CN104528881B - 基于电动球阀调节的产水控制方法及装置、超纯水制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电动球阀调节的产水控制方法及装置、超纯水制备系统，该方法包括：初始化步骤，检测浓水侧排水电动球阀和回水电动球阀全开和全闭用时，获得浓水侧排水电动球阀和回水电动球阀的单位开闭度；开闭控制步骤，根据单位开闭度，控制浓水侧排水电动球阀和回水电动球阀开闭，记录实时开闭度，并通过检测信号的反馈对实时与单位开闭度进行校正；压差标定步骤，通过调节浓水侧排水电动球阀和回水电动球阀的开闭度，获得反渗透膜的浓水侧达到目标流量时反渗透膜进水侧与浓水侧的压差，作为目标压差；联动调节步骤，通过调节高压泵、浓水侧排水和回水电动球阀的开闭度，达到目标压差和目标流量。本发明降低了成本且提高了控制精度。

Description

基于电动球阀调节的产水控制方法及装置、超纯水制备系统

技术领域

本发明涉及医疗用超纯水制备技术领域，尤其涉及一种基于电动球阀调节的产水控制方法及产水控制装置，和具有该产水控制装置的超纯水制备系统。

背景技术

血液透析用超纯水制备系统(本说明书中均简称为超纯水制备系统)需要通过控制反渗透膜进水侧压力及反渗透膜浓水侧流量及压力来使反渗透膜达到最佳使用状态，保证产血液透析用超纯水质量的同时，提高反渗透膜的使用寿命。

现有的超纯水制备系统，在反渗透膜浓水侧采用的是手动球阀来控制水流通路各支路的开度，进而控制浓水侧排水流量以及回收率，从而可控制产水流量及压力等参数。而手动球阀须由专门技术人员进行调节，且在医院现场调节好后固定不变，因而其使用具有一定的局限性。特别是当对现有超纯水制备系统进行工艺流程改进时，手动球阀的局限限制了新工艺流程的改进设计。

针对上述问题，本领域技术人员考虑利用电动球阀代替手动球阀，并基于电动球阀设计新的使用和控制方法，从而使超纯水制备系统具有更高的可控度。

然而，电动球阀可以分为两种，一种是仅可以进行开关控制的电动球阀，本说明书中称之为开关电动球阀；另一种是既可以进行开关控制，还可以直接进行开闭度调节的电动球阀，本说明书称之为开度调节电动球阀。前者成本低，但不能直接进行开度调节，而后者可以直接用于产水控制，提高了控制精度，但大大提高了生产成本。

因此，需要开发一种新的用于超纯水制备系统的产水控制方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产水控制方法，以解决现有技术中的超纯水制备系统中降低成本与提高控制精度不能兼顾的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种产水控制装置，以解决现有技术中的超纯水制备系统中降低成本与提高控制精度不能兼顾的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种具有本发明产水控制装置的超纯水制备系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于电动球阀调节的产水控制方法，用于超纯水制备系统，所述超纯水制备系统包括反渗透膜、高压泵、浓水侧排水电动球阀、浓水侧回水电动球阀、进水压力传感器、浓水压力传感器及产水流量计、浓水排水流量计；所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀均为开关电动球阀，所述产水控制方法包括：

初始化步骤，检测所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀全开和全闭所用时间，获得所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的单位开闭度；

开闭控制步骤，根据所述单位开闭度，控制所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀开闭，记录实时开闭度，并通过检测信号的反馈对记录的所述实时开闭度和所述单位开闭度进行校正；

压差标定步骤，通过调节所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，获得所述反渗透膜的浓水侧达到目标流量时所述反渗透膜进水侧与浓水侧的压差，作为目标压差；

联动调节步骤，通过调节所述高压泵、所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，达到所述目标压差和所述目标流量。

一种产水控制装置，用于超纯水制备系统，所述超纯水制备系统包括反渗透膜、高压泵、浓水侧排水电动球阀、浓水侧回水电动球阀、进水压力传感器、浓水压力传感器及产水流量计；其特征在于，所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀均为开关电动球阀，所述产水控制装置包括：

初始化模块，用以检测所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀全开和全闭所用时间，获得所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的单位开闭度；

开闭控制模块，用以根据所述初始化模块传来的所述单位开闭度，控制所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀开闭，记录实时开闭度，并通过检测信号的反馈对记录的所述实时开闭度和所述单位开闭度进行校正；

压差标定模块，用以根据所述开闭控制模块传来的校正结果，调节所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，获得所述反渗透膜的浓水侧达到目标流量时所述反渗透膜进水侧与浓水侧的压差，作为目标压差；

联动调节模块，用以根据所述开闭控制模块传来的校正结果和所述压差标定模块传来的所述目标压差，调节所述高压泵、所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，达到所述目标压差和所述目标流量。

本发明的超纯水制备系统，具有本发明的产水控制方法。

本发明的有益效果在于，本发明的产水控制方法，由于使开关电动球阀具有开闭度调节的功能，因此给新工艺流程的改进设计带来了便利。针对开关电动球阀的特点，本发明在电动球阀的开闭度计算、电动球阀开闭度控制、反渗透膜进水侧浓水侧压差计算标定以及反渗透产水流量及压力控制方面提出了一些新的使用和控制方法，从而提高了开关电动球阀的可控度，并改进了超纯水制备系统产水控制流程及方法，使超纯水制备系统具备更高的自动化程度。

本发明的产水控制方法，能利用简单的方法控制复杂的多变量系统，有效地将一个复杂非线性系统的控制问题简化成线性系统，利用本方法能有效地提高整个反渗透装置可控性，并提高了控制可靠性。

本发明的基于电动球阀调节的产水控制方法在反渗透装置产水工艺流程中实时进行，从而保证各关键变量稳定达到目标值。本发明利用成本较低的开关电动球阀来控制产水工作流程，在保证产血液透析用超纯水质量的同时降低了系统的制造成本，有效延长超纯水制备系统中反渗透膜的使用寿命，且方法简单可靠，避免了复杂的控制算法，提高了整个系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施例的超纯水制备系统的结构示意图。

图2为本发明实施例产水控制方法的流程示意图。

图3为本发明实施例产水控制装置的模块结构示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的保护范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例的产水控制方法，适用于本发明实施例的产水控制装置，也适用于本发明实施例的超纯水制备装置。

本发明实施例的超纯水制备系统，具有本发明实施例的产水控制装置。

图1为本发明实施例的超纯水制备系统结构示意图，其主要工作部件为反渗透膜3、高压泵1、两个开关电动球阀5、7、两个流量计4、8和两个压力传感器2、6；另外，本发明实施例的超纯水制备系统具有进水口9、产水口10和排水口11。

反渗透膜3是本发明实施例的超纯水制备系统的核心部件，进水口9、产水口10和排水口11分别位于反渗透膜3的原水进水侧、产水出水侧和浓水出水侧。

其中，高压泵1为整个产水循环提供动力，设置在进水口9与反渗透膜3之间。通过对高压泵1的变频控制，调节反渗透膜3的进水侧压力，最终使得产水流量达到目标值。但本发明并不局限于使用变频高压泵，也可以是采取变频控制的高压泵，也可以使用其它类型的高压泵。

进水压力传感器2和浓水压力传感器6紧邻反渗透膜3，分别设置于反渗透膜3的原水进水侧和浓水出水侧，分别用于感测反渗透膜3的原水进水侧压力和浓水出水侧压力。

产水流量计4和浓水侧排水流量计8，分别用于计量本发明实施例的超纯水制备系统的产水流量和浓水排水流量，其中，原水进水流量等于产水流量+浓水排水量，浓水侧总流量等于浓水排水流量+浓水回水流量。因此，可使用浓水排水流量计算浓水回水流量。

浓水侧回水电动球阀5和浓水侧排水电动球阀7均设置于浓水压力传感器6的下游，均为开关电动球阀，用于调节浓水侧的回水与排水的比例。浓水侧浓水部分由排水口11排出，部分回收经由浓水侧回水电动阀5回流至反渗透膜3的原水进水侧。

本发明实施例的产水控制方法，需要控制的关键变量为：反渗透膜3的进水侧压力，排水口11的排水流量，反渗透膜3的浓水侧总流量，产水口10的产水流量，浓水回流的回收率。总之，目标是在产水流量保持稳定(稳定在目标值)的前提下，调节浓水回水量与浓水排水量的比例，提高回收率。而使得产水流量保持稳定，则是为提高反渗透膜3的使用寿命，使产水流量保持稳定的方法是调节进水侧与浓水侧的压差。

本发明实施例的产水控制方法，控制点有三个，也就是说被控制器件有三个：高压泵1、浓水侧回水电动球阀5和浓水侧排水电动球阀7。高压泵1在产水工作流程中采用变频控制，反渗透膜3流量及压力变化是个非线性过程，且上述三个控制点的控制皆为非线性控制，这就给整个控制带来了复杂性和难度。针对这些问题，本发明实施例的产水控制方法，具体包含四大步骤，如图2所示，分述如下：

步骤S1、初始化步骤

初始化步骤，是进行两个开关电动球阀5、7的开闭度校正计算标定。为了达到节约成本的目的，本发明的超纯水制备系统，采用的电动球阀是开关电动球阀，如不进行校正计算标定，控制本发明所用的电动球阀时不能给定具体开度模拟量，只能给定开关量控制其打开或者关闭。

首先本发明实施例的超纯水制备系统在启动时进行自检，并且是每次启动时都进行自检，通常是一天启动一次。在自检时，控制浓水侧回水电动球阀5、浓水侧排水电动球阀7完全打开然后完全关闭(或者是先完全关闭再完全打开)，分别记录浓水侧回水电动球阀5全开过程需要的时间TO5、浓水侧回水电动球阀5全闭过程需要的时间TC5、浓水侧排水电动球阀7全开过程需要的时间TO7、浓水侧排水电动球阀7全闭过程需要的时间TC5。之后对这四个时间值进行求倒数，则得到浓水侧回水电动球阀5、浓水侧排水电动球阀7的单位开闭度，分别为：RO5＝1/TO5，RC5＝1/TC5，RO7＝1/TO7，RC7＝1/TC7，单位开闭度的意义为单位时间内电动球阀的开闭度。如果在自检过程中有开关电动球阀不能完全打开或者关闭则进行报警并停止工作。

步骤S2、开闭控制步骤

本发明实施例的产水控制方法，在进行上述标定后，就可以对开关电动球阀5、7的开闭度进行控制。这里所说的控制，不在是简单的进行开关控制，而是根据开关电动球阀5、7的单位开闭度，按照开关电动球阀5、7实际所需的开闭度，进行开闭度控制，因此在低成本的情况下提高了控制的精度。

根据步骤S1标定的浓水侧回水电动球阀5、浓水侧排水电动球阀7的单位开闭度，控制开关电动球阀5、7的开闭，并实时记录并存储开关电动球阀5、7的实时开闭度值。同时，也需要以一定频率发送检测信号对开关电动球阀5、7的实际开关情况进行检测，当全开或者全闭的反馈开关信号为高电平时，需对实时开闭度和单位开闭度进行校正，消除累计误差，确保控制过程的准确性，以便用于后续步骤。

步骤S3、压差标定

本发明实施例的产水控制方法，第三个步骤为反渗透膜3进水侧浓水侧压差计算标定。

反渗透膜3具有如下特点，反渗透膜3进水侧压力(由进水压力传感器2测定)与浓水侧压力(由浓水压力传感器6测定)的差值与浓水侧流量为一一对应关系，即：当进水侧与浓水侧压力差值一定时，其浓水侧流量一定，同时也就是说，上述压力一定时，产水流量也是一定的。

而反渗透膜3进行工作时，为了达到较好使用效果延长其使用寿命，需要保证一定的浓水侧流量。根据反渗透膜3厂家提供的产品说明书等资料，可查得反渗透膜3工作时建议的浓水侧目标流量FVg。

针对上述特点，本发明实施例的产水控制方法，压差标定步骤的具体步骤为：

如图1所示，首先将浓水侧回水电动球阀5完全关闭，打开浓水侧排水电动球阀7，然后以工频启动高压泵1。由于浓水侧回水电动球阀5全闭，因此浓水侧排水流量计8测得的是反渗透膜3的浓水侧总流量。根据浓水侧排水流量计8的测量值来调节浓水侧排水电动球阀7，使浓水侧排水流量计8达到目标流量FVg；当浓水侧排水流量计8测量值达到目标流量FVg且稳定下来时，记录进水压力传感器2与浓水压力传感器6的压力差值PSg。后续产水工作控制时，即以此压力差值PSg作为控制目标值，也即目标压力。

步骤S4、联动调节步骤

本发明实施例的产水控制方法，步骤S4为联动调节步骤，也就是通过依次对高压泵1、浓水侧排水电动球阀7和浓水侧回水电动球阀5进行调节，对反渗透膜3产水流量、回收率及压力差值进行联动控制，达到各自的目标值。

反渗透膜3产水工作时需要控制的关键变量如下：反渗透膜3的进水侧压力，排水口11的排水流量，反渗透膜3的浓水侧总流量，浓水回水的回收率，产水口10的产水流量。

开始工作时，首先根据以往各控制点的工作参数记录，来对浓水侧回水电动球阀5和浓水侧排水电动球阀7的开度进行预调节。

具体步骤如下：

步骤S41，通过产水流量控制高压泵1的变频器工作频率，控制反渗透膜3的进水侧压力，该控制从进水压力传感器2的压力值得到反馈，使得产水流量稳定，且达到目标值；

步骤S42，通过调节浓水侧排水电动球阀7的开度来控制浓水侧排水流量，该控制从浓水侧排水流量计8的流量值得到反馈，使得使浓水侧排水流量计8达到目标流量FVg，保证回收率；

步骤S43，浓水侧排水电动球阀7的开闭度固定不变，开始调节浓水侧回水电动球阀5的开闭度，此时进水压力传感器2和浓水压力传感器6的测量值会随之变化，当浓水侧回水电动球阀5开度增大时，进水压力传感器2和浓水压力传感器6之间的压力差会增大，反之，当浓水侧回水电动球阀5开度减小时，进水压力传感器2和浓水压力传感器6之间的压力差则变小，当进水压力和浓水压力差值稳定达到目标压差值PSg时，停止调节浓水侧回水电动球阀5，此时反渗透膜3的浓水侧总流量亦达到目标流量FVg；当反渗透膜3的浓水侧总流量达到目标流量FVg，且通过步骤S42稳定浓水侧排水流量之后，两者之差即为浓水回水流量，原水回收率(产水流量与产水流量+浓水排水流量之和的比值)也就确定了。

步骤S44，通过控制高压泵1的工作频率可调节反渗透膜3的进水侧压力，同步进行步骤S43稳定浓水流量，此时可控制产水口10的产水流量，即产水流量计4的测量值达到目标值。

重复以上步骤S44可控制各关键变量使之达到目标值。

本发明实施例的产水控制方法，在超纯水制备系统产水工艺流程中实时进行，从而保证各关键变量稳定达到目标值。之前已提到，初始化步骤在所述超纯水制备系统启动时进行，而其他步骤，则依赖于一检测结果。本发明实施例的产水控制方法还包括检测产水流量是否超过目标产水流量范围的上限或低于目标产水流量的下限的步骤，检测到所述产水流量超过目标产水流量范围的上限或低于目标产水流量的下限时，依次进行所述开闭控制步骤、压差标定步骤和所述联动调节步骤。上述检测的时间间隔，可以是一秒，也就是说频率为1次/秒。

但是，也可以在联动控制步骤中，实时记录与存储此时各个控制点的工作参数，也即以上一次所述联动调节步骤完成时存储的高压泵1、浓水侧排水电动球阀7和所述浓水侧回水电动球阀5的工作参数直接进行所述联动调节步骤，提高效率。

下面简要介绍一下本发明实施例的产水控制装置。

如图3所示，本发明实施例的产水控制装置，包括初始化模块、开闭控制模块、压差标定模块和联动调节模块。

初始化模块，用以检测浓水侧排水电动球阀7和所述浓水侧回水电动球阀5全开和全闭所用时间，获得浓水侧排水电动球阀7和浓水侧回水电动球阀5的单位开闭度；

开闭控制模块，用以根据初始化模块传来的单位开闭度，控制浓水侧排水电动球阀7和浓水侧回水电动球阀5开闭，记录实时开闭度，并通过检测信号的反馈对记录的实时开闭度和单位开闭度进行校正；

压差标定模块，用以根据开闭控制模块传来的校正结果，调节浓水侧排水电动球阀7和浓水侧回水电动球阀5的开闭度，获得反渗透膜3的浓水侧达到目标流量时反渗透膜3进水侧与浓水侧的压差，作为目标压差；

联动调节模块，用以根据开闭控制模块传来的校正结果和压差标定模块传来的目标压差，调节高压泵1、浓水侧排水电动球阀7和浓水侧回水电动球阀5的开闭度，达到目标压差和目标流量。

本发明实施例的产水控制方法及产水控制装置，利用成本较低的开关电动球阀5、7来控制产水工作流程，在保证产水质量的同时有效延长反渗透膜使用寿命，且方法简单可靠，避免了复杂的控制算法，提高了整个系统的鲁棒性。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电动球阀调节的产水控制方法，用于超纯水制备系统，所述超纯水制备系统包括反渗透膜、高压泵、浓水侧排水电动球阀、浓水侧回水电动球阀、进水压力传感器、浓水压力传感器及产水流量计、浓水排水流量计；其特征在于，所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀均为开关电动球阀，所述产水控制方法包括：

初始化步骤，检测所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀全开和全闭所用时间，获得所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的单位开闭度；

开闭控制步骤，根据所述单位开闭度，控制所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀开闭，记录实时开闭度，并通过检测信号的反馈对记录的所述实时开闭度和所述单位开闭度进行校正；

压差标定步骤，通过调节所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，获得所述反渗透膜的浓水侧达到目标流量时所述反渗透膜进水侧与浓水侧的压差，作为目标压差；

联动调节步骤，通过调节所述高压泵、所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，达到所述目标压差和所述目标流量。

2.如权利要求1所述的产水控制方法，其特征在于，所述初始化步骤在所述超纯水制备系统启动时进行，在所述初始化步骤中，使所述浓水侧回水电动球阀和所述浓水侧排水电动球阀完全打开然后完全关闭，分别记录所述浓水侧回水电动球阀全开过程需要的时间、所述浓水侧回水电动球阀全闭过程需要的时间、所述浓水侧排水电动球阀全开过程需要的时间、所述浓水侧排水电动球阀全闭过程需要的时间，并对四个所述时间的时间值求倒数，得到所述浓水侧回水电动球阀和所述浓水侧排水电动球阀的单位开闭度。

3.如权利要求1所述的产水控制方法，其特征在于，所述产水控制方法还包括检测产水流量是否超过目标产水流量范围的上限或低于目标产水流量的下限的步骤，检测到所述产水流量超过目标产水流量范围的上限或低于目标产水流量的下限时，依次进行所述开闭控制步骤、压差标定步骤和所述联动调节步骤。

4.如权利要求3所述的产水控制方法，其特征在于，所述开闭控制步骤中，实时记录并存储所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的实时开闭度值，并以一定频率发送检测信号对所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的实际开闭情况进行检测，当全开或者全闭的反馈开关信号为高电平时，对所述实时开闭度值和所述单位开闭度进行校正。

5.如权利要求4所述的产水控制方法，其特征在于，所述高压泵为变频高压泵或采取变频控制的高压泵，进行所述压差标定的步骤包括：

将所述浓水侧回水电动球阀完全关闭，打开浓水侧排水电动球阀，以工频启动所述高压泵；

根据所述浓水侧排水流量计的流量值来调节所述浓水侧排水电动球阀，使所述浓水侧排水流量达到所述目标流量；

当浓水侧排水流量计的流量值达到所述目标流量时，记录所述进水压力传感器与所述浓水压力传感器的压力差值并将所述压力差值作为所述目标压差。

6.如权利要求5所述的产水控制方法，其特征在于，所述联动调节步骤包括：

A.控制所述高压泵的变频器工作频率，以控制所述反渗透膜的进水侧压力；

B.同步调节所述浓水侧排水电动球阀的开度来控制浓水侧排水流量；

C.使所述浓水侧排水电动球阀的开闭度不变，调节所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，当进水压力和浓水压力差值达到所述目标压差值时，停止调节所述浓水侧回水电动球阀；

D.控制所述高压泵的工作频率以调节所述反渗透膜的进水侧压力，同步进行所述C步骤以稳定所述浓水流量，以使所述产水流量达到目标值。

7.如权利要求3所述的产水控制方法，其特征在于，检测所述产水流量是否超过目标产水流量范围的上限或低于目标产水流量的下限的检测的时间间隔为一秒。

8.如权利要求7所述的产水控制方法，其特征在于，检测到所述产水流量超过目标产水流量范围的上限或低于目标产水流量的下限时，以上一次所述联动调节步骤完成时所存储的所述高压泵、所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的工作参数直接进行所述联动调节步骤。

9.一种产水控制装置，其特征在于，用于超纯水制备系统，所述超纯水制备系统包括反渗透膜、高压泵、浓水侧排水电动球阀、浓水侧回水电动球阀、进水压力传感器、浓水压力传感器及产水流量计、浓水排水流量计；其特征在于，所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀均为开关电动球阀，所述产水控制装置包括：

初始化模块，用以检测所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀全开和全闭所用时间，获得所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的单位开闭度；

开闭控制模块，用以根据所述初始化模块传来的所述单位开闭度，控制所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀开闭，记录实时开闭度，并通过检测信号的反馈对记录的所述实时开闭度和所述单位开闭度进行校正；

压差标定模块，用以根据所述开闭控制模块传来的校正结果，调节所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，获得所述反渗透膜的浓水侧达到目标流量时所述反渗透膜进水侧与浓水侧的压差，作为目标压差；

联动调节模块，用以根据所述开闭控制模块传来的校正结果和所述压差标定模块传来的所述目标压差，调节所述高压泵、所述浓水侧排水电动球阀和所述浓水侧回水电动球阀的开闭度，达到所述目标压差和所述目标流量。

10.一种超纯水制备系统，其特征在于，所述超纯水制备系统包括权利要求9所述的产水控制装置。