基于plc的直供式透析用水处理器的控制方案设计.pdf

第3 4 卷第6 期 v 0 1 3 4 ，n o 6 西华大学学报( 自然科学版) j o u r n a lo fx i h u au n i v e r s i t y ( n a t u r a ls c i e n c e ) 2 0 1 5 年1 1 月 n o v 2 0 1 5 机电工程 基于p l c 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 ( 两华大学机械工程学院，四川成都6 1 0 0 3 9 ) 摘要：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 ( p l c ) 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p 1 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。 关键词：血液透析；双级反渗透；水处理；p l c ；m c g s 中图分类号：t p 2 7 3 文献标志码：a 文章编号：1 6 7 3 1 5 9 x ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 4 2 0 5 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 1 5 9 x 2 0 1 5 0 6 0 0 9 a d e s i g no fh e m o d i a l y s i sw a t e rt r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l c p e n gt a o ，x i a n gz h o n g f a n8 ，l ik e ，h u a n gl e i ( s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g t n e e r i n g ，x i h u au n i v e r s i t y ，c h e n g d u6 1 0 0 3 9c h i n a ) a b s t r a c t ：t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dc o n t r o la c c u r a c yo fh e m o d i a l y s i sw a t e rt r e a t m e n t ，a n dm a k et h em e d i c a ls t a f fo p e r a t ec o n v e n i e n t ，ad i r e c ts u p p l yo fd u a l s t a g er e v e r s eo s m o s i sw a t e rt r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do np r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t h es y s t e mh a sas i n g l ea n dt w o s t a g ew a t e rs y s t e m ，a u t o m a t i cw a s h i n g ，d a t am o n i t o r i n ga n df a u l ta l a r mf u n c t i o n s ， t h i si so w et ot h ed e s i g no fe l e c t 6 c a lc o n t r o lo ft h eh e m o d i a l y s i sw a t e rt r e a t m e n t t h ep u r p o s eo fu s i n gt h ep ic o n t r o lt e c h n o l o g yc a n g u a r a n t e ew a t e rp r o d u c t i o nc o n s t a n tw a t e rp r e s s u r e ，a n dw a t e rt r e a t m e n ts t i l lc ana u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ew a t e rp r o d u c t i o na c c o r d i n gt o t h ea c t u a la m o u n to fw a t e rt os a v ew a t e r e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi ss t a b l et or u n ，s i m p l et oo p e r a t ea n dt h es u p p l i e d w a t e rp r e s s u r ei sc o n s t a n t k e y w o r d s ：h e m o d i a l y s i s ；d u a l s t a g er e v e r s eo s m o s i s ；w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m ；p l c ；m c g s 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p l c 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u 。1 。 本文设计一套基于m c g s 触摸屏嵌入式版组态 软件和可编程控制器( p l c ) 的直供式双级反渗透水 处理控制系统。利用p l c 对系统进行自动控制，由 m c g s 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hj 。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 p i 控制技术控制变频器从而调节级泵的输出压 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”j 。 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， 收稿日期：2 0 1 4 0 4 2 6 基金项目：四川省科技厅科技支撑项目( 2 0 1 1 g z 0 1 0 2 ) ；四川省省级重点学科“机械电子工程”( s z d 0 4 0 9 0 8 0 7 ) 。 通信作者：向中凡( 1 9 6 5 ) ，男，教授，博士，主要研究方向为机电一体化及机器人技术。e m a i l ：x z f l 9 6 5 1 2 6 e o m 万方数据 第6 期 彭韬等：基于p l c 的直供式透析用水处理器的控制方案设计 4 3 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 r o 膜表面的污染、结垢，延长r o 膜的使用寿 命 6 。 。反渗透单元采用双级反渗透装置，可得到 电导率小于5i x s c m 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，级浓水分别反馈 到平衡器和级膜的入口。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 、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。 罔二直供式议城心渗透，k 处删器 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；p l c 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 2 0 m a 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p l c 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。 电导率仪e j q 频器| 广_ 卅纵同“水 a d d a 涡轮流计 ： 模块模块 叫频器h ”城同匝永压泵 压力传感器l： 触摸屏 f a t e kp l c 人机界面 高液位开关l - f b s - 2 4 m a 二刊继电器 二二刊 电磁阀 中液位开关l - i原水泵 h 交流 低液位开关 叫 接触器 li 级高压泵 it t 掘自：i 石 u 纵同匝水 图3 电气控制结构图 万方数据 西华大学学报( 自然科学版) 3 p l c 控制方案设计 3 1 控制过程 控制系统采用永宏p l cf b s 一2 4 m a m c ，具有 1 4 点2 4v d c 数字量输入( 4 点可达1 0k h z ) ，1 0 点 ( r t s ) 数字量输出( “t ”机型具4 点1 0k h z 输 出) ，1 个r s 2 3 2 或u s b 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m c g s 嵌入版组态软件作 为操作的上位机。通过p l c 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。 厂百百 衡器低于高水位 j 岭1 关闭原水泵 塑低于岁 丢 打开平衡器l 进水电磁阀l 蹩登压誓茎织 基n n i 原水泵低压开关闭合 1 y l 启动原水泵l 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p l c 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5i 级泵控制流程图 3 ) 1 1 级高压泵。级高压泵主要功能是为 级反渗透膜加压使其达到产水压力，其控制部件主 要包括级高压泵、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 p l c ，由p l c 的p i d 模块将y ( 后) 与给定信号y + 做 差，将差值进行p i d 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 p i d 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p i d 控制 万方数据 第6 期彭韬等：基于p l c 的直供式透析用水处理器的控制方案设计 4 5 算法，其算法流程图如图8 所示。 压力给定信号输入 r 令n 叵 数字滤波 求偏差：e ( ) = p 吲k ) u ( k ) = u ( t 1 ) + 酬d ) 一d k 1 ) ) + 础e ( k ) ) + k d 【e ( ) 一2 e ( k - 1 ) + e ( k - 2 j ) 佩一1 ) = u ) ，e ( k 1 ) = e ( ) ，e ( k 一 2 ) = e ( k - 1 ) ， 输出控制参数u ( k ) 结果送d a 令n 改变数据设定值1 图8p i d 控制流程图 5 ) 流量控制。流量控制包括i 级产水量控制 和级产水量的控制。恒压供水控制是根据用水 的多少来控制级的产水流量。i 级产水流量也 是级的进入流量，级产水流量与级产进水流 量之比为级反渗透的回收率，一般设定为0 ；因 此，根据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，由级产水量除以级回收 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 、级 反渗透膜的进水水压及出水水压，i 、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e g 。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，各过程的执行时问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人待机 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。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一2 i 。 本系统上位机人机界面选用北京昆仑通态公 司的m c g s 嵌入版组态软件，它可编写能运行于安 装有w i n d o w sc e 操作系统的嵌入式触摸屏，通过 r s 一4 8 5 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p l c 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1 0 所示。 司1 0 水处理系统控制界面 万方数据 4 6 西华大学学报( 自然科学版)2 0 1 5 年 5 控制系统的功能验证 根据控制系统的设计方案完成p l c 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p l c 及触摸屏中，并对系统进行调试。调试运 行过程中，将级反渗透的输出压力值设定为6 m p a ，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6m p a ，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问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p l c 、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。 参考文献 1 吕维敏，黄钢妹，刘弋青，等基于r o e d i 的透析用水处 理系统设计 j 水处理技术，2 0 0 7 ，3 3 ( 1 0 ) ：5 2 5 4 2 马宝荣血液透析水处理系统的设计与开发 d 济南：山 东大学，2 0 1 2 3 j 邓成中基于总线网络的医院中心供氧监测系统 j 西华 大学学报：自然科学版，2 0 0 5 ，2 4 ( 5 ) ：2 9 3 1 4 任银录，郑萍，陈吕菊，等基于m c g s 组态软件的通用d d e “软通道”的研究与实现 j 西华大学学报：自然科学版，2 0 0 6 ，2 5 ( 6 ) ：8 6 8 8 5 蒲贵兵，工文蕾，吕波，等i 峡库区某工业水厂生产废水处 理t 程设计 j 西华大学学报：自然科学版，2 0 1 4 ，3 3 ( 2 ) ：8 4 8 7 6 宋艳丽基于p l c 的医用纯净水处理系统设计 d 北京： 北方工业大学，2 0 0 8 7 邹冬梅，蔡颖尔血液透析水处理系统的组成以及发展方向 j 临床医学工程，2 0 1 0 ，1 7 ( 1 0 ) ：1 1 7 1 1 9 8 刘学军血液透析实用技术手册 m 北京：中国协和医科 大学出版社，2 0 1 0 ：5 6 5 8 9 陈英长沙市血液透析单位透析用水透析液质量的研究 d 长沙：中南大学，2 0 0 7 1 0 滕朝宇血液透析水处理系统微生物生长特点及对策 j 医疗装备，2 0 1 0 ，2 3 ( 2 ) ：6 9 7 0 1 1 徐惠芳，曹嘉，伍星基于m c g s 和p l c 的反渗透水处理监 控系统设计 j 计算机应用，2 0 1 l ，3 l ( s 2 ) ：2 0 4 2 0 8 1 2 包建华，肩胜，张兴奎工控组态软件m c g s 及其应用 j t 矿自动化，2 0 0 7 ，6 ( 3 ) ：9 2 9 4 ( 编校：饶莉) , e - 4 b - ( 上接第3 5 页) 6 w a t s o ng af r a m e w o r kf o ro f f s h o r ew i n de n e r g yd e v e l o p m e n ti nt h eu n i t e ds t a t e s e b o i 。 ( 2 0 0 5 一l l 1 7 ) 2 0 1 4 0 l 1 6 h t t p ：w w w m t p e o r g o f f s h o r e f i n a l 一0 9 2 0 p d f 7 许移庆，冀东风力发电机组塔架仿真和分析 j 能源研 究与信息，2 0 0 5 ，2 2 ( 2 ) ：8 5 8 9 8 h e n d e r s o nar ，m o r g a ncs ，s m i t hb ，e ta 1 o f f s h o r ew i n d e n e r g yi ne u r o p e ：ar e v i e wo ft h es t a t e o f t h e a r t j w i n de n e r g y ，2 0 0 3 ，6 ( 1 ) ：3 5 - 5 2 9 m u s i a lw ，b u t t e r f i e l ds f u t u r ef o ro f f s h o r ew i n de n e r g yi nt h eu n i t e ds t a t e s r e n e r g yo c e a np a l mb e a c hf l o r i d a ，u s a ，n r e l c p 一5 0 0 3 6 3 1 3 ，g o l d e n ，c o ：n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y ，2 0 0 4 1 0 w r i g h tad ，f i n g e r s hlj a d v a n c e dc o n t r o ld e s i g nf o rw i n d t u r b i n e sp a r ti ：c o n t r o ld e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o n ，a n di n i t i a lt e s t s r n r e lr e p o r tn ot p 一5 0 0 4 2 4 3 7 ，n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a - t o r y ，2 0 0 8 1 1 j o n k m a nj ，b u t t e r f i e l ds ，m u s i a lw ，e ta 1 d e f i n i t i o no fa 5 一 m wr e f e r e n c ew i n dt u r b i n ef o ro f f s h o r es y s t e md e v e l o p m e n t r n r e l t p 一5 0 0 3 8 0 6 0 ，g o l d e n ，c o ：n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g yl a - b o r a t o r y ，2 0 0 6 1 2 b a z e o sn ，h a t z i g e o r g i o ugd ，h o n d r o sid s e i s m i ca n ds t a b i l - i t ya n a l y s e so fap r o t o t y p ew i n dt u r b i n es t e e lt o w e r j e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s ，2 0 0 2 ，2 4 ( 8 ) ：1 0 1 5 1 0 2 5 1 3 z h a o xm a i b e rp s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fw i n dt u r b i n e t o w e r si n c l u d i n gs o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n c p r o ei m e c h e2 0 0 6 2 2 0p a r tk ：jm u l t i b o d yd y n a m i c s s 1 ： s n ，2 0 0 6 ：5 3 6 1 1 4 贺广零，周勇，李杰风力发电高塔系统地震动力响应分析 j t 程力学，2 0 0 9 ，2 6 ( 7 ) ：7 2 7 7 15 b u t t e r f i e l ds ，m u s i a lw ，j o n k n m nj ，e ta 1 e n g i n e e r i n gc h