王素芹

（衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，衡水 053000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球環(huán)境問題日益突出。各國紛紛開始著手治理土壤污染，大力培養(yǎng)土壤修復(fù)專門人才，研究土壤修復(fù)技術(shù)和設(shè)備，使得土壤治理和修復(fù)技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，土地資源日益緊張，土壤環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤治理和修復(fù)迫在眉睫。因此，我國加大土壤治理和修復(fù)技術(shù)的研究力度，在土壤治理中選擇省時(shí)省力且不容易造成二次污染的原位修復(fù)方式。

原位修復(fù)是通過物理、化學(xué)和生物等方法，對(duì)被污染的土壤在原地完成無害化處理，其中物理方法和化學(xué)方法主要針對(duì)各種化學(xué)和重金屬造成的工業(yè)場地污染[1]。文章采用原土原位通風(fēng)修復(fù)方式，利用離心風(fēng)機(jī)對(duì)土壤進(jìn)行補(bǔ)氣和注氣，增加土壤中空氣的通風(fēng)量，加快污染物的降解和轉(zhuǎn)化，從而完成土壤修復(fù)。原位通風(fēng)修復(fù)方式保留了原土位置，減少了原土的運(yùn)輸成本，一方面提高了原土利用率，另一方面節(jié)省了車輛和人力成本，降低了車輛噪聲和尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染，減少了車輛對(duì)道路的損壞和占用等問題的發(fā)生。

傳統(tǒng)的低壓電氣控制方式存在體積大、接線多、排故困難以及不易升級(jí)改造等缺點(diǎn)，且易出故障，壽命短?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）取代低壓電氣控制，在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能，極大地改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。文章設(shè)計(jì)了一款PLC土壤原位通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，利用“PLC+變頻器”對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，從而控制土壤中的空氣流量、溫度及壓力等參數(shù)，使土壤通風(fēng)效果更加高效安全，增加了土壤中的氧氣含量，加速了污染物降解，達(dá)到了降解土壤污染物的目的。此外，控制系統(tǒng)增加了實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，可為土壤修復(fù)原位通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能及維護(hù)提供助益[2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中央處理器（Central Processing Unit，CPU）選用西門子PLC，結(jié)合空氣壓力傳感器和變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，外加防爆電動(dòng)蝶閥、交流接觸器及熱繼電器等構(gòu)成電氣保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖和過熱保護(hù)，避免離心風(fēng)機(jī)和PLC工作過程中因電壓電流波動(dòng)過大或氣壓超過規(guī)定值而受到損害。通風(fēng)控制系統(tǒng)由兩臺(tái)風(fēng)機(jī)輪流工作。每臺(tái)風(fēng)機(jī)由兩組形成對(duì)旋的扇片組成，一組扇片用于吸風(fēng)，一組扇片用于增加風(fēng)速。每組扇片由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為注氣管道供風(fēng)。PLC用于控制變頻器和機(jī)組的啟動(dòng)與運(yùn)行，通過空氣壓力傳感器和溫度傳感器檢測氣壓和溫度，同時(shí)增加了報(bào)警功能。PLC與空氣壓力傳感器、溫度傳感器、變頻器配合使用，可提高設(shè)備的運(yùn)行效率、安全性和可靠性，減少通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行故障，確?？刂葡到y(tǒng)高效快速運(yùn)行。控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自動(dòng)控制工作模式，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各設(shè)備的工作狀態(tài)。如果設(shè)備發(fā)生異常，系統(tǒng)可以監(jiān)測故障信息并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。利用空氣壓力傳感器和溫度傳感器監(jiān)測注氣管道內(nèi)的空氣壓力信號(hào)和溫度信號(hào)，再利用溫度變送器和壓力變送器將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员籔LC識(shí)別的信號(hào)。通常將4～20 mA的直流電流模擬信號(hào)或者0～5 V的直流電壓模擬信號(hào)送入模擬/數(shù)字（Analog/Digital，A/D）模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)輸入PLC進(jìn)行處理。

PLC將檢測到的溫度信號(hào)和壓力信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)注氣管道內(nèi)的空氣壓力和溫度超出設(shè)定值時(shí)，PLC輸出信號(hào)控制兩個(gè)機(jī)組輪流工作。當(dāng)注氣管道內(nèi)的空氣壓力和溫度低于設(shè)定值時(shí)，PLC輸出信號(hào)控制兩個(gè)機(jī)組同時(shí)工作，以提高注氣管道內(nèi)的空氣流量和溫度，加快土壤污染物的降解速度。直到注氣管道內(nèi)的氣壓和溫度升至設(shè)定值以上，工作通風(fēng)機(jī)與備用通風(fēng)機(jī)恢復(fù)輪流工作[3]。如此循環(huán)往復(fù)，既保證了土壤內(nèi)的空氣流量和溫度，又不會(huì)因?yàn)闅鈮汉蜏囟冗^高而導(dǎo)致爆炸等危險(xiǎn)發(fā)生，可以確保注氣管道內(nèi)有足夠的氧氣來加速好氧生物的降解過程。通風(fēng)控制系統(tǒng)中，溫度傳感器檢測氣體溫度，如果溫度高于設(shè)定值，傳感器檢測到的信號(hào)通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入PLC進(jìn)行比較和處理，控制通風(fēng)機(jī)停止工作，并輸出信號(hào)自動(dòng)切斷注氣管道下的防爆電動(dòng)蝶閥，防止發(fā)生爆炸事故。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由主控板（Main Control Panel，MCP）、離心風(fēng)機(jī)、就地控制柜（Local Control Panel，LCP）、變頻電機(jī)（Variable Frequency Drive，VFD）、壓力傳感器、溫度傳感器、防爆電動(dòng)蝶閥、旁通閥以及供電主回路等構(gòu)成[4]。該系統(tǒng)的控制核心是西門子PLC，執(zhí)行元件為變頻電機(jī)和風(fēng)扇燈。變頻器啟動(dòng)/停止命令、變頻器運(yùn)行確認(rèn)、故障、變頻器轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、變頻器轉(zhuǎn)速設(shè)定等信號(hào)，由就地控制柜送給變頻電機(jī)控制其動(dòng)作。注氣管道內(nèi)的風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)、入口溫度信號(hào)、出口壓力信號(hào)、旁通閥開關(guān)命令以及旁通閥到位命令等，由就地控制柜傳輸給電動(dòng)機(jī)控制其工作。就地控制柜和主控板之間通過PROFIBUSDP進(jìn)行通信。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制電路由PLC和EM235模擬量輸入輸出模塊構(gòu)成，外接輸入按鈕、溫度傳感器、壓力傳感器、交流接觸器及電動(dòng)機(jī)等。輸入按鈕用于手動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)停止。溫度傳感器和壓力傳感器采集的溫度和壓力信號(hào)通過EM235輸入PLC，PLC處理后將輸出信號(hào)送給變頻器，由PLC自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、切換以及停止[5]。系統(tǒng)控制電路輸入輸出接線圖如圖3所示。

圖3 PLC輸入輸出接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用順序控制和離散控制相結(jié)合的方式。通過數(shù)據(jù)采集子程序?qū)⒉杉臏囟群涂諝鈮毫χ祱?zhí)行數(shù)值進(jìn)行比較，再用比較結(jié)果控制兩個(gè)機(jī)組的工作狀態(tài)。設(shè)定由溫度傳感器傳送來的溫度值為D0，用戶設(shè)定溫度值的上限為D1，空氣壓力傳感器傳來的壓力值為F0，用戶要求的注氣管道內(nèi)氣壓值為F1[5]，則系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要用到了順序控制和比較指令，能根據(jù)注氣管道內(nèi)溫度值和空氣壓力值控制變頻器，從而控制風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能和提高效率的目的。

5 結(jié)語

利用PLC變頻器和風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行原位通風(fēng)，深化土壤修復(fù)原位通風(fēng)技術(shù)的智能化程度，在節(jié)能降耗的同時(shí)增強(qiáng)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性，增加實(shí)時(shí)監(jiān)測及移動(dòng)物聯(lián)的功能，方便運(yùn)維人員管理設(shè)備，提升對(duì)土壤修復(fù)過程的控制能力，節(jié)省勞動(dòng)力，具有一定的推廣價(jià)值。