西门子 S7-200 SMART PLC 在血液透析水机中的应用

在本次对水处理设备的升级改造中，使用了SMART系列PLC的SR40型号CPU作为控制器，SAMRT700IE人机界面作为监视操作器，EMAM06(4AI/2AQ)对电导率、压力、温度等模拟量信号进行处理。通过次改造，充分发挥了SR40型号CPU的系统功能，来实现对设备的控制和监控，也使我对小型机的功能有了新的认识。

一、项目简介

随着我国经济的快速发展，综合国力的显著提高，科学技术在各学术领域内交流与合作的广泛开展;作为血液透析水处理设备净化领域内重要组成部分之一—— 水处理，得到了越来越多的关注。它的进步与发展，将直接影响医用检验分析纯水机到患者的生存质量，对改善和延续患者的生命有着深远的意义。

衡量透析用水处理产品优劣的标准是其能否为血液透析提供优质的纯化水。其本身作为一种医疗设备，功能的完备性、性能的稳定性、操作的方便性也是一项十分重要的指标。

2015年3月国家药监局即将实施新的透析用水标准（YY0572-2015），新标准对水处理设备提出了更高的要求，为了响应国家要求同时适应市场发展，公司决定对整套系统升级改造。考虑到医疗设备对系统稳定性的要求，决定控制系统改用西门子控制系统。

二、工艺原理

市政自来水—— 原水箱—— 原水泵—— 砂滤器—— 炭滤器—— 软化器—— 精密过滤器—— 反渗透主机—— 纯水箱—— 纯水泵—— UV杀菌器—— 精密过滤器—— 纯水

1、原水箱    

作用：克服管网供水的不稳定性，保证整个系统的供水稳定连续；同时也给各设备长期性能可靠提供了保障。  

2、原水泵  

作用：给预处理各设备提供必需的工作压力。  

3、机械过滤器（石英砂过滤器）    

作用：原水首先经过机械过滤器，在过滤器中放置12-24目的精致石英砂，使原水中的絮凝 体、铁锈等悬浮杂质在此过程中被截留。由于机械过滤器在工作中截留了大量的悬浮杂质。  

4、活性碳过滤器  

作用：本工艺采用活性碳过滤器，作为反渗透装置的予处理，是非常重要的。反渗透系统要求进水指标SDI≤5，余氯<0.1mg/L。为满足其进水要求，需进一步纯化原水，使之达到反渗透的进水指标。在反渗透装置前设置碳滤器。

5、全自动软化水器或加药装置  

作用：除去水中硬度（Ca2+ 、Mg2+）的过程称为软化。本设备装填001×7强酸型Na离子交换树脂，用钠离子置换原水中的钙、镁离子，使原水中的残余硬度低于0.03mmol/L。软化的目的是防止反渗透膜表面结垢，以延长反渗透膜的使用寿命和处理效率。

6、精密过滤器    

作用：精密过滤又称为保安过滤器。它是原水进入反渗透膜装置前的一道处理工艺。PP过滤芯具有过滤流量大，纳污量大，压力损耗小的特点，可阻截不同粒径的杂质颗粒，集表面过滤与深层过滤于一体。精密过滤器使用一定时期后也有堵塞现象，因此，一定时期后PP熔喷滤芯必须更换，更换依据：精密过滤前后的压力差在0.05-0.1Mpa时更换。

7、高压泵    

作用：高压泵是提供给反渗透系统所需产水流量及水质的工作压力。使过滤水经过泵体后达 到10公斤左右的压力，以满足膜体的进水压力，保证纯水的出水量。      

8、反渗透装置（纯水装置）      

作用：反渗透装置是纯化水生产线的主要部分。本装置选用美国陶氏公司生产的节能型复合膜ESPA型反渗透膜元件。ESPA系列为高脱盐率苦咸水淡化膜。可在较低操作压力下，获取高水通量，其平均脱盐率99.5%。由于ESPA膜具有上述的优点，从而为水泵、压力容器、管道、阀门等配套设备的选择提供了更为广泛的空间。而且使用功率更小的电机即可满 足工作的需要。同时，ESPA膜的高水通量、高脱盐率的特性，这些都使设备制造成本和系统设备投资费用大为降低，并且可大量的节省能源，降低了系统的运行费用，提高水质。  

9、水箱（原水箱）      

作用：储备反渗透产品水，并为下一级系统工作提供稳定的供水。控制：水箱内设有高，低液位开 关，控制高压泵和增压泵。当平衡水箱处于低水位时，增压泵自动启动，开始产水。 当水箱处于高水位时，高压泵停止工作。

10、增压泵    

作用：给后级混床提供必需的工作压力。    

11、纯化水箱（成品水箱）    

作用：混床出水，进入纯化水箱，再通过纯化水箱送至各用水点。  

12、精过滤处理器

作用：选用1μm聚丙烯材料滤芯，可有效截留管道内的极微小颗粒及杀灭的细菌。

预处理部分

设备主机

设备整体

设备管路

应用大厅

纯水用于透析机

三、方案选型

1、控制方案设计

针对本系统特点，选用小型plc，系统需要对压力，电导，温度等模拟量控制加装模拟量控制模块，使用人机界面完成对设备的操作与监控。

2、IO表设计及PLC选型

3、其它主要电气设备选型

另外选择了其他主要设备如下：

设备控制柜

四、编程与调试

1、IO控制程序编程与调试

主程序：程序初始化→主程序→子程序调用→输出控制

子程序：1，自动 2，手动 3，定时开关机 4，脉动冲洗 5，数据处理 6，化学消毒 7，热消毒 8，pid运算 9，应急供水 10，记录操作 11，报警处理

2、画面的编程与调试

五、应用体会

S7-200 SMART 麻雀虽小，五脏俱全，本次使用的SR40型号CPU的PLC进行系统设计和编程，整体感觉使用性能良好，很适合在系统点数要求不高的场合使用。与之前的控制系统相比，虽然控制点数上略有减少，但是本体集成的串口为通讯总线的建立提供了非常便利的条件，使得许多较为复杂的设备可以简单地与PLC连接，也使得PLC本身具有了可以扩展的特性。

作者简介

王东，机电一体化专业，长期从事自动化系统的设计开发工作。

参考文献

【1】《电导率显示调节器 SDC35/36使用说明书 详细篇》, 山武自动化仪表（上海）有限公司

【2】《施耐德变频器AT301技术手册》

【3】《S7-200 SMART PLC串口通信说明（图文并茂）》

【4】《S7-200_SMART 系统手册》，西门子（中国）有限公司