现故障，可独立开启另一级保持供水，保障了设备的运行安全、稳定及灵活性。参照以上的水处理器水路设计方案完成的水处理器实物图如图2所示。

图2 直供式双级反渗透水处理器

2 水处理系统的控制方案

本文的主要工作是完成基于图2的直供式水处理器的控制系统设计，其控制系统硬件框图如图3所示。触摸屏为上位机，负责给下位机发送控制指令和数据的实时显示等；PLC为下位机，主要负责数据的采集并将指定的数据传输给触摸屏，同时还负责控制继电器等水处理设备。输入设备中的电导率仪、涡轮流量计、压力传感器等,主要输出4～20 mA的电流信号，实现对参数的检测；另外，起限位和报警作用的液位开关等，这些输入设备输出开关量信号给PLC控制器。系统的输出设备主要有触摸屏显示器、电磁阀、高压泵等。

图3 电气控制结构图

3 PLC控制方案设计

3.1控制过程

控制系统采用永宏PLC FBS-24MA/MC，具有14点24 VDC数字量输入(4点可达10 kHz)，10点(R/T/S)数字量输出(“T”机型具4点10 kHz输出)，1个RS232或USB通信端口，同时扩展了1个6通道的A/D模块和6通道的D/A模块。人机界面采用昆仑通态触摸屏及MCGS嵌入版组态软件作为操作的上位机。通过PLC编程控制各个泵及电磁阀协调工作从而使系统各个部分达到全自动化的制水、消毒等工作模式。整个控制系统的控制过程遵循着启动时先开阀后开泵，关闭时先关泵后关阀的原则。

1)原水预处理。预处理部件主要包括原水泵，预处理高压开关，预处理低压开关，平衡器进水电磁阀，平衡器的高、中、低水位开关和全自动多路阀。其中高压开关选择常闭触点，低压开关选择常开触点。预处理的正常进水控制过程如图4所示。

图4 预处理出水控制流程图

其控制过程包括预处理过滤器的正、反冲洗及正常进水模式。智能的全自动多路阀自动实现过滤器的反冲洗、正冲洗，并有信号输出，与主机PLC控制相结合，达到全自动控制过程。通常预处理的正、反冲洗都设置在夜间以避免与正常工作相冲突，当系统检测到正、反冲洗信号应立即停制水或消毒工作。

2)Ⅰ级高压泵。Ⅰ级高压泵主要功能是为Ⅰ级反渗透膜加压使其达到产水压力，其控制部件主要包括Ⅰ级高压泵、平衡器低水位开关、平衡器中水位开关以及输出端的压力传感器，其控制流程图如图5所示。

图5 Ⅰ级泵控制流程图

3)Ⅱ级高压泵。Ⅱ级高压泵主要功能是为Ⅱ级反渗透膜加压使其达到产水压力，其控制部件主要包括Ⅱ级高压泵、Ⅱ级输入压力开关以及输出端的压力传感器，其控制流程图如图6所示。

图6 Ⅱ级泵控制流程图

4)恒压供水。在透析治疗中，必须保证供水压力满足透析机进水压力的要求，一般可在靠近平衡器的供水管道上加1个调节阀，调节返回平衡器的产水流量从而调节供水压力；但这种方法需要人工调节，操作不方便，在透析用水需求较小的情况下还将造成水、电的浪费。

本文利用变频器控制供水水压，不仅能保证供水压力恒定，还具有节能、节水的优点。控制原理图如图7所示，将产水压力的测量信号y(k)传送给PLC，由PLC的PID模块将y(k)与给定信号y*做差，将差值进行PID运算，输出控制信号控制变频器的频率，进而控制泵的输出压力，保证供水压力的恒定。

图7 恒压控制框图

PID控制算法的种类繁多，最常见的有位置式、增量式和速度控制算法。本文采用增量式PID控制算法，其算法流程图如图8所示。

图8 PID控制流程图

5)流量控制。流量控制包括Ⅰ级产水量控制和Ⅱ级产水量的控制。恒压供水控制是根据用水的多少来控制Ⅱ级的产水流量。Ⅰ级产水流量也是Ⅱ级的进入流量，Ⅱ级产水流量与Ⅱ级产进水流量之比为Ⅱ级反渗透的回收率，一般设定为0%；因此，根据Ⅱ级产水流量计算出所需的进水流量也即Ⅰ级的产水流量，再利用变频控制即可控制Ⅰ级的产水流量，其控制框图如图9所示。其中，F*为Ⅰ级产水流量的参考值，由Ⅱ级产水量除以Ⅱ级回收率得到。

图9 工级产水流量控制

6)报警处理。在系统正常运行过程中，对Ⅰ、Ⅱ级反渗透膜的进水水压及出水水压，Ⅰ、Ⅱ级的产水电导率进行检测，对不符合规定的值进行报警处理。

3.2工作模式

系统的工作模式包括消毒、制水、待机和自动冲洗4种。

1)消毒模式。为清除双级反渗机和供水管道内的细菌和内毒素，需要定期对反渗机及管道进行消毒[9]。消毒模式包括全消毒、机器消毒和管道消毒3种方式，根据实际需要选择性的对机器、用户管道单独消毒或对整个水处理设备及用户取水管道消毒。消毒过程按照添加消毒液、循环、浸泡、冲洗依次进行，各过程的执行时间参数通过触摸屏设置。

2)制水模式。制水模式包括全制水、Ⅰ级制水和Ⅱ级制水3种。正常情况下系统运行在全制水模式下，当系统出现严重故障时，如Ⅰ级高压泵出现故障时，系统会自动报警并停止工作，在保证产水质量的前提下启动Ⅱ级单独制水模式继续工作，待故障解除后再调整到全制水模式，同样当Ⅱ级制水通道出现故障时可以调整到Ⅰ级制水模式。

3)待机模式。当系统停止运行时便进入待机模式，同时开始计时为进入冲洗模式做准备。

4)自动循环模式。当系统停止运行的时间超过设置时间时，停留在用户管道中的水就容易滋生细菌，若细菌进入人体体内，将严重危害透析病人的健康[10]。为防止细菌滋生，当系统刚开机时或者待机超过设定时间时，系统自动进入自动循环模式，将管道中的水进行循环流动制水，防止产生死水。

4 人机界面设计

采用可视化的组态方式，完成人机界面的设计，可提高系统的稳定性和开发速度，通过对现场数据的采集处理，并提供动画显示、报表输出、报警处理等多种方式解决工程问题[11-12]。

本系统上位机人机界面选用北京昆仑通态公司的MCGS嵌入版组态软件，它可编写能运行于安装有Windows CE操作系统的嵌入式触摸屏，通过RS-485总线，实现触摸屏与人机界面的协同工作。

本文开发的水处理器的人机界面的主要功能包括：工作模式的切换操作；对工艺流程，系统压力、流量、电导率等传感器的测量值，设备运行状态等的显示；对系统运行中警告、错误信息的显示及浏览；对系统运行参数的设置及修改。其实现了系统自动控制、数据集中管理、故障报警等多方面功能。图形化的人机界面显示了设备运行全过程，操作简明快捷，通过发出控制指令使系统按照操控人员的意愿工作，同时配合PLC检测一定的系统故障并提供调试窗口帮助维修人员排查故障，部分操作界面如图10所示。

图10 水处理系统控制界面

5 控制系统的功能验证

根据控制系统的设计方案完成PLC及触摸屏的程序编写，并将程序下载到已经安装在水处理器中的PLC及触摸屏中，并对系统进行调试。调试运行过程中，将Ⅱ级反渗透的输出压力值设定为6 MPa，并将回水循环阀(如图2所示)开大或关小，观察输出压力和流量的变化情况。其实验结果表明：输出压力能保持在6 MPa，并且流量能随着回水循环阀的开大开小而变大变小，这说明系统运行稳定，能够实现恒压供水和节约用水的目的；系统能够按照操作命令实现自动制水、消毒等功能；当系统待机时间超过设定时间时能够自动对管道冲洗，防止细菌滋生；当系统检测到产水电导率过高、泵的压力过低或过高等报警信息时还能实现故障报警、低压及高压保护等功能；人机界面友好，操作方便，能直观地显示制水、消毒、冲洗等工作状态。

6 结论

以PLC、组态软件为核心的控制系统能够实现自动制水、消毒、冲洗等功能，并能对产水水质及系统的运行状态实时检测与控制，对系统的故障发出报警信号并自动采取相应的保护措施；采用变频控制技术不仅能保证恒压供水还能避免水电的浪费。整个控制系统操作方便、运行可靠。实验结果证明该系统的控制设计合理。

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(编校：饶莉)

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

四川省科技厅科技支撑项目(2011GZ0102)；四川省省级重点学科“机械电子工程”(SZD0409-08-07)。

：向中凡(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向为机电一体化及机器人技术。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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