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    移動式人工模擬降雨系統(tǒng)設備是專門為科研實驗研制開發(fā)的一種可移動噴射型模擬仿真自然降雨設備。該系統(tǒng)設備在充分吸納借鑒當前國內外同類設備先進工藝基礎上，結合現(xiàn)代新技術的發(fā)展趨勢，大膽進行了技術創(chuàng)新。用目前世界上最為先進的垂直下噴式噴頭模擬自然降雨；控制系統(tǒng)采用先進的閉環(huán)自動控制技術，配備以高靈敏雨量計和多參量數(shù)據(jù)采集器，以終端實際降雨參數(shù)調節(jié)控制整個降雨過程，并可實時在線顯示模擬降雨的動態(tài)變化及曲線。這樣既對模擬降雨現(xiàn)場測量結果有直接參考意義，又便于很快調節(jié)雨強至實驗要求值(如無此功能，降雨前的降雨率定調節(jié)很費精力和時間)，還有效克服了從水源到噴頭各個環(huán)節(jié)的損耗和阻力造成的誤差，經過多次率定試驗，所模擬雨滴粒徑、降雨動能與天然降雨十分接近。整個模擬降雨系統(tǒng)涉及機電一體化、給排水管道施工、自動化控制、軟件開發(fā)等不同專業(yè)，同時需要大量的零部件試驗、調試、安裝搭接才能達到實驗性能要求。

• 雨強連續(xù)變化范圍：10~ 200mm/h。

• 降雨移動行程總面積：6.2m*39.8m=246㎡。（可定制）

• 降雨單區(qū)有效面積：4m*7.5m（不分區(qū)）。（可定制）

• 降雨移動區(qū)域：五個區(qū)

• 降雨均勻度：＞0.80。

• 雨滴大小調控范圍：0.4-6mm。

• 降雨高度： ≥6m。

• 雨強變化響應時間：＜30s。

• 雨量計承雨口內徑：Φ200±0.6mm。

• 雨量計分辨率： 0.1mm。

• 主控制器工作電壓： AC  220V  50Hz。

• 信號采集器及顯示屏工作電壓：DC 24V 。

• 工作環(huán)境溫度： 0~+60℃ 濕度：≤95%RH。

• 數(shù)據(jù)采集器存儲容量≥1000條。

• 降雨采樣間隔10~9999秒可調。

• 通訊方式： TCP/IP和RS485。

• 設計使用壽命：大于10年。

• 管道材質：免生銹鋼塑復合管。

• 數(shù)據(jù)采集處理軟件：可實現(xiàn)降雨過程曲線動態(tài)繪制及模擬雨強的實時動態(tài)顯示，并能實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲與下載。

• 噴頭的要求：旋轉下噴式噴頭，不銹鋼材質，大中小3種噴頭。

• 供水水源由降雨大廳供水到室外降雨處，總長為90m。

一、控制系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)硬件部分包含平板電腦一臺，控制柜一臺。

平板電腦采用高端工業(yè)級產品，具有IP67防塵防水等級，并通過1米高度墜落試驗，可充分滿足用戶室內外各種使用環(huán)境。

控制柜內含嵌入式中控器一臺，AC/DC電源一臺，空開、接觸器等附件若干。

實現(xiàn)對1臺變頻器的起?？刂?，3個開關閥的開關控制及狀態(tài)反饋，1個調節(jié)閥的開度調節(jié)控制，監(jiān)測1個壓力傳感器、1個液位傳感器、1個雨量桶等。

二、控制方式

本系統(tǒng)控制方式采用自主研發(fā)的PID閉環(huán)控制法。 在降雨區(qū)所布設的壓力傳感器、雨量計可以實時監(jiān)測供水管道內壓強及實際降雨強度的大小，并將采集參數(shù)回傳至高性能MUC控制單元，利用內置PID算法快速響應系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，并結合當前降雨場景制定調節(jié)方案，實現(xiàn)精準調控。通過閉環(huán)控制，可以精準地模擬不同雨強的自然降雨，有效排除系統(tǒng)率定誤差，較大程度上排除動力系統(tǒng)、管路及噴頭瞬時擾動對降雨的影響，避免了供水滯后帶來的慣性波動，使雨強調控過程更加平穩(wěn)，相較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)更加準確、穩(wěn)定、高效。

三、 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)硬件部分為本降雨系統(tǒng)定制的上位機、下位機系統(tǒng)，可移動控制終端及相關傳感器組成。

1）下位機部分

控制系統(tǒng)下位機的主控采用ST意法半導體基于ARM Cortex-M3內核的高性能系列MCU；

傳感器采集選用Sigma-Delta式可編程ADC。采樣分辨率24Bit，采樣速率最高可達19200樣本/秒；

下位機通過內嵌WIFI模塊及自主研發(fā)的780MHz射頻模塊與平板電腦端進行連接，并通過TCP/IP或串行通信協(xié)議進行通信。相關無線通信方案：802.11b/g/n及Sub-1GHz均符合國家標準要求；

控制器與變頻器、回水閥之間使用的工業(yè)485差分信號總線進行通信，遵循ModBus通訊協(xié)議；閥門控制部分采用MOSFET半導體技術。

2）上位機部分

控制系統(tǒng)上位機采用基于JAVA面向對象的處理軟件，由程序邏輯主體、數(shù)據(jù)庫及圖形界面幾個部分組成。

實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)實時顯示、實時處理和實時存儲，將當前系統(tǒng)運行實際情況以直觀圖形、準確數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)在用戶界面上，實時繪制降雨過程壓力、雨強的曲線，動態(tài)描繪降雨過程，用戶可通過與曲線圖交互查詢任意點具體參數(shù)。

圖形界面可將變頻器、回水閥及各開關閥和傳感器數(shù)據(jù)實時采集并以準確數(shù)據(jù)形式顯示于主界面，且以直觀圖像顯示當前噴頭的開關狀態(tài)，方便用戶掌握系統(tǒng)各部實際運行狀況。

系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)接口實時處理下位機上報數(shù)據(jù)，形成與時間關聯(lián)的參數(shù)條目存入數(shù)據(jù)庫，并記錄操作日志。用戶可通過軟件相關功能入口隨時篩選任意時段的后臺數(shù)據(jù)和操作日志進行查看，并可生成Excel或TXT文件進行轉存、下載。

軟件可實現(xiàn)對降雨啟動、運行參數(shù)的全面靈活設置和定義，設有多種降雨方式，可由用戶自由組合使用，并可對用戶提出的功能需求進行后期不定時更新。

上位機軟件內置智能在線故障監(jiān)測報警系統(tǒng)，通過實時檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障即時在用戶界面界面上以醒目的標識或彈窗提示用戶問題詳情和故障代碼，方便用戶及時了解情況并進行相應處置，出現(xiàn)認為誤操作而造成的重大安全故障時，系統(tǒng)會自行停機，以保護設備。

3）控制終端部分

控制終端采用內置正版Windows10操作系統(tǒng)的工業(yè)級平板電腦，全高清顯示屏，防水等級可達IP67級，內置Intel CPU，集成Intel HD Graphic圖形處理器，256G存儲空間、4G內存，硬件性能強大。終端內置無線功能模塊，無需外接任何設備即可與中控器連接。便攜式主機外部設有USB、SD卡槽、HDMI等接口，擴展性強。內置12000mAH電池，可滿足長時間使用的需求。

4）傳感器部分

傳感器防護等級可達IP65，精度±0.5%FS，長期穩(wěn)定度±0.3%FS（Max），可在0~50℃溫度范圍自行進行溫度補償，工作溫度-30~80℃，帶負載能力強。內置4-20mA變送器，將電壓信號轉置成標準4-20mA信號進行輸出，大大提高抗干擾能力和傳輸距離，具有高準確性和高可靠性特點。

五、 配套降雨設備鋼結構

1)  鋼結構形式為門式鋼架，基礎形式為獨立基礎，降雨高度為6m，移動式無線遙控降雨。

2)  門式鋼架結構安全等級：二級，抗震設防類別：丙類，抗震設防烈度：7度；設計基本抗震加速度0.10g，設計地震分組第一組。地基礎設計等級：丙級，基礎采用獨立基礎，其承載力特征值按faK=180KPa計算。

3)  屋面荷載：0.45KN/m（用于鋼架計算）；基本雪壓：0.45KN/m；基本風壓：0.50KN/m；屋面靜載荷：0.25KN/m。

4)  鋼結構鋼柱、鋼梁材料選用碳鋼Q235B，抗風柱、檁條材料選用碳鋼Q235B；屋頂采用CPU透明材料。

5)  鋼結構跨度6.2m，長度39.8m。

六、配套降雨設備移動裝置

1)  此裝置承載降雨噴淋系統(tǒng)整體移動降雨，移動距離為40m，無線遙控控制移動。

2)  移動荷載：3T。

3)  移動區(qū)域：五個區(qū)。

水保、水利、水文、農林、氣象等科研院所。