NLJY-09-3野外大型便攜式人工降雨模擬器 人工模擬降雨系統工程,是應交流所設計所成，整體解決方案有二大部分組成分為：NLJY-09-3野外大型便攜式人工降雨模擬器管路系統方案、降雨模擬系統方案。二大部分組成后全部實現降雨實驗的整個過程.NLJY-09-3野外大型便攜式人工降雨模擬器

南京南林電子科技有限公司是一家專業致力于生態水保監測，水利水電科技研發、銷售服務為一體的高科技創新型企業，并承建小型水利水電工程。公司堅持科技創新，自主研發，以多家高校及國家級重點實驗室為依托，為眾多科研單位開發了多款實用產品。公司擁有專利十多項，其中發明型專利土壤抗沖儀(專利號:ZL 2010 1 0518620.6)、水土流失自動監測系統(專利號：ZL 2011 2 0423941.8)最為代表。公司在技術革新中提出了水土流失測量的新型測量方法，其中卡口站水土流失自動監測系統得到了水利部水土保持監測中心的大力推介。 公司以先進的技術設計、可靠的售后服務贏得了使用單位的充分肯定和信賴。目前，公司已擁有便攜式人工模擬降雨器、大型便攜式野外人工模擬降雨系統、野外人工模擬降雨系統、室內人工模擬降雨系統、徑流場水土流失自動監測系統、卡口站水土流失自動監測系統、蒸滲儀、水土抗沖儀、液壓變坡實驗鋼槽、小流域生態系統沙盤模型、薄層水流流速測量系統、大型水保實驗室整體建設,科技智慧走廊實驗室,校園數字科技館,青少年校外活動中心,中小學科學探究實驗箱等系列產品，歡迎各用戶選購。

NLJY-09-3野外大型便攜式人工降雨模擬器
 
人工模擬降雨系統工程,是應交流所設計所成，整體解決方案有二大部分組成分為：管路系統方案、降雨模擬系統方案。二大部分組成后全部實現降雨實驗的整個過程.以下是分項解釋:

1、 管路系統方案：是指整個實驗區內架有管路系統。即降雨所走的水路系統.整個管路系統除接頭外,均為不銹鋼制造,管路系統形成后,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.建議降雨面積成長方型5*20米標準徑流場構制。
2、 降雨模擬系統方案：是指在實驗區建成降雨區，降雨區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、總總體技術指標如下：
1）、有效降雨面積：6-100m
2）、降雨高度：    4m
3）、雨強連續變化范圍：20～150mm/h
4）、降雨均勻度系數： 大于0.84
5）、雨滴大小調控范圍：1.7～2.8mm
6）、降雨調節精度：7mm/h 
7、柜式控制臺，液晶顯示數據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）.管路系統方案


一、前言
為使該系統模擬的降雨與自然降雨物理性能zui大相似，采用上專業生產模擬雨滴噴頭的美國SPAYING SYSTEMS CO公司生產的FULLJET旋轉下噴式噴頭模擬降雨，本系統擬采用我公司研制開發的，已裝備于眾多實驗室，為南林大，海洋大學，浙江水利廳、格力空調等單位的制作，已形成了行業標準，執行的雨滴系統標準是符合標準的雨滴。系統運行5年來，已為外水土保持機構模擬降雨2千余次，接待領導參觀視察數十次，每次降雨、準確，目前已成為土壤侵蝕模擬降雨設備行業標準,后期為南京林業大學,貴州大學,浙江水利廳等單位的降雨實驗中,得到了的驗證.


 二、空間布局
1. 管道布置圖

  
說明:如上圖所示：依據降雨面積5*20米，高度4米現場要求，設計如上，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個不同規格疊加的供水管路，管道分為一個層面,形成降雨區.降雨投影面積在水面疊加交叉均勻，從而形成的降雨效果。降雨雨強為20-150之間。

2.噴頭布置圖



注：所有管路系統均為活接式的，可以任意的拼接，所有接頭均為活接式的?？梢越映雒娣e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種規格的噴頭組合降雨，從而形成從小到大的雨強連續可調，雨滴形態，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，開關閥以前以后均為不銹鋼質管材. 
        
(三).降雨模擬系統方案
一、閉環反饋逼近控制算法
本設計方案采用1套新的配裝式高靈敏度雨量計，獲得降雨現場實時動態實際降雨強度值，以此實際降雨強度平均值為反饋控制信號與實驗設定雨強比照，結合反饋調控算法在整個降雨期反復無窮逼近設定的雨強值。這樣即可自動得到真實、準確、穩定的降雨過程?？刂品椒ǖ牧鞒炭驁D如下：
 
評價：此方案以現場實際實時動態雨強為反饋控制信號，可實時監控實驗區各監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。
閉環反饋逼近控制算法：為準確、快速、穩定的進行降雨過程控制，本項目采用閉環反饋控制算法。控制算法為：先，根據資料，流量調節閥的驅動電流與閥門的開啟位置為線性關系，而閥門的開啟位置又與雨強為線性關系。其次假設；
實驗要求雨強為Y0，
現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，
其相應流量調節閥當前位置的驅動電流值，簡稱當前驅動電流為Ix，
流量調節閥zui大流量變化值相應的驅動電流變化值為Imax，
流量調節閥zui大流量變化值相應的雨強變化為Ymax，
Y0相應的流量調節閥驅動電流為Ix0。
則應有如下公式成立
（Yx- Y0）/Ymax=（Ix- Ix0）/Imax
Ix0= Ix -Imax*（Yx- Y0）/Ymax
求得設定（目標）雨強相應流量調節閥驅動電流推算值為Ix0。以分十步逐步逼近設定雨強計算，則在流量調節閥當前基礎上調節步長為：
（Ix- Ix0）/10
當完成此步長調節，并經消除系統滯后延時后再以當時應流量調節閥當前位置的驅動電流值為Ix反復重復上述調節過程直至降雨結束。算法子程序軟件流程框圖為：


二.現場傳感器/執行器設置：

圖中V1為流量調節閥，P1為壓力傳感器，Z1為雨量計，K1、K2、K3開關閥。下噴區分別由3套不同大小的噴頭管路系統組合疊加而成。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，通過手動調節控制臺上的旋紐控制不同雨強。
2、 計算機監測模式：通過手動調節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、閥門狀態等。
3、 計算機控制模式：設置降雨曲線后，由計算機調控、顯示全部降雨過程。
評價：  該方法采用的傳感器/執行器為目前主流器動調節器件，質量成熟可靠，此方案使用傳感數量較少，可直接適合于各種降雨控制系統。

三、降雨自動控制系統硬件原理
該降雨自動控制系統為全計算機自動控制?？蓮漠斍包c閉環反饋逼近控自動控制降雨過程。所有傳感器/執行器與控制器間均為即插即用方式。降雨自動控制系統硬件結構圖如下：
 
評價：采用主流傳感器及工控技術，產品質量及理論原理可靠，硬件系統具有普遍自適應功能，全部傳感器在zui大數量內可任意插拔選擇。數據采集、轉換、驅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.控制系統軟件原理：
該系統采用全開放式中文菜單操作軟件系統，現場選擇參數、系統滯后校正延時、流量調節閥/自計雨量計特性參數、降雨過程曲線等可在降雨過程中隨時重新修正。該軟件具有系統調試子菜單，它只在人工調節值雨強Ymax時顯示流量調節閥驅動電流值Imax，可方便得到閉環反饋逼近控制算法參數。該軟件還具有可顯示各個雨量計、平均值，設定值的過程曲線、實時監測結果數顯，設定參數輔助提示，異常情況關泵、結果文本輸出等功能。流程框圖如下：


評價： 該系統軟件采用全開放式設計，開關狀態、降雨區設置、雨量計設置等現場參數可依據實際情況自由設置，以適應于各種不同降雨區。現場條件參數、測量結果實時數顯，過程曲線顯示。軟件可在任意情況下轉入自動控制狀態，即手動控制可任意中斷插入控制過程。實驗結果可多種方式文本輸出。


五.技術指標
1、 可直接使用于任何降雨區控制。
2、 調節時間<30S。
3、 穩態誤差<5%。
4、 控制降雨雨強變化范圍20---150mm/h。
5、 zui大連續降雨時間99999秒。
 (四)、系統參數
一.主要技術指標

本系統主要用于模擬降雨實驗，雨量的測量和降雨雨強的控制。系統可將雨量計的模擬信號轉換為數字量，以數字形式顯示當前雨量。
系統適用于模擬降雨等環境實驗室。                   



1、雨量筒承雨口內徑：                     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、降雨區閥門控制：                      4~20mA DC
 二.系統組成

   本系統由主控制器、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，顯示屏電源開關，水泵、下噴1—3區選擇開關，自動手動選擇開關,壓力表組成。
主控制器內部由開關電源，電源板，壓力控制板，開度控制板，自動關泵控制板，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。  

            


成套設備：
   主控制器                                      1臺
   數據采集器                                    1臺
   雨量計                                        1只
   電源線                                        1根
   串口線                                        1根

三.系統功能

   主控制器的主要功能：
1、 用數字量顯示現場管道的壓力及降雨區閥門的開度。
2、 手動調節降雨區閥門的開度。
3、 手動及自動控制的選擇。
4、 水泵.開、關。
5、 下噴1—3區閥門的選擇。
6、 自動控制水泵。
信號采集器的主要功能：
1、組織協調各板卡之間的通訊，數據經處理上傳給計算機。
2、將接收到的雨強計的開關量信號轉換成數字信號。
上位機軟件部分的主要功能：
1、 232參數鍵，是用來選擇計算機端口、波特率、及字節寬度等。
2、 接收數據鍵，按此鍵進入自動控制界面。
3、 查詢鍵，是用來調出以前的實驗記錄數據。
4、 閥門標定鍵，用來選擇及標定降雨1、2、3區各閥門的參數。
5、 導入文件鍵，可將以前保存的數據文件調出。
6、 導出文件鍵，可將本次實驗的數據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，系統進入自動工作狀態。
11、 結束鍵，實驗過程中如要中斷實驗可按此鍵。
12、 設定采樣總時間，在此處可輸入需要降雨的時間，時間以秒為單位。
13、 設定數據采樣周期，可設定數據采樣一次所間隔的時間（采樣周期一般不小于20秒）。
14、 設定期望降雨雨強，自動控制部分會計算出4個雨量筒的平均雨強，并和設定的期望雨強做比較自動調節降雨區閥門的開度。
15、 ，顯示剩余的降雨時間。
16、 接收指示，顯示數據接收的狀態。
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。
19、 設定調整周期，自動控制時調整閥門開度的周期（調整周期一般不小于20秒）。
20、 人工調整幅度，在對自動開度調節不滿意時，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節開度的百分比，步長越大每次調節的開度越大。
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。
2、 打開主控制器電源，并打開顯示屏電源，將要選擇降雨區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，設定好要使用的閥門并保存。然后選擇數據接收，進入自動控制軟件界面。
4、 鍵入本次實驗數據要保存的文件名，選擇好已標定的閥門、降雨區，設定本次實驗的時間、期望雨強，設置好采樣周期、調整周期、自動步長等。
5、 啟動并運行上位機軟件，這時系統進入自動控制狀態。
6、 開始顯示剩余降雨時間，接收指示顯示接收狀態。
7、 壓力表和開度表分別顯示降雨區的管道壓力和閥門開度。
8、 計算機會根據當前的平均雨強和設定的期望雨強做比較，當平均雨強大于期望雨強時，系統自動關小降雨區閥門開度，反之，則開大降雨區閥門開度。
9、 當結束時，系統會自動關掉水泵。
10、 如果將主控制器上的開度控制選擇在手動控制方式，降雨區開度則不受自動控制的調節。
11、 如在實驗過程中，想終止實驗，可按結束鍵，這時系統仍然會自動關閉水泵。
12、 實驗結束后，應先退出上位機軟件，然后再關閉顯示屏電源和主控制器電源，后關閉個雨量計電源。

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據，應檢查這個雨量計的電源是否打開或電池是否有電。
3、 上位機軟件數據接收不正常時，應檢查主控制器電源是否打開，或者232通訊線是否松動。
4、 實驗結束后，應將4個雨量計的電源關閉，防止電池電量耗盡。


六.控制臺系統測控組成圖：



（五）、技術服務
一、控制設計：


 
1． 采用嵌入式系統設計，支持系統實時時鐘
2． 采用240x128點陣LCD顯示，菜單化設計。
3． 支持全中文1、2級字庫。
4． 預留1M 字節存儲空間。
5． 采用12位PVC組合功能鍵設計。
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輸出控制流量調節閥的開口度。
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。
11． 一路繼電器輸出用于控制水泵的開關。
12． PID控制算法設計。
13． 預留大屏顯示器接口。

注：先生產好所有的管路，再率定數據，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（zui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、環網計算閉合差的選擇：
環網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、配水管道設計流量，m3/h；
V—管道內經濟流速，m/s
1.1下噴區典型設計
下噴第四噴區環網節點圖見圖一，通過分析可以知道：該管網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；
hf —無旁側出流式的摩阻損失，m；
N —出口數；
m —流量指數；
x —進口端至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；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
 吸水管與出水管內的總水頭損失
 不利點處所需水頭
下噴區：
  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：

下噴區干管zui大流量在兩個下噴區同時工作時產生，zui大流量為27.767，考慮到損耗，泵的流量為30m3/h。 

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