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    移動(dòng)式人工模擬降雨系統(tǒng)設(shè)備是專門為科研實(shí)驗(yàn)研制開發(fā)的一種可移動(dòng)噴射型模擬仿真自然降雨設(shè)備。該系統(tǒng)設(shè)備在充分吸納借鑒當(dāng)前國內(nèi)外同類設(shè)備先進(jìn)工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代新技術(shù)的發(fā)展趨勢，大膽進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新。用目前世界上最為先進(jìn)的垂直下噴式噴頭模擬自然降雨；控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)，配備以高靈敏雨量計(jì)和多參量數(shù)據(jù)采集器，以終端實(shí)際降雨參數(shù)調(diào)節(jié)控制整個(gè)降雨過程，并可實(shí)時(shí)在線顯示模擬降雨的動(dòng)態(tài)變化及曲線。這樣既對(duì)模擬降雨現(xiàn)場測量結(jié)果有直接參考意義，又便于很快調(diào)節(jié)雨強(qiáng)至實(shí)驗(yàn)要求值(如無此功能，降雨前的降雨率定調(diào)節(jié)很費(fèi)精力和時(shí)間)，還有效克服了從水源到噴頭各個(gè)環(huán)節(jié)的損耗和阻力造成的誤差，經(jīng)過多次率定試驗(yàn)，所模擬雨滴粒徑、降雨動(dòng)能與天然降雨十分接近。整個(gè)模擬降雨系統(tǒng)涉及機(jī)電一體化、給排水管道施工、自動(dòng)化控制、軟件開發(fā)等不同專業(yè)，同時(shí)需要大量的零部件試驗(yàn)、調(diào)試、安裝搭接才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)性能要求。

• 雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍：10~ 200mm/h。

• 降雨移動(dòng)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(dòng)區(qū)域：五個(gè)區(qū)

• 降雨均勻度：＞0.80。

• 雨滴大小調(diào)控范圍：0.4-6mm。

• 降雨高度： ≥6m。

• 雨強(qiáng)變化響應(yīng)時(shí)間：＜30s。

• 雨量計(jì)承雨口內(nèi)徑：Φ200±0.6mm。

• 雨量計(jì)分辨率： 0.1mm。

• 主控制器工作電壓： AC  220V  50Hz。

• 信號(hào)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(chǔ)容量≥1000條。

• 降雨采樣間隔10~9999秒可調(diào)。

• 通訊方式： TCP/IP和RS485。

• 設(shè)計(jì)使用壽命：大于10年。

• 管道材質(zhì)：免生銹鋼塑復(fù)合管。

• 數(shù)據(jù)采集處理軟件：可實(shí)現(xiàn)降雨過程曲線動(dòng)態(tài)繪制及模擬雨強(qiáng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與下載。

• 噴頭的要求：旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，不銹鋼材質(zhì)，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(tái)，控制柜一臺(tái)。

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

控制柜內(nèi)含嵌入式中控器一臺(tái)，AC/DC電源一臺(tái)，空開、接觸器等附件若干。

實(shí)現(xiàn)對(duì)1臺(tái)變頻器的起?？刂疲?個(gè)開關(guān)閥的開關(guān)控制及狀態(tài)反饋，1個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)控制，監(jiān)測1個(gè)壓力傳感器、1個(gè)液位傳感器、1個(gè)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(shè)的壓力傳感器、雨量計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測供水管道內(nèi)壓強(qiáng)及實(shí)際降雨強(qiáng)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(nèi)置PID算法快速響應(yīng)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)前降雨場景制定調(diào)節(jié)方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。通過閉環(huán)控制，可以精準(zhǔn)地模擬不同雨強(qiáng)的自然降雨，有效排除系統(tǒng)率定誤差，較大程度上排除動(dòng)力系統(tǒng)、管路及噴頭瞬時(shí)擾動(dòng)對(duì)降雨的影響，避免了供水滯后帶來的慣性波動(dòng)，使雨強(qiáng)調(diào)控過程更加平穩(wěn)，相較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)更加準(zhǔn)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(jī)、下位機(jī)系統(tǒng)，可移動(dòng)控制終端及相關(guān)傳感器組成。

1）下位機(jī)部分

控制系統(tǒng)下位機(jī)的主控采用ST意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex-M3內(nèi)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(dá)19200樣本/秒；

下位機(jī)通過內(nèi)嵌WIFI模塊及自主研發(fā)的780MHz射頻模塊與平板電腦端進(jìn)行連接，并通過TCP/IP或串行通信協(xié)議進(jìn)行通信。相關(guān)無線通信方案：802.11b/g/n及Sub-1GHz均符合國家標(biāo)準(zhǔn)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(hào)總線進(jìn)行通信，遵循ModBus通訊協(xié)議；閥門控制部分采用MOSFET半導(dǎo)體技術(shù)。

2）上位機(jī)部分

控制系統(tǒng)上位機(jī)采用基于JAVA面向?qū)ο蟮奶幚碥浖沙绦蜻壿嬛黧w、數(shù)據(jù)庫及圖形界面幾個(gè)部分組成。

實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，將當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況以直觀圖形、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)在用戶界面上，實(shí)時(shí)繪制降雨過程壓力、雨強(qiáng)的曲線，動(dòng)態(tài)描繪降雨過程，用戶可通過與曲線圖交互查詢?nèi)我恻c(diǎn)具體參數(shù)。

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

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)接口實(shí)時(shí)處理下位機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)，形成與時(shí)間關(guān)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(guān)功能入口隨時(shí)篩選任意時(shí)段的后臺(tái)數(shù)據(jù)和操作日志進(jìn)行查看，并可生成Excel或TXT文件進(jìn)行轉(zhuǎn)存、下載。

軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨啟動(dòng)、運(yùn)行參數(shù)的全面靈活設(shè)置和定義，設(shè)有多種降雨方式，可由用戶自由組合使用，并可對(duì)用戶提出的功能需求進(jìn)行后期不定時(shí)更新。

上位機(jī)軟件內(nèi)置智能在線故障監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障即時(shí)在用戶界面界面上以醒目的標(biāo)識(shí)或彈窗提示用戶問題詳情和故障代碼，方便用戶及時(shí)了解情況并進(jìn)行相應(yīng)處置，出現(xiàn)認(rèn)為誤操作而造成的重大安全故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自行停機(jī)，以保護(hù)設(shè)備。

3）控制終端部分

控制終端采用內(nèi)置正版Windows10操作系統(tǒng)的工業(yè)級(jí)平板電腦，全高清顯示屏，防水等級(jí)可達(dá)IP67級(jí)，內(nèi)置Intel CPU，集成Intel HD Graphic圖形處理器，256G存儲(chǔ)空間、4G內(nèi)存，硬件性能強(qiáng)大。終端內(nèi)置無線功能模塊，無需外接任何設(shè)備即可與中控器連接。便攜式主機(jī)外部設(shè)有USB、SD卡槽、HDMI等接口，擴(kuò)展性強(qiáng)。內(nèi)置12000mAH電池，可滿足長時(shí)間使用的需求。

4）傳感器部分

傳感器防護(hù)等級(jí)可達(dá)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(jìn)行溫度補(bǔ)償，工作溫度-30~80℃，帶負(fù)載能力強(qiáng)。內(nèi)置4-20mA變送器，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)置成標(biāo)準(zhǔn)4-20mA信號(hào)進(jìn)行輸出，大大提高抗干擾能力和傳輸距離，具有高準(zhǔn)確性和高可靠性特點(diǎn)。

五、 配套降雨設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)

1)  鋼結(jié)構(gòu)形式為門式鋼架，基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)，降雨高度為6m，移動(dòng)式無線遙控降雨。

2)  門式鋼架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)，抗震設(shè)防類別：丙類，抗震設(shè)防烈度：7度；設(shè)計(jì)基本抗震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第一組。地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：丙級(jí)，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，其承載力特征值按faK=180KPa計(jì)算。

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

4)  鋼結(jié)構(gòu)鋼柱、鋼梁材料選用碳鋼Q235B，抗風(fēng)柱、檁條材料選用碳鋼Q235B；屋頂采用CPU透明材料。

5)  鋼結(jié)構(gòu)跨度6.2m，長度39.8m。

六、配套降雨設(shè)備移動(dòng)裝置

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

2)  移動(dòng)荷載：3T。

3)  移動(dòng)區(qū)域：五個(gè)區(qū)。

水保、水利、水文、農(nóng)林、氣象等科研院所。