PLC 在鎧甲坑探方風幕控制系統中的研究與應用

李朱德，漆鵬程，羅昔聯，孟祥兆，王 建，顧子超

（1.西安交通大學，陜西 西安 214100；2.江蘇金通靈光核能源科技有限公司，江蘇 無錫 214106）

文物是歷史文化傳承的重要載體，提升文物保護技術水平是國家文化安全的重要措施，也是中國作為文明古國的國際責任。巨大的文物藏量對我國文物保護技術及展存方式提出了迫切需求[1]。

由于很多文物本身質地的脆弱性，且在文物保存的環境溫濕度、灰塵等方面存在技術不足，文物的損壞得到了越來越多的重視[2]。漢陽陵是國內第一個采用全封閉結構的地下博物館，通過玻璃密封文物空間并實現游客和文物隔離，博物館實際運行結果表明，這樣的隔離雖然維持了文物空間環境相對穩定，但仍然發生了開裂、霉變、泛堿等現象，并未完全抑制文物病害。[3]西安交大顧兆林團隊研制開發了文物環境調控多場耦合實驗艙系統，利用空氣幕原理實現文物保存區和游客游覽區的隔離，對文物展陳效果影響小，通過實驗研究表明該系統具有良好的隔離效果，并具有良好的實踐推廣價值[4]。

本文針對秦俑博物院鎧甲坑探方風幕隔離系統，為提升該實驗系統的調控水平，服務于文物保護技術實驗研究與示范應用，設計開發了基于PLC 的風幕調控系統，具有重要的理論研究價值和示范應用價值。

1 總體方案設計

1.1 風幕系統簡介

風幕系統是該系統的核心部件，由送風管道、送風風箱、送風風口、導流機構、回風管道、回風風箱、擋邊、空氣處理機組等組成。PLC 將采集到的環境信息處理判斷后，控制熱泵進行制熱或制冷，使空氣溫濕度達到基本要求，由組合式空調機組中電熱絲、加濕器進行精調后，由變頻器帶動風機將空氣從送風口輸出，從而形成風幕系統，將回風口的回風進行回收。

1.2 控制要求

為適應秦始皇帝陵博物院鎧甲坑環境調控技術需求，對風幕系統提出的了較高的控制目標和參數復雜和寬范圍調節能力需求。通過控制系統，將射流角度控制在-10°～20°可調范圍，調節精度達到±1°；導流板的送風風量控制在0m3/s～6000m3/s 可調，調節精度±1m3/s；坑內溫度控制在16℃～20℃，調節精度±0.5℃；坑內相對濕度為50%～90%，調節精度±2%[5]。

1.3 控制系統的結構

本文采用PLC 控制鎧甲坑探方風幕系統，系統結構框圖如圖1。系統由溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、組態王、PLC、APP、熱泵、濕度調控模塊、變頻器、風機等組成。

圖1 系統控制結構圖

1.4 控制系統的工作原理

鎧甲坑探方風幕控制系統運行的工作原理是PLC通過溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器等采集信號，通過模擬量控制和以太網協議把信號顯示在組態王界面和手機APP 界面上，通過CPU 把采集到的信息進行數據處理，根據預設的程序邏輯控制熱泵、濕度調控模塊、變頻器等，從而為鎧甲坑提供風幕來保護坑道內的環境，并且實現調控坑道內的風速、溫度、濕度等功能[6]。

本文采用模塊化的控制策略進行控制，具體控制策略如下：

1.溫度調控：PLC 控制熱泵啟動，熱泵根據PLC的運行策略運行，改變水箱里的水的溫度，水箱里的水和風道里的空氣通過換熱器進行換熱，換熱后的空氣通過風機傳送到坑道的送風口，進而改變坑道內的溫度。為了提高溫度控制精度，選用精度較高的溫度傳感器，PID 計算方法。

2.濕度調控：PLC 控制濕度調控模塊啟動，濕度調控模塊根據PLC 的運行策略運行，改變風道內空氣的濕度，濕度改變后的空氣通過風機傳送到坑道的送風口，進而改變坑道內的濕度。為了提高溫度控制精度，選用精度較高的濕度傳感器，PID 計算方法。

3.風速調控：PLC 通過modbus 協議控制變頻器啟動，變頻器根據PLC 的運行策略運行，改變風道內空氣的流速，一定流速的空氣通過風機傳送到坑道的送風口，回風口對空氣進行回收，進而形成一面無形的風幕[7-8]。

1.5 硬件設計

在本文PLC 控制系統中，為了適應系統控制需求，使用的PLC 共有16 路數字輸入，16 路數字輸出，12路模擬量輸入，1 路模擬量輸出。具體分配如表1 所示。

表1 I/O 分配表

1.6 軟件設計

軟件分為：主程序、初始化、溫度轉換、濕度轉換、風速轉換和中斷程序五個部分。建立Modbus 通訊協議，用來接收溫濕度傳感器與風速傳感器的信息，并存儲在相應的內存空間里；在手動模式下，可根據用戶的需要，控制如風機、水泵等器件的啟停[9]，當風機停止時，電熱絲也需停止工作，否則可能會導致組合式空調機內溫度過高，機器損壞；自動模式下，將檢測到的環境參數與設定值對比，自動判斷應該加熱或制冷，加濕或除濕，控制相應的器件動作。根據設定的風速值，將其轉換為相應的模擬量后，控制變頻器運行，帶動風機形成風幕。

2 系統調試

2.1 實驗裝置

在鎧甲坑外側搭建一個設備間，設備間內有可調式空調機組，設備房外有熱泵、水箱、水泵等，可調式空調機組通過風管連接到風幕系統。

2.2 實驗方法及數據分析

PLC 控制程序設計，將程序下載到PLC 中，閉合電源給PLC 上電系統開始運行。系統在自動運行模式下，先后開啟風機、水泵、熱泵、濕度調控模塊等，界面上顯示實時溫度、實時濕度、實時風量；設定溫度、設定濕度，設定風量等。

導流板和送風風口通過鉸鏈連接，為了保證它們之間的密封性，導流板和送風風口上下兩個側面采用帆布軟連接進行密封。導流板是依靠2 只直線電機來控制射流角度的，經實際測量射流角度在-10°～20°波動。

以下實驗是設定風量、濕度、溫度到一定的目標值，判斷控制系統是否能達到目標值，放置3 只風速儀在送風風口的中間，設定合適的射流角度，改變變頻器的頻率，測量3 只風速儀的平均風速，計算機根據截面積計算出鎧甲坑的送風量。

放置6 只濕度傳感器在坑道內部，調整系統的濕度調控模塊，得出鎧甲坑平均濕度曲線圖。

放置6 只溫度傳感器在坑道內部，調整鎧甲坑熱泵模塊溫度，帶有一定溫度的空氣傳遞到送風風口附近，進而調整鎧甲坑平均溫度。

從以上可得出，系統達到了鎧甲坑空氣幕的控制目標：射流角度控制在-10°～20°可調；送風風口風量控制在0m3/s～6000m3/s 可調；坑內溫度控制在19℃～25℃可調；坑內相對濕度為50%～90%可調。

3 結論

本文設計了一種基于PLC 的鎧甲坑探方風幕控制系統，通過查閱國內外資料，了解現階段鎧甲坑文物保護現狀以及風幕系統的應用。學習并設計基于PLC的風速、溫濕度控制方法，最終確定設計方案，開展了相關實驗驗證，得出以下結論：

1.通過本文的設計與調試，該風幕系統能夠實現對鎧甲坑的送風風口的射流角度、風量、溫濕度等控制，同時隔絕外界污染氣體影響，為文物保護的研究提供了基礎條件。

2.該控制系統可以開展后續的實驗研究，確定風機最適宜的風速以及送風仰角，研究坑道內部溫濕度的分布及文物保存區溫濕度的分布。

3.該風幕系統需要改進的地方，比如對于溫濕度的控制只是給它設定了一個標準值，將實際值與標準值對照控制相應的器件。而由于溫度變化存在一定的慣性，當器件停止工作時，傳感器檢測到的環境溫度等信息依舊會產生一定的變化，存在一定的波動，不一定能做到絕對的恒溫恒濕，后期可以嘗試PID 控制改進。