苑英海，朱孟府，宿紅波，王濟(jì)虎，姬曉濤，郭立軍，馬 軍，伍瑞昌

箱儀一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

苑英海，朱孟府，宿紅波，王濟(jì)虎，姬曉濤，郭立軍，馬 軍，伍瑞昌

目的：設(shè)計(jì)一種箱儀一體化醫(yī)用純化水設(shè)備的控制系統(tǒng)，提高應(yīng)急醫(yī)療保障制取醫(yī)用純化水的能力。方法：控制系統(tǒng)集成運(yùn)用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、觸摸屏和傳感器技術(shù)，依據(jù)膜法制取醫(yī)用純化水工藝要求，控制電磁閥、增壓泵、高壓泵、氣泵、消毒裝置和報(bào)警裝置的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用純化水制備、設(shè)備排水和智能報(bào)警等功能的自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行。結(jié)果：控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)用純化水制取、設(shè)備排水和智能報(bào)警等功能，且設(shè)備產(chǎn)水水質(zhì)符合藥典純化水的要求。結(jié)論：該控制系統(tǒng)界面直觀，操作方便，滿(mǎn)足設(shè)備各功能的控制要求，提高了設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平。

PLC；觸摸屏；箱儀一體化；純化水

0 引言

隨著公共安全事件和自然災(zāi)害的多發(fā)以及部隊(duì)軍事任務(wù)的執(zhí)行，應(yīng)急醫(yī)療保障逐漸成為重要的課題[1-2]。

醫(yī)用純化水作為醫(yī)療保障中不可缺少的原材料，為藥物制劑（外用藥、口服液）、傷口清洗、術(shù)前準(zhǔn)備、器械清洗、分析檢測(cè)、化驗(yàn)等提供用水，并進(jìn)一步作為注射用水和滅菌注射用水的原料水，用途廣泛，用水量大[3-5]。其水質(zhì)直接影響醫(yī)療保障的安全，因此對(duì)水質(zhì)有嚴(yán)格要求，必須符合國(guó)家藥典規(guī)定。

現(xiàn)有的醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)復(fù)雜，使用和維護(hù)均需專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，自動(dòng)化和智能化程度較低，且運(yùn)輸故障率高，不便于在應(yīng)急保障現(xiàn)場(chǎng)投送和及時(shí)展開(kāi)。而存儲(chǔ)和輸送過(guò)程會(huì)影響純化水水質(zhì)[6]，不能滿(mǎn)足部隊(duì)野戰(zhàn)醫(yī)院以及機(jī)動(dòng)衛(wèi)勤力量“就地制取、就地供給”醫(yī)用純化水的需求，嚴(yán)重制約應(yīng)急醫(yī)療保障能力。

本文研制了一種基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）和觸摸屏的箱儀一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)，具有醫(yī)用純化水制取、設(shè)備排水和智能報(bào)警等功能，保證產(chǎn)水水質(zhì)符合藥典純化水要求，并可解決設(shè)備存水污染和低溫防凍的難題。該控制系統(tǒng)通過(guò)采集壓力、流量、電導(dǎo)率等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)調(diào)整。根據(jù)參數(shù)的變化，對(duì)設(shè)備過(guò)濾組件性能進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警，進(jìn)一步提高了設(shè)備的自動(dòng)化和智能化程度。

1 設(shè)備工藝

膜法制取醫(yī)用純化水工藝技術(shù)成熟，已得到廣泛應(yīng)用[5-8]。箱儀一體化醫(yī)用純化水設(shè)備采用“粗濾—超濾—反滲透—離子交換—紫外線(xiàn)消毒”等工藝制取醫(yī)用純化水，工藝流程如圖1所示。首先，原水通過(guò)一臺(tái)具有自吸能力的增壓泵進(jìn)入粗濾裝置，去除水中的大顆粒雜質(zhì)。其次，經(jīng)過(guò)粗濾的原水再進(jìn)入超濾組件，去除水中的微粒、膠體、大分子有機(jī)物等雜質(zhì)。再次，超濾產(chǎn)水通過(guò)高壓泵進(jìn)入反滲透膜組件，去除水中絕大部分的可溶性鹽類(lèi)、細(xì)菌和大分子有機(jī)物，獲得初級(jí)純化水。然后，初級(jí)純化水經(jīng)過(guò)離子交換樹(shù)脂，進(jìn)一步去除水中的可溶性鹽類(lèi)。最終，產(chǎn)水經(jīng)過(guò)紫外殺菌裝置殺滅水中的殘留微生物，制得符合國(guó)家藥典規(guī)定的純化水。

圖1 設(shè)備工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

箱儀一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)硬件包括PLC控制器、觸摸屏和信號(hào)傳感器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工藝的自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

PLC可實(shí)現(xiàn)醫(yī)用純化水制取、設(shè)備排水和智能報(bào)警等功能以及各功能之間的互斥保護(hù)。根據(jù)工藝要求，控制系統(tǒng)需要16路繼電器輸出，控制電磁閥、水泵、氣泵、消毒裝置、報(bào)警裝置運(yùn)行。本文選用歐姆龍公司CP系列的CP1E-N40控制器實(shí)現(xiàn)輸出控制，通過(guò)觸摸屏和控制面板實(shí)現(xiàn)雙輸入控制；選用歐姆龍公司CP1W-AD041模擬量輸入單元，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的輸入。

觸摸屏用于功能選擇輸入、參數(shù)及狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和在線(xiàn)調(diào)整、設(shè)備運(yùn)行調(diào)試以及智能報(bào)警信息的顯示。本系統(tǒng)選用Kinco公司的MT4210T型觸摸屏作為人機(jī)界面。觸摸屏與PLC控制器之間通過(guò)RS-232C接口進(jìn)行連接通信。

信號(hào)傳感器用于采集設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的壓力、流量、電導(dǎo)率等模擬量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線(xiàn)檢測(cè)。本系統(tǒng)選用半導(dǎo)體擴(kuò)散硅不銹鋼膜片壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的檢測(cè)；選用渦輪流量變送器，實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的檢測(cè)；選用不同量程的電導(dǎo)率傳感器，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)電導(dǎo)率信號(hào)的檢測(cè)。各模擬量均為4～20 mA電流信號(hào)，傳輸至模擬量輸入單元。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)和觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計(jì)2個(gè)部分。控制系統(tǒng)使用CXProgrammer編程軟件和Kinco HMIware組態(tài)編輯軟件，分別對(duì)PLC進(jìn)行梯形圖編程和對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)界面設(shè)計(jì)。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括醫(yī)用純化水制取、設(shè)備排水、互斥保護(hù)和智能報(bào)警等模塊，其程序流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

醫(yī)用純化水制取模塊根據(jù)工藝和時(shí)序要求，控制增壓泵、電磁閥、高壓泵和紫外殺菌裝置，實(shí)現(xiàn)超濾組件的自動(dòng)沖洗、反滲透組件的定時(shí)沖洗、紫外殺菌裝置的啟動(dòng)等操作，完成醫(yī)用純化水的制取。

設(shè)備排水模塊控制氣泵、氣路電磁閥和排水閥，完成超濾膜組件排水、反滲透膜組件排水、離子交換樹(shù)脂組件排水、消毒裝置排水和管路及水泵排水，解決設(shè)備停用期間管路中的存水污染以及低溫環(huán)境中管路防凍和膜組件貯存等問(wèn)題。

互斥保護(hù)模塊主要由互斥保護(hù)標(biāo)志位組成，通過(guò)各模塊之間互斥保護(hù)標(biāo)志位的操作，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用純化水制備與排水功能之間的互斥保護(hù)、排水功能內(nèi)部的互斥保護(hù)等，增加程序和操作的安全性。

智能報(bào)警模塊主要由聲光報(bào)警裝置組成，實(shí)現(xiàn)無(wú)水保護(hù)報(bào)警、超濾產(chǎn)水不足報(bào)警、超濾清洗報(bào)警、高壓保護(hù)報(bào)警、低壓保護(hù)報(bào)警、水質(zhì)超標(biāo)報(bào)警、膜組件維護(hù)報(bào)警和膜組件更換報(bào)警等，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行的異常情況，有助于操作人員采取及時(shí)有效的措施以防止重大事故的發(fā)生。

3.2 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏組態(tài)界面主要由操作界面、制醫(yī)用水界面、排水界面、報(bào)警界面、工藝界面、狀態(tài)界面、參數(shù)界面、調(diào)試界面、報(bào)警界面和設(shè)置界面組成，組態(tài)界面結(jié)構(gòu)與效果如圖4、5所示。其中，操作界面可實(shí)現(xiàn)多功能選擇，進(jìn)入相應(yīng)的功能操作界面；制醫(yī)用純化水界面實(shí)現(xiàn)制取醫(yī)用純化水功能，顯示制取醫(yī)用純化水過(guò)程中各裝置的運(yùn)行狀態(tài)以及制水參數(shù)；排水界面實(shí)現(xiàn)超濾膜組件排水、反滲透膜組件排水和管路及水泵排水功能以及各排水功能之間的互斥操作；報(bào)警界面顯示各智能報(bào)警信息，提示操作人員采取有效的措施以防止重大事故的發(fā)生；工藝界面動(dòng)態(tài)顯示工藝流程以及運(yùn)行參數(shù)；狀態(tài)界面顯示各裝置的運(yùn)行狀態(tài)；參數(shù)界面實(shí)現(xiàn)壓力、流量、電導(dǎo)率、液位和溫度等運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和在線(xiàn)調(diào)整；調(diào)試界面用于調(diào)試設(shè)備的運(yùn)行，強(qiáng)制各裝置的運(yùn)行與停止；設(shè)置界面用于設(shè)置設(shè)備開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)間及微濾膜組件、超濾膜組件、反滲透膜組件累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等信息。

圖4 觸摸屏組態(tài)界面結(jié)構(gòu)圖

圖5 觸摸屏組態(tài)界面效果圖

3.3 控制系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)

本文研制的箱儀一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)相比，界面直觀、操作方便、自動(dòng)化和智能化水平較高，可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)整以及設(shè)備性能評(píng)估，保證產(chǎn)水水質(zhì)安全。該設(shè)備多次用于部隊(duì)野戰(zhàn)醫(yī)院以及機(jī)動(dòng)衛(wèi)勤力量演習(xí)和演練中，具有機(jī)動(dòng)投送能力強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)與撤收方便等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足就地制取、就地供給醫(yī)用純化水的需求。

控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)為：使用電源為AC220 V/ 50 Hz；功率消耗為1.0 kW。

控制系統(tǒng)中醫(yī)用純化水制取、排水功能正常運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)觸發(fā)智能報(bào)警，提示操作人員采取及時(shí)有效的措施，如：（1）原水進(jìn)水壓力低于a（設(shè)定值）MPa時(shí)，觸發(fā)無(wú)水保護(hù)報(bào)警，停止制取醫(yī)用純化水功能，防止增壓泵空轉(zhuǎn)；（2）超濾產(chǎn)水壓力低于b（設(shè)定值）MPa時(shí)，觸發(fā)超濾產(chǎn)水不足報(bào)警，停止制取醫(yī)用純化水功能，防止高壓泵空轉(zhuǎn)；（3）超濾膜兩側(cè)壓力差大于c（設(shè)定值）Pa時(shí)，觸發(fā)超濾膜清洗報(bào)警，及時(shí)清洗或更換超濾膜組件；（4）操作壓力高于d（設(shè)定值）MPa時(shí)，觸發(fā)高壓保護(hù)報(bào)警，防止反滲透膜組件在高壓條件下?lián)p壞；（5）操作壓力低于e（設(shè)定值）MPa時(shí)，觸發(fā)低壓保護(hù)報(bào)警，及時(shí)更換高壓泵；（6）產(chǎn)水電導(dǎo)率高于f（設(shè)定值）μS/cm時(shí)，觸發(fā)水質(zhì)超標(biāo)報(bào)警，停止制取醫(yī)用純化水功能，保證用水的安全；（7）當(dāng)微濾膜組件、超濾膜組件、反滲透膜組件的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)g（設(shè)定值）h時(shí)，參考各膜組件的使用壽命，觸發(fā)膜組件更換報(bào)警，及時(shí)進(jìn)行更換。

控制系統(tǒng)根據(jù)《軍用運(yùn)輸包裝件試驗(yàn)方法》要求[9]進(jìn)行了振動(dòng)和跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)后外觀無(wú)異常，能正常工作。還進(jìn)行了該系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行720 h無(wú)故障。采用不同地區(qū)的地下水、地表水和自來(lái)水對(duì)設(shè)備產(chǎn)水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，均符合《中華人民共和國(guó)藥典》（2010年版）純化水的水質(zhì)規(guī)定[10]。

4 結(jié)論

隨著應(yīng)急醫(yī)療保障水平的提高，醫(yī)用純化水的用途越來(lái)越廣泛。本文研制的箱儀一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)人機(jī)交互性強(qiáng)，操作方便，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能評(píng)估和智能報(bào)警，保證產(chǎn)水水質(zhì)安全。該系統(tǒng)提高了設(shè)備的自動(dòng)化和智能化程度、機(jī)動(dòng)投送能力、現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)與撤收效率，便于部隊(duì)野戰(zhàn)醫(yī)院以及機(jī)動(dòng)衛(wèi)勤力量進(jìn)行應(yīng)急醫(yī)療保障，具有良好的應(yīng)用前景。

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[9]GJB 2711—1996 軍用運(yùn)輸包裝件試驗(yàn)方法[S].

[10]國(guó)家藥典委員會(huì).中華人民共和國(guó)藥典[M].北京：中國(guó)醫(yī)藥科技出版社，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

全軍后勤科研計(jì)劃重大項(xiàng)目（AWS11Z005-2）

苑英海（1986—），男，助理研究員，主要從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究工作，E-mail：YuanYinghaiNKU@126.com。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（苑英海，朱孟府，宿紅波，王濟(jì)虎，郭立軍，馬 軍，伍瑞昌）；110026沈陽(yáng)，東北軍用物資采購(gòu)局（姬曉濤）

宿紅波，E-mail：13920307615@126.com