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一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)解決方案

前言

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、化驗等提供用水，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。其水質(zhì)直接影響醫(yī)療保障的安全，因此對水質(zhì)有嚴(yán)格要求，必須符合國家藥典規(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)均需專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，自動化和智能化程度較低，且運輸故障率高，不便于在應(yīng)急保障現(xiàn)場投送和及時展開。而存儲和輸送過程會影響純化水水質(zhì)，不能滿足部隊野戰(zhàn)醫(yī)院以及機(jī)動衛(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。

我們通過一種基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）和觸摸屏的一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)（目前諾頓純化水設(shè)備均采用這種模式進(jìn)行系統(tǒng)操作管理，大大降低了管理成本），具有醫(yī)用純化水制取、設(shè)備排水和智能報警等功能，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)通過采集壓力、流量、電導(dǎo)率等信號，實現(xiàn)工藝參數(shù)的實時監(jiān)測和在線調(diào)整。根據(jù)參數(shù)的變化，對設(shè)備過濾組件性能進(jìn)行評估，實現(xiàn)智能報警，進(jìn)一步提高了設(shè)備的自動化和智能化程度。

一體化醫(yī)用純化水設(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。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，原水通過一臺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、細(xì)菌和大分子有機(jī)物，獲得初級純化水。然后，初級純化水經(jīng)過離子交換樹脂，進(jìn)一步去除水中的可溶性鹽類。最終，產(chǎn)水經(jīng)過紫外殺菌裝置殺滅水中的殘留微生物，制得符合國家藥典規(guī)定的純化水。

一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

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、觸摸屏和信號傳感器，實現(xiàn)設(shè)備工藝的自動運行和手動運行，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PLC可實現(xiàn)醫(yī)用純化水制取、設(shè)備排水和智能報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、報警裝置運行。本文選用歐姆龍公司CP系列的CP1E-N40控制器實現(xiàn)輸出控制，通過觸摸屏和控制面板實現(xiàn)雙輸入控制；選用歐姆龍公司CP1W-AD041模擬量輸入單元，實現(xiàn)傳感器信號的輸入。

觸摸屏用于功能選擇輸入、參數(shù)及狀態(tài)的實時顯示和在線調(diào)整、設(shè)備運行調(diào)試以及智能報警信息的顯示。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RS-232C接口進(jìn)行連接通信。

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

一體化醫(yī)用純化水設(shè)備控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括PLC程序設(shè)計和觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計2個部分。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PLC進(jìn)行梯形圖編程和對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)界面設(shè)計。

3.1 PLC程序設(shè)計

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

醫(yī)用純化水制取模塊根據(jù)工藝和時序要求，控制增壓泵、電磁閥、高壓泵和紫外殺菌裝置，實現(xiàn)超濾組件的自動沖洗、反滲透組件的定時沖洗、紫外殺菌裝置的啟動等操作，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題。

互斥保護(hù)模塊主要由互斥保護(hù)標(biāo)志位組成，通過各模塊之間互斥保護(hù)標(biāo)志位的操作，實現(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。

智能報警模塊主要由聲光報警裝置組成，實現(xiàn)無水保護(hù)報警、超濾產(chǎn)水不足報警、超濾清洗報警、高壓保護(hù)報警、低壓保護(hù)報警、水質(zhì)超標(biāo)報警、膜組件維護(hù)報警和膜組件更換報警等，監(jiān)測設(shè)備運行的異常情況，有助于操作人員采取及時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

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、報警界面、工藝界面、狀態(tài)界面、參數(shù)界面、調(diào)試界面、報警界面和設(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)用純化水界面實現(xiàn)制取醫(yī)用純化水功能，顯示制取醫(yī)用純化水過程中各裝置的運行狀態(tài)以及制水參數(shù)；

排水界面實現(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；

報警界面顯示各智能報警信息，提示操作人員采取有效的措施以防止重大事故的發(fā)生；

工藝界面動態(tài)顯示工藝流程以及運行參數(shù)；

狀態(tài)界面顯示各裝置的運行狀態(tài)；參數(shù)界面實現(xiàn)壓力、流量、電導(dǎo)率、液位和溫度等運行參數(shù)的實時顯示和在線調(diào)整；

調(diào)試界面用于調(diào)試設(shè)備的運行，強(qiáng)制各裝置的運行與停止；

設(shè)置界面用于設(shè)置設(shè)備開機(jī)運行時間及微濾膜組件、超濾膜組件、反滲透膜組件累計運行時間等信息。

3.3 控制系統(tǒng)性能實驗

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、自動化和智能化水平較高，可實現(xiàn)工藝參數(shù)在線檢測與調(diào)整以及設(shè)備性能評估，保證產(chǎn)水水質(zhì)安全。該設(shè)備多次用于部隊野戰(zhàn)醫(yī)院以及機(jī)動衛(wèi)勤力量演習(xí)和演練中，具有機(jī)動投送能力強(qiáng)、現(xiàn)場展開與撤收方便等優(yōu)點，可滿足就地制取、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、排水功能正常運行。當(dāng)運行參數(shù)發(fā)生變化時觸發(fā)智能報警，提示操作人員采取及時有效的措施，如：

（1）原水進(jìn)水壓力低于a（設(shè)定值）MPa時，觸發(fā)無水保護(hù)報警，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，觸發(fā)超濾產(chǎn)水不足報警，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，觸發(fā)超濾膜清洗報警，及時清洗或更換超濾膜組件；

（4）操作壓力高于d（設(shè)定值）MPa時，觸發(fā)高壓保護(hù)報警，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，觸發(fā)低壓保護(hù)報警，及時更換高壓泵；

（6）產(chǎn)水電導(dǎo)率高于f（設(shè)定值）μS/cm時，觸發(fā)水質(zhì)超標(biāo)報警，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運行時間超過g（設(shè)定值）h時，參考各膜組件的使用壽命，觸發(fā)膜組件更換報警，及時進(jìn)行更換。

控制系統(tǒng)根據(jù)《軍用運輸包裝件試驗方法》要求進(jìn)行了振動和跌落試驗，試驗后外觀無異常，能正常工作。還進(jìn)行了該系統(tǒng)的可靠性試驗，累計運行720 h無故障。采用不同地區(qū)的地下水、地表水和自來水對設(shè)備產(chǎn)水水質(zhì)進(jìn)行檢測，均符合《中華人民共和國藥典》（2010年版）純化水的水質(zhì)規(guī)定。

總結(jié)

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越廣泛。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，可以實時監(jiān)測和在線調(diào)整工藝參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)備性能評估和智能報警，保證產(chǎn)水水質(zhì)安全。該系統(tǒng)提高了設(shè)備的自動化和智能化程度、機(jī)動投送能力、現(xiàn)場展開與撤收效率，便于部隊野戰(zhàn)醫(yī)院以及機(jī)動衛(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。