NLJY-09-3型:野外大型便攜式人工模擬降雨器
目 錄
(一).總則:2
(二）.管路系統(tǒng)方案4
一、前言4
二、空間布局5
1. 管道布置圖5
2.噴頭布置圖6
3.管路布置拓樸圖7
4.管路系統(tǒng)組成框圖8
(三).降雨模擬系統(tǒng)方案9
一、閉環(huán)反饋逼近控制算法9
二.現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置：12
三、降雨自動控制系統(tǒng)硬件原理13
四.控制系統(tǒng)軟件原理：14
五.技術(shù)指標16
(四)、系統(tǒng)參數(shù)16
一.主要技術(shù)指標16
二.系統(tǒng)組成17
三.系統(tǒng)功能18
四.使用說明20＇
五.注意事項21
六.控制臺系統(tǒng)測控組成圖：22
（五）、技術(shù)服務23
一、控制設(shè)計：23
二、噴頭的選擇24
三、水泵揚程計算：26
(一).總則:
人工模擬降雨系統(tǒng)工程,是應交流所設(shè)計所成，整體解決方案有二大部分組成分為：管路系統(tǒng)方案、降雨模擬系統(tǒng)方案。二大部分組成后全部實現(xiàn)降雨實驗的整個過程.以下是分項解釋:
1、管路系統(tǒng)方案：是指整個實驗區(qū)內(nèi)架有管路系統(tǒng)。即降雨所走的水路系統(tǒng).整個管路系統(tǒng)除接頭外,均為不銹鋼制造,管路系統(tǒng)形成后,可以使得有效降雨面積在6-100平米任意拼接,成長方型架構(gòu).建議降雨面積成長方型5*20米標準徑流場構(gòu)制。
2、降雨模擬系統(tǒng)方案：是指在實驗區(qū)建成降雨區(qū)，降雨區(qū)為了有效的保證達了下墊面的實驗得以完成，有效降雨面為5*20米，總100平米，降雨高度為4米。整個降雨可以達到模擬人工降雨的效果，詳見人工降雨模擬方案。
3、總總體技術(shù)指標如下：
1）、有效降雨面積：6-100m
2）、降雨高度： 4m
3）、雨強連續(xù)變化范圍：20～150mm/h
4）、降雨均勻度系數(shù)： 大于0.84
5）、雨滴大小調(diào)控范圍：1.7～2.8mm
6）、降雨調(diào)節(jié)精度：7mm/h
7、柜式控制臺，液晶顯示數(shù)據(jù)及雨強值和雨強曲線
8、顯示板同時表式顯示，所有按鍵均為方便式按鍵
(二）.管路系統(tǒng)方案
一、前言
為使該系統(tǒng)模擬的降雨與自然降雨物理性能最大相似，采用世界上唯一專業(yè)生產(chǎn)模擬雨滴噴頭的美國SPAYING SYSTEMS CO公司生產(chǎn)的FULLJET旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭模擬降雨，本系統(tǒng)擬采用我公司研制開發(fā)的，已裝備于眾多實驗室，為南林大，中國海洋大學，浙江水利廳、格力空調(diào)等單位的制作，已形成了行業(yè)標準，執(zhí)行的雨滴系統(tǒng)標準是符合國際標準的雨滴。系統(tǒng)運行5年來，已為國內(nèi)外著名水土保持機構(gòu)模擬降雨2千余次，接待國家領(lǐng)導參觀視察數(shù)十次，每次降雨圓滿、準確，目前已成為土壤侵蝕模擬降雨設(shè)備行業(yè)標準,后期為南京林業(yè)大學,貴州大學,浙江水利廳等單位的降雨實驗中,得到了最好的驗證.
二、空間布局
1. 管道布置圖
說明:如上圖所示：依據(jù)降雨面積5*20米，高度4米現(xiàn)場要求，設(shè)計如上，主供水管采用中部平衡供水，噴頭供水管采用10組5米長的3個不同規(guī)格疊加的供水管路，管道分為一個層面,形成降雨區(qū).降雨投影面積在水面疊加交叉均勻，從而形成最好的降雨效果。降雨雨強為20-150之間。
2.噴頭布置圖
注：所有管路系統(tǒng)均為活接式的，可以任意的拼接，所有接頭均為活接式的。可以接出面積為6-100平米。
3.管路布置拓樸圖
說明: 頂部降雨噴頭采用FULLJET1／8，2／8，3／8Ｇ3種規(guī)格的噴頭組合降雨，從而形成從小到大的雨強連續(xù)可調(diào)，雨滴形態(tài)，降雨均勻度與自然降雨相似的人工自動模擬降雨，可進行20――150ｍｍ／ｈ的各種雨強模擬降雨，均勻度大于0.84，開關(guān)閥以前以后均為不銹鋼質(zhì)管材.
(三).降雨模擬系統(tǒng)方案
一、閉環(huán)反饋逼近控制算法
本設(shè)計方案采用1套最新的配裝式高靈敏度雨量計，獲得降雨現(xiàn)場實時動態(tài)實際降雨強度值，以此實際降雨強度平均值為反饋控制信號與實驗設(shè)定雨強比照，結(jié)合新型反饋調(diào)控算法在整個降雨期反復無窮逼近設(shè)定的雨強值。這樣即可自動得到真實、準確、穩(wěn)定的降雨過程？刂品椒ǖ牧鞒炭驁D如下：
評價：此方案以現(xiàn)場實際實時動態(tài)雨強為反饋控制信號，可實時監(jiān)控實驗區(qū)各監(jiān)測點的雨強分布及平均值，不但可省略實驗前的人工率定過程，而且實驗過程中可隨時得知當時雨強值，人工手動操作可隨時干預降雨控制過程。
新型閉環(huán)反饋逼近控制算法：為準確、快速、穩(wěn)定的進行降雨過程控制，本項目采用閉環(huán)反饋控制算法？刂扑惴椋菏紫龋鶕(jù)資料，流量調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動電流與閥門的開啟位置為線性關(guān)系，而閥門的開啟位置又與雨強為線性關(guān)系。其次假設(shè)；
實驗要求雨強為Y0，
現(xiàn)場無線自計雨量計的當前實際雨強平均值，簡稱當前雨強為Yx，
其相應流量調(diào)節(jié)閥當前位置的驅(qū)動電流值，簡稱當前驅(qū)動電流為Ix，
流量調(diào)節(jié)閥最大流量變化值相應的驅(qū)動電流變化值為Imax，
流量調(diào)節(jié)閥最大流量變化值相應的雨強變化為Ymax，
Y0相應的流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流為Ix0。
則應有如下公式成立
（Yx- Y0）/Ymax=（Ix- Ix0）/Imax
Ix0= Ix -Imax*（Yx- Y0）/Ymax
求得設(shè)定（目標）雨強相應流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流推算值為Ix0。以分十步逐步逼近設(shè)定雨強計算，則在流量調(diào)節(jié)閥當前基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)步長為：
（Ix- Ix0）/10
當完成此步長調(diào)節(jié)，并經(jīng)消除系統(tǒng)滯后延時后再以當時應流量調(diào)節(jié)閥當前位置的驅(qū)動電流值為Ix反復重復上述調(diào)節(jié)過程直至降雨結(jié)束。算法子程序軟件流程框圖為：
二.現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器設(shè)置：
圖中V1為流量調(diào)節(jié)閥，P1為壓力傳感器，Z1為雨量計，K1、K2、K3開關(guān)閥。下噴區(qū)分別由3套不同大小的噴頭管路系統(tǒng)組合疊加而成。它支持三種工作模式：
1、純手動控制模式：參考控制臺顯示管道壓力，通過手動調(diào)節(jié)控制臺上的旋紐控制不同雨強。
2、計算機監(jiān)測模式：通過手動調(diào)節(jié)控制臺上的旋紐控制不同雨強，同時計算機顯示當前降雨強度，管道壓力、閥門狀態(tài)等。
3、計算機控制模式：設(shè)置降雨曲線后，由計算機調(diào)控、顯示全部降雨過程。
評價： 該方法采用的傳感器/執(zhí)行器為目前主流器動調(diào)節(jié)器件，質(zhì)量成熟可靠，此方案使用傳感數(shù)量較少，可直接適合于各種降雨控制系統(tǒng)。
三、降雨自動控制系統(tǒng)硬件原理
該降雨自動控制系統(tǒng)為全計算機自動控制。可從當前點閉環(huán)反饋逼近控自動控制降雨過程。所有傳感器/執(zhí)行器與控制器間均為即插即用方式。降雨自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下：
評價：采用主流傳感器及工控技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量及理論原理可靠，硬件系統(tǒng)具有普遍自適應功能，全部傳感器在最大數(shù)量內(nèi)可任意插拔選擇。數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、驅(qū)動采用一小型工控機專門完成，與控制PC機串口通訊，這樣一旦控制PC機染毒或損壞，任意更換一臺PC機，安裝控制軟件后即可控制降雨。
四.控制系統(tǒng)軟件原理：
該系統(tǒng)采用全開放式中文菜單操作軟件系統(tǒng)，現(xiàn)場選擇參數(shù)、系統(tǒng)滯后校正延時、流量調(diào)節(jié)閥/自計雨量計特性參數(shù)、降雨過程曲線等可在降雨過程中隨時重新修正。該軟件具有系統(tǒng)調(diào)試子菜單，它只在人工調(diào)節(jié)極值雨強Ymax時顯示流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流極值Imax，可方便得到閉環(huán)反饋逼近控制算法參數(shù)。該軟件還具有可顯示各個雨量計、平均值，設(shè)定值的過程曲線、實時監(jiān)測結(jié)果數(shù)顯，設(shè)定參數(shù)輔助提示，異常情況關(guān)泵、結(jié)果文本輸出等功能。流程框圖如下：
評價： 該系統(tǒng)軟件采用全開放式設(shè)計，開關(guān)狀態(tài)、降雨區(qū)設(shè)置、雨量計設(shè)置等現(xiàn)場參數(shù)可依據(jù)實際情況自由設(shè)置，以適應于各種不同降雨區(qū)，F(xiàn)場條件參數(shù)、測量結(jié)果實時數(shù)顯，過程曲線顯示。軟件可在任意情況下轉(zhuǎn)入自動控制狀態(tài)，即手動控制可任意中斷插入控制過程。實驗結(jié)果可多種方式文本輸出。
五.技術(shù)指標
1、可直接使用于任何降雨區(qū)控制。
2、調(diào)節(jié)時間<30S。
3、穩(wěn)態(tài)誤差<5%。
4、控制降雨雨強變化范圍20－－-150mm/h。
5、最大連續(xù)降雨時間99999秒。
(四)、系統(tǒng)參數(shù)
一.主要技術(shù)指標
本系統(tǒng)主要用于模擬降雨實驗，雨量的測量和降雨雨強的控制。系統(tǒng)可將雨量計的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以數(shù)字形式顯示當前雨量。
系統(tǒng)適用于模擬降雨等環(huán)境實驗室。
1、雨量筒承雨口內(nèi)徑： Φ200
2、雨量筒分辨力： 0.5mm
3、雨量計工作電壓： DC5V
4、主控制器工作電壓： AC220V 50Hz
5、顯示屏工作電壓： DC24V
6、信號采集器工作電壓： DC24V
7、傳感器通訊方式： 有線
8、各板卡間通訊方式： RS485
9、上位機與下位機通訊方式： RS232
10、降雨區(qū)閥門控制： 4~20mA DC
二.系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)由主控制器、信號采集器、計算機組成。
主控制器的組成：主控制器外部由機箱，總電源開關(guān)，顯示屏電源開關(guān)，水泵、下噴1—3區(qū)選擇開關(guān)，自動手動選擇開關(guān),壓力表組成。
主控制器內(nèi)部由開關(guān)電源，電源板，壓力控制板，開度控制板，自動關(guān)泵控制板，繼電器組接線端子組成。
信號采集器由主控板，信號接收板，顯示板，外控板組成。
成套設(shè)備：
主控制器 1臺
數(shù)據(jù)采集器 1臺
雨量計 1只
電源線 1根
串口線 1根
三.系統(tǒng)功能
主控制器的主要功能：
1、用數(shù)字量顯示現(xiàn)場管道的壓力及降雨區(qū)閥門的開度。
2、手動調(diào)節(jié)降雨區(qū)閥門的開度。
3、手動及自動控制的選擇。
4、水泵.開、關(guān)。
5、下噴1—3區(qū)閥門的選擇。
6、自動控制水泵。
信號采集器的主要功能：
1、組織協(xié)調(diào)各板卡之間的通訊，數(shù)據(jù)經(jīng)處理上傳給計算機。
2、將接收到的雨強計的開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
上位機軟件部分的主要功能：
1、232參數(shù)鍵，是用來選擇計算機端口、波特率、及字節(jié)寬度等。
2、接收數(shù)據(jù)鍵，按此鍵進入自動控制界面。
3、查詢鍵，是用來調(diào)出以前的實驗記錄數(shù)據(jù)。
4、閥門標定鍵，用來選擇及標定降雨1、2、3區(qū)各閥門的參數(shù)。
5、導入文件鍵，可將以前保存的數(shù)據(jù)文件調(diào)出。
6、導出文件鍵，可將本次實驗的數(shù)據(jù)文件保存到預想的路徑。
7、打印鍵，可直接打印本次實驗的雨強曲線圖。
8、退出鍵，結(jié)束實驗時按此鍵退出。
9、啟動鍵，一切準備就緒后，按此鍵啟動軟件。
10、運行鍵，按運行鍵后，系統(tǒng)進入自動工作狀態(tài)。
11、結(jié)束鍵，實驗過程中如要中斷實驗可按此鍵。
12、設(shè)定采樣總時間，在此處可輸入需要降雨的時間，時間以秒為單位。
13、設(shè)定數(shù)據(jù)采樣周期，可設(shè)定數(shù)據(jù)采樣一次所間隔的時間（采樣周期一般不小于20秒）。
14、設(shè)定期望降雨雨強，自動控制部分會計算出4個雨量筒的平均雨強，并和設(shè)定的期望雨強做比較自動調(diào)節(jié)降雨區(qū)閥門的開度。
15、倒計時，顯示剩余的降雨時間。
16、接收指示，顯示數(shù)據(jù)接收的狀態(tài)。
17、人工閥門選擇，選擇已標定的要使用的閥門。
18、開度控制選擇，用來選擇降雨區(qū)。
19、設(shè)定調(diào)整周期，自動控制時調(diào)整閥門開度的周期（調(diào)整周期一般不小于20秒）。
20、人工調(diào)整幅度，在對自動開度調(diào)節(jié)不滿意時，可人工輸入自己的開度。
21、自動步長，是指自動控制時每次調(diào)節(jié)開度的百分比，步長越大每次調(diào)節(jié)的開度越大。
22、雨強曲線圖，用5種顏色分別表示4個雨量筒的雨強和平均雨強。
四.使用說明
1、降雨前，先將雨量筒放置在需要測量雨強的位置，并打開雨量計電源開關(guān)。
2、打開主控制器電源，并打開顯示屏電源，將要選擇降雨區(qū)的閥門開度控制撥到自動。
3、進入計算機控制軟件界面，選擇閥門標定，設(shè)定好要使用的閥門并保存。然后選擇數(shù)據(jù)接收，進入自動控制軟件界面。
4、鍵入本次實驗數(shù)據(jù)要保存的文件名，選擇好已標定的閥門、降雨區(qū)，設(shè)定本次實驗的時間、期望雨強，設(shè)置好采樣周期、調(diào)整周期、自動步長等。
5、啟動并運行上位機軟件，這時系統(tǒng)進入自動控制狀態(tài)。
6、倒計時開始顯示剩余降雨時間，接收指示顯示接收狀態(tài)。
7、壓力表和開度表分別顯示降雨區(qū)的管道壓力和閥門開度。
8、計算機會根據(jù)當前的平均雨強和設(shè)定的期望雨強做比較，當平均雨強大于期望雨強時，系統(tǒng)自動關(guān)小降雨區(qū)閥門開度，反之，則開大降雨區(qū)閥門開度。
9、當?shù)褂嫊r結(jié)束時，系統(tǒng)會自動關(guān)掉水泵。
10、如果將主控制器上的開度控制選擇在手動控制方式，降雨區(qū)開度則不受自動控制的調(diào)節(jié)。
11、如在實驗過程中，想終止實驗，可按結(jié)束鍵，這時系統(tǒng)仍然會自動關(guān)閉水泵。
12、實驗結(jié)束后，應先退出上位機軟件，然后再關(guān)閉顯示屏電源和主控制器電源，最后關(guān)閉個雨量計電源。
五.注意事項
1、放置雨量筒時，應水平放置。
2、如果接收不到某個雨量計的數(shù)據(jù)，應檢查這個雨量計的電源是否打開或電池是否有電。
3、上位機軟件數(shù)據(jù)接收不正常時，應檢查主控制器電源是否打開，或者232通訊線是否松動。
4、實驗結(jié)束后，應將4個雨量計的電源關(guān)閉，防止電池電量耗盡。
六.控制臺系統(tǒng)測控組成圖：
（五）、技術(shù)服務
一、控制設(shè)計：
1．采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，支持系統(tǒng)實時時鐘
2．采用240x128點陣LCD顯示，菜單化設(shè)計。
3．支持全中文1、2級字庫。
4．預留1M 字節(jié)存儲空間。
5．采用12位PVC組合功能鍵設(shè)計。
6．支持RS232或RS485通訊模式。
7．12 BIT AD輸入采集壓力變送器的輸入
8．12 BIT DA輸出控制流量調(diào)節(jié)閥的開口度。
9．8路光耦輸入用于采集雨量計的輸入。
10．7路繼電器輸出用于控制噴頭的開關(guān)。
11．一路繼電器輸出用于控制水泵的開關(guān)。
12．PID控制算法設(shè)計。
13．預留大屏顯示器接口。
注：先生產(chǎn)好所有的管路，再率定數(shù)據(jù)，對應的雨強下，對應的壓力值，再有壓力值，顯示出所對應的雨強值。
二、噴頭的選擇
1、噴頭流量的選擇
以噴頭流量計算（最大流量計算）：
1#噴頭：0.192m3/h 2#噴頭：0.255m3/h
3#噴頭：0.455m3/h 4#噴頭：0.639m3/h
以300mm/h雨強計算流量：
1#噴頭：0.238m3/h 2#噴頭：0.316m3/h
3#噴頭：0.562m3/h 4#噴頭：0.792m3/h
兩種情況比較選擇以300mm/h雨強作為計算流量時的噴頭流量
2、環(huán)網(wǎng)計算閉合差的選擇：
環(huán)網(wǎng)計算水頭損失閉合差取0.05m；
管徑計算公式：
（1）
d—輸、配水管道直徑，mm；
Q—輸、配水管道設(shè)計流量，m3/h；
V—管道內(nèi)經(jīng)濟流速，m/s
1.1下噴區(qū)典型設(shè)計
下噴第四噴區(qū)環(huán)網(wǎng)節(jié)點圖見圖一，通過分析可以知道：該管網(wǎng)部分管段屬于沿程泄流管段以1-2段為例，該管段上共有四個出水口間距2.163m；因此該管段需要按照沿程泄流管段來計算。
程泄流管的水頭損失通常用下式計算：
ΔHt=F?hf
F= (2)
式中：ΔHt—沿程泄流管段摩阻損失，m；
F —多口系數(shù)；
hf —無旁側(cè)出流式的摩阻損失，m；
N —出口數(shù)；
m —流量指數(shù)；
x —進口端至第一個出水口的距離與孔口間距之比；
上式中hf是用 計算，其中
（3）
式中： S—管道的比阻率；
n—管道的糙率；
C—謝才系數(shù)；其他符號意義同前；
為了便于施工，考慮盡可能的選用同一種管徑，因此進水的管段1-2，1-5選用同一種管徑，管網(wǎng)中其余的管段選用同一種管段。
三、水泵揚程計算：
計算公式：
：水泵吸水高度
水泵壓水高度
水泵揚程
吸水管與出水管內(nèi)的總水頭損失
最不利點處所需水頭
下噴區(qū)：
為1m水頭， 為23.3m水頭， 為1.819m水頭, 為25m水泵揚程Hb為51.2m，所以可以選擇揚程為8m的水泵。
下噴式水泵流量的確定：
下噴區(qū)干管最大流量在兩個下噴區(qū)同時工作時產(chǎn)生，最大流量為27.767，考慮到損耗，泵的流量為30m3/h。
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