土壤修复原位通风智能控制系统设计研究

王素芹

（衡水职业技术学院，衡水 053000）

随着经济的发展，全球环境问题日益突出。各国纷纷开始着手治理土壤污染，大力培养土壤修复专门人才，研究土壤修复技术和设备，使得土壤治理和修复技术取得了显著进展。随着我国工农业的迅猛发展，土地资源日益紧张，土壤环境污染问题日益严重，导致土壤治理和修复迫在眉睫。因此，我国加大土壤治理和修复技术的研究力度，在土壤治理中选择省时省力且不容易造成二次污染的原位修复方式。

原位修复是通过物理、化学和生物等方法，对被污染的土壤在原地完成无害化处理，其中物理方法和化学方法主要针对各种化学和重金属造成的工业场地污染[1]。文章采用原土原位通风修复方式，利用离心风机对土壤进行补气和注气，增加土壤中空气的通风量，加快污染物的降解和转化，从而完成土壤修复。原位通风修复方式保留了原土位置，减少了原土的运输成本，一方面提高了原土利用率，另一方面节省了车辆和人力成本，降低了车辆噪声和尾气排放对环境的污染，减少了车辆对道路的损坏和占用等问题的发生。

传统的低压电气控制方式存在体积大、接线多、排故困难以及不易升级改造等缺点，且易出故障，寿命短。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代低压电气控制，在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能，极大地改善了系统稳定性。文章设计了一款PLC土壤原位通风智能控制系统，利用“PLC+变频器”对离心风机进行变频调速控制，从而控制土壤中的空气流量、温度及压力等参数，使土壤通风效果更加高效安全，增加了土壤中的氧气含量，加速了污染物降解，达到了降解土壤污染物的目的。此外，控制系统增加了实时监测功能，可为土壤修复原位通风系统的节能及维护提供助益[2]。

1 系统整体设计

本系统中央处理器（Central Processing Unit，CPU）选用西门子PLC，结合空气压力传感器和变频器构成控制系统，外加防爆电动蝶阀、交流接触器及热继电器等构成电气保护系统进行联锁和过热保护，避免离心风机和PLC工作过程中因电压电流波动过大或气压超过规定值而受到损害。通风控制系统由两台风机轮流工作。每台风机由两组形成对旋的扇片组成，一组扇片用于吸风，一组扇片用于增加风速。每组扇片由一台电机驱动，为注气管道供风。PLC用于控制变频器和机组的启动与运行，通过空气压力传感器和温度传感器检测气压和温度，同时增加了报警功能。PLC与空气压力传感器、温度传感器、变频器配合使用，可提高设备的运行效率、安全性和可靠性，减少通风机的运行故障，确保控制系统高效快速运行。控制系统整体设计如图1所示。

图1 控制系统方案设计

系统设计采用自动控制工作模式，可以实时监测各设备的工作状态。如果设备发生异常，系统可以监测故障信息并实现报警。利用空气压力传感器和温度传感器监测注气管道内的空气压力信号和温度信号，再利用温度变送器和压力变送器将传感器输出的模拟信号转变为可以被PLC识别的信号。通常将4～20 mA的直流电流模拟信号或者0～5 V的直流电压模拟信号送入模拟/数字（Analog/Digital，A/D）模块转换成数字信号，然后将数字信号输入PLC进行处理。

PLC将检测到的温度信号和压力信号与设定值进行比较，根据比较结果控制通风机的工作状态。当注气管道内的空气压力和温度超出设定值时，PLC输出信号控制两个机组轮流工作。当注气管道内的空气压力和温度低于设定值时，PLC输出信号控制两个机组同时工作，以提高注气管道内的空气流量和温度，加快土壤污染物的降解速度。直到注气管道内的气压和温度升至设定值以上，工作通风机与备用通风机恢复轮流工作[3]。如此循环往复，既保证了土壤内的空气流量和温度，又不会因为气压和温度过高而导致爆炸等危险发生，可以确保注气管道内有足够的氧气来加速好氧生物的降解过程。通风控制系统中，温度传感器检测气体温度，如果温度高于设定值，传感器检测到的信号通过A/D模块转换成数字信号送入PLC进行比较和处理，控制通风机停止工作，并输出信号自动切断注气管道下的防爆电动蝶阀，防止发生爆炸事故。

2 系统硬件设计

系统硬件电路由主控板（Main Control Panel，MCP）、离心风机、就地控制柜（Local Control Panel，LCP）、变频电机（Variable Frequency Drive，VFD）、压力传感器、温度传感器、防爆电动蝶阀、旁通阀以及供电主回路等构成[4]。该系统的控制核心是西门子PLC，执行元件为变频电机和风扇灯。变频器启动/停止命令、变频器运行确认、故障、变频器转速转矩、变频器转速设定等信号，由就地控制柜送给变频电机控制其动作。注气管道内的风机、电动机温度信号、入口温度信号、出口压力信号、旁通阀开关命令以及旁通阀到位命令等，由就地控制柜传输给电动机控制其工作。就地控制柜和主控板之间通过PROFIBUSDP进行通信。系统硬件电路如图2所示。

图2 系统硬件电路图

3 系统控制电路设计

系统控制电路由PLC和EM235模拟量输入输出模块构成，外接输入按钮、温度传感器、压力传感器、交流接触器及电动机等。输入按钮用于手动控制风机的启动停止。温度传感器和压力传感器采集的温度和压力信号通过EM235输入PLC，PLC处理后将输出信号送给变频器，由PLC自动控制风机的启动、切换以及停止[5]。系统控制电路输入输出接线图如图3所示。

图3 PLC输入输出接线图

4 系统软件设计

该系统软件设计采用顺序控制和离散控制相结合的方式。通过数据采集子程序将采集的温度和空气压力值执行数值进行比较，再用比较结果控制两个机组的工作状态。设定由温度传感器传送来的温度值为D0，用户设定温度值的上限为D1，空气压力传感器传来的压力值为F0，用户要求的注气管道内气压值为F1[5]，则系统软件设计流程如图4所示。

图4 系统软件设计流程图

系统软件设计主要用到了顺序控制和比较指令，能根据注气管道内温度值和空气压力值控制变频器，从而控制风机的工作状态，达到节能和提高效率的目的。

5 结语

利用PLC变频器和风机通风系统进行原位通风，深化土壤修复原位通风技术的智能化程度，在节能降耗的同时增强设备的稳定性、可靠性，增加实时监测及移动物联的功能，方便运维人员管理设备，提升对土壤修复过程的控制能力，节省劳动力，具有一定的推广价值。