移動(dòng)式人工模擬降雨系統設備是專(zhuān)門(mén)為科研實(shí)驗研制開(kāi)發(fā)的一種可移動(dòng)噴射型模擬仿真自然降雨設備。該系統設備在充分吸納借鑒當前國內外同類(lèi)設備先進(jìn)工藝基礎上，結合現代新技術(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和多參量數據采集器，以終端實(shí)際降雨參數調節控制整個(gè)降雨過(guò)程，并可實(shí)時(shí)在線(xiàn)顯示模擬降雨的動(dòng)態(tài)變化及曲線(xiàn)。這樣既對模擬降雨現場(chǎng)測量結果有直接參考意義，又便于很快調節雨強至實(shí)驗要求值(如無(wú)此功能，降雨前的降雨率定調節很費精力和時(shí)間)，還有效克服了從水源到噴頭各個(gè)環(huán)節的損耗和阻力造成的誤差，經(jīng)過(guò)多次率定試驗，所模擬雨滴粒徑、降雨動(dòng)能與天然降雨十分接近。整個(gè)模擬降雨系統涉及機電一體化、給排水管道施工、自動(dòng)化控制、軟件開(kāi)發(fā)等不同專(zhuān)業(yè)，同時(shí)需要大量的零部件試驗、調試、安裝搭接才能達到實(shí)驗性能要求。

• 雨強連續變化范圍：10~ 200mm/h。

• 降雨移動(dòng)行程總面積：6.2m*39.8m=246㎡。（可定制）

• 降雨單區有效面積：4m*7.5m（不分區）。（可定制）

• 降雨移動(dòng)區域：五個(gè)區

• 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(shí)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。

• 數據采集器存儲容量≥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(zhì)：免生銹鋼塑復合管。

• 數據采集處理軟件：可實(shí)現降雨過(guò)程曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)繪制及模擬雨強的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并能實(shí)現歷史數據的存儲與下載。

• 噴頭的要求：旋轉下噴式噴頭，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(cháng)為90m。

一、控制系統組成

本控制系統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(chǎn)品，具有IP67防塵防水等級，并通過(guò)1米高度墜落試驗，可充分滿(mǎn)足用戶(hù)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(kāi)、接觸器等附件若干。

實(shí)現對1臺變頻器的起?？刂?，3個(gè)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)控制及狀態(tài)反饋，1個(gè)調節閥的開(kāi)度調節控制，監測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

本系統控制方式采用自主研發(fā)的PID閉環(huán)控制法。 在降雨區所布設的壓力傳感器、雨量計可以實(shí)時(shí)監測供水管道內壓強及實(shí)際降雨強度的大小，并將采集參數回傳至高性能MUC控制單元，利用內置PID算法快速響應系統反饋的數據，并結合當前降雨場(chǎng)景制定調節方案，實(shí)現精準調控。通過(guò)閉環(huán)控制，可以精準地模擬不同雨強的自然降雨，有效排除系統率定誤差，較大程度上排除動(dòng)力系統、管路及噴頭瞬時(shí)擾動(dòng)對降雨的影響，避免了供水滯后帶來(lái)的慣性波動(dòng)，使雨強調控過(guò)程更加平穩，相較傳統控制系統更加準確、穩定、高效。

三、 控制系統組成

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

1）下位機部分

控制系統下位機的主控采用ST意法半導體基于A(yíng)RM 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(guò)內嵌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(guò)TCP/IP或串行通信協(xié)議進(jìn)行通信。相關(guān)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行通信，遵循ModBus通訊協(xié)議；閥門(mén)控制部分采用MOSFET半導體技術(shù)。

2）上位機部分

控制系統上位機采用基于JAVA面向對象的處理軟件，由程序邏輯主體、數據庫及圖形界面幾個(gè)部分組成。

實(shí)現了對數據實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)存儲，將當前系統運行實(shí)際情況以直觀(guān)圖形、準確數據的方式呈現在用戶(hù)界面上，實(shí)時(shí)繪制降雨過(guò)程壓力、雨強的曲線(xiàn)，動(dòng)態(tài)描繪降雨過(guò)程，用戶(hù)可通過(guò)與曲線(xiàn)圖交互查詢(xún)任意點(diǎn)具體參數。

圖形界面可將變頻器、回水閥及各開(kāi)關(guān)閥和傳感器數據實(shí)時(shí)采集并以準確數據形式顯示于主界面，且以直觀(guān)圖像顯示當前噴頭的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，方便用戶(hù)掌握系統各部實(shí)際運行狀況。

系統內部數據接口實(shí)時(shí)處理下位機上報數據，形成與時(shí)間關(guān)聯(lián)的參數條目存入數據庫，并記錄操作日志。用戶(hù)可通過(guò)軟件相關(guān)功能入口隨時(shí)篩選任意時(shí)段的后臺數據和操作日志進(jìn)行查看，并可生成Excel或TXT文件進(jìn)行轉存、下載。

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

上位機軟件內置智能在線(xiàn)故障監測報警系統，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測系統運行狀態(tài)，發(fā)現故障即時(shí)在用戶(hù)界面界面上以醒目的標識或彈窗提示用戶(hù)問(wèn)題詳情和故障代碼，方便用戶(hù)及時(shí)了解情況并進(jìn)行相應處置，出現認為誤操作而造成的重大安全故障時(shí)，系統會(huì )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(wú)線(xiàn)功能模塊，無(wú)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(mǎn)足長(cháng)時(shí)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(cháng)期穩定度±0.3%FS（Max），可在0~50℃溫度范圍自行進(jìn)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(jìn)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(diǎn)。

五、 配套降雨設備鋼結構

1)  鋼結構形式為門(mén)式鋼架，基礎形式為獨立基礎，降雨高度為6m，移動(dòng)式無(wú)線(xiàn)遙控降雨。

2)  門(mén)式鋼架結構安全等級：二級，抗震設防類(lèi)別：丙類(lèi)，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(fēng)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(fēng)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(cháng)度39.8m。

六、配套降雨設備移動(dòng)裝置

1)  此裝置承載降雨噴淋系統整體移動(dòng)降雨，移動(dòng)距離為40m，無(wú)線(xiàn)遙控控制移動(dòng)。

2)  移動(dòng)荷載：3T。

3)  移動(dòng)區域：五個(gè)區。

水保、水利、水文、農林、氣象等科研院所。