基于可編程邏輯控制器的空心纖維血液透析器超濾率檢測系統的設計

王東峰，韓征峰，李新東，張化強，王蘇萍

1 河南駝人醫療器械研究院有限公司 （河南新鄉 453400）；2 河南省醫療高分子材料技術與應用重點實驗室 （河南新鄉 453400）

空心纖維血液透析器俗稱人工腎，由大量空心纖維組成，是治療急、慢性腎衰竭患者的主要產品。其工作原理是經過吸附、超濾、對流及彌散等方法清除人體內多余的水分及血液中的代謝廢物，并維持酸堿及電解質平衡[1-4]。

超濾率是空心纖維血液透析器的重要性能指標，主要反映產品的除水能力，也可作為產品質量檢測的重要指標[5-6]。因此，產品質量檢測人員對超濾率檢測系統的要求越來越高[7]。目前，國內市場上和實驗室環境下使用的空心纖維血液透析器超濾率檢測系統種類較少，且自動化程度較低，主要通過手動調節閥門開度獲得穩定的跨膜壓，當跨膜壓穩定后，開始計時并通過人眼目視濾過液的多少，最后檢測人員通過過程中記錄的數據計算出空心纖維血液透析器的超濾率，檢測效率低，檢測人員的工作量大[8]。

本研究設計的檢測系統將可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）應用于空心纖維血液透析器超濾率檢測中，通過自動調節空心纖維血液透析器的跨膜壓，最終獲得穩定的跨膜壓，并通過自動采集空心纖維血液透析器在超濾率檢測過程中的濾過液流量，計算出空心纖維血液透析器的超濾率，最終做出合格或不合格的判斷，檢測效率高，檢測人員的工作量小[9-10]。

1 系統組成及檢測原理

空心纖維血液透析器超濾率檢測系統由滾壓泵、電子秤、PLC、觸摸屏、壓力傳感器、伺服控制系統、電動升降臺及打印機等組成[11]。其中，滾壓泵作為流量控制部件，通過滾輪擠壓泵管，使泵管內的液體呈蠕動式流動，即順滾輪轉動方向由泵管的一端流向另一端，可大范圍內任意平滑地調節流量；電子秤可采集空心纖維血液透析器濾過液的流量信息；PLC 作為檢測系統核心，通過采集的壓力傳感器的壓力信號控制電動升降臺的升降及伺服電機的旋轉角度，從而使空心纖維血液透析器保持恒定的跨膜壓；觸摸屏作為人機交互控制界面，可通過RS-485接口與PLC 雙向通信，實時監控空心纖維血液透析器的跨膜壓和濾過液流量；打印機作為打印執行部件，可將觸摸屏的測試記錄信息界面打印出來[12]。本設計采用兩個獨立的雙工位檢測系統，可同時對兩個產品進行檢測。系統整體結構設計見圖1。

圖1 系統整體結構

系統工作前，連接好被測空心纖維血液透析器的管路，選擇產品型號、流量、跨膜壓，點擊“啟動”按鈕，檢測系統開始工作，通過伺服電機調節閥門開度及電動升降臺調節廢液出口高低，使跨膜壓穩定在設定值，之后檢測系統開始計時，并將電子秤測量值清零，待計時5 min 后，讀取電子秤的測量值，計算出空心纖維血液透析器的超濾率，并做出合格或不合格的判斷。產品的超濾率體外檢測見圖2。

圖2 空心纖維血液透析器的超濾率體外檢測示意圖

2 軟件的實現與分析

本檢測系統的軟件設計主要包含PLC 軟件設計及觸摸屏軟件設計。PLC 的輸入、輸出地址分配見表1，控制流程見圖3。觸摸屏控制界面包含4個界面，分別為主界面、參數設定界面、工位1打印界面及工位2打印界面，主界面見圖4，參數設定界面見圖5，打印界面見圖6和7。

圖3 PLC 控制流程圖

表1 PLC 輸入、輸出地址分配

由圖4所示，系統主界面不僅可顯示兩個工位的測量信息，而且可分別顯示被測空心纖維血液透析器的批次、操作員、型號、流量、血液進口側壓力（壓力1）、血液出口側壓力（壓力2）、濾過液側壓力（壓力3）、跨膜壓設定值SV、跨膜壓當前值PV、排水量下限值、排水量上限值、排水量測量值（結果）、超濾率參考值、超濾率測量值、從開始測量到測量結束的時間（節拍時間）及從跨膜壓達到設定值并穩定后的計時時間（測量計時）等信息；點擊“啟動”按鈕，檢測系統開始檢測，同時啟動按鈕文字顯示“測試中”，點擊“復位”按鈕，檢測系統自動結束工作并回到初始狀態，點擊“參數設定”按鈕可以切換到圖5所示的檢測系統參數設定界面，點擊“打印界面”按鈕可以切換到圖6所示的檢測系統工位1打印界面。

圖4 系統主界面

圖5 系統參數設定界面

圖6 系統工位1 打印界面

由圖5所示，我們可在系統參數設定界面分別對工位1和工位2待測產品的型號、流量及跨膜壓進行選擇，對產品批次、操作員及不同型號產品的排水量下限值、排水量上限值、超濾率參考值進行設定；點擊“下一頁”按鈕可以切換到圖6所示的檢測系統工位1打印界面，點擊“返回”按鈕可以切換到圖4所示的檢測系統主界面。

由圖6所示，系統工位1打印界面可以顯示工位1被測空心纖維血液透析器的型號、流量、跨膜壓設定值、批次、排水量、超濾率、操作員及測試中的排水量監控曲線圖等信息；點擊“下一頁”按鈕可以切換到圖7所示的檢測系統工位2打印界面，點擊“返回”按鈕可以切換到圖4所示的檢測系統主界面，點擊“打印”按鈕可以將當前界面打印出來。

圖7 系統工位2 打印界面

由圖7所示，系統工位2打印界面可以顯示工位2被測空心纖維血液透析器的型號、流量、跨膜壓設定值、批次、排水量、超濾率、操作員及測試中的排水量監控曲線圖等信息；點擊“上一頁”可以切換到圖6所示的檢測系統工位1打印界面，點擊“返回”按鈕可以切換到圖4所示的檢測系統主界面，點擊“打印”按鈕可以將當前界面打印出來。

3 系統測試結果

本研究中的被測元件為空心纖維血液透析器，其性能指標的檢測與產品質量密切相關，檢測時要求檢測系統檢測結果準確可靠，所以必須對檢測系統所用元件進行準確性與重復性精度測試。

第一，將兩臺血泵流速設定為200 ml/min，測試3 min，重復測試5 次；將兩臺血泵流速設定為300 ml/min，測試3 min，重復測試5次。測試結果見表2。

表2 檢測系統對血泵的測試結果（測試時長3 min）

第二，將50 g 的砝碼分別放在兩臺電子秤上，重復稱重5次；將100 g 的砝碼分別放在兩臺電子秤上，重復稱重5次。測試結果見表3。

表3 檢測系統對電子秤的測試結果（g）

第三，將校準壓力表用三通分別與兩個工位上的壓力傳感器連接，使校準壓力表顯示為50、100 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），觀察每個壓力傳感器的顯示值，并分別重復測試5次。測試結果見表4。

表4 檢測系統對壓力傳感器的測試結果（mmHg）

第四，取一支空心纖維血液透析器分別在工位1和工位2上進行檢測，將流速分別設定為200、300 ml/min，跨膜壓分別設定為50、100、500 mmHg，在跨膜壓穩定后，分別在測試計時的第1、2、3、4、5分鐘記錄當前跨膜壓數值。測試結果見表5。

表5 檢測系統對空心纖維血液透析器的測試結果（mmHg）

由測試結果可知，本檢測系統所用檢測元件準確、穩定、可靠；在檢測空心纖維血液透析器超濾率的過程中，本檢測系統可以提供一個在誤差允許范圍（±10%）內的跨膜壓，從而準確地得出被測空心纖維血液透析器的超濾率，檢測過程全部自動化，提高了檢測質量，可代替人工對空心纖維血液透析器超濾率進行準確檢測，達到了設計要求[13]。

4 小結

本研究對空心纖維血液透析器超濾率檢測系統進行了精心的設計，采用伺服電機控制閥門開度及電動升降臺調節廢液出口高度，可確保跨膜壓控制穩定，檢測過程全自動化，采集數據準確，減少了人工誤差的引入，滿足了生產中對空心纖維血液透析器超濾率檢測的需求。相較于目前功能單一的超濾率檢測裝置，該設計適用范圍更廣，且對空心纖維血液透析器的推廣使用和評價體系的建立具有推動意義[14]。