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1 引言
目前我國水土流失、土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境等方面問題相當(dāng)嚴(yán)重，土壤及水資源利用及研究還遠(yuǎn)沒有達(dá)到應(yīng)有的發(fā)展。因此，大力發(fā)展水資源的理論研究與高效利用，是我國迫切需要解決的問題。在每一年的不同時(shí)期或不同年的同一時(shí)期，對土壤的水份狀況進(jìn)行田間實(shí)際監(jiān)測，研究不同耕作措施的水保效果，所需研究周期長，受環(huán)境氣候影響大，要獲得理想的效果至少需要好幾年的時(shí)間，甚至是幾十年的時(shí)間。用人工模擬降雨的方法，可以在短短幾天的時(shí)間，研究出不同耕作措施的保水效果，通過控制試驗(yàn)條件，可以模擬不同環(huán)境。用這種方法可以彌補(bǔ)在自然降雨條件下，因環(huán)境變化，而無法得到的試驗(yàn)期內(nèi)計(jì)劃的研究結(jié)果，或者進(jìn)一步補(bǔ)充論證在自然降雨環(huán)境下得到的研究結(jié)果。可見，人工降雨裝置可以給水土保持、雨水集蓄工程及田間試驗(yàn)提供科學(xué)依據(jù)，定量的評價(jià)降雨條件下土壤水分狀況以及入滲產(chǎn)流關(guān)系，克服野外徑流小區(qū)進(jìn)行定位觀測的耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，縮短試驗(yàn)周期，加速雨水入滲規(guī)律、土壤侵蝕規(guī)律的研究進(jìn)程，對于水土流失和生態(tài)環(huán)境的改善具有相當(dāng)重要的意義[1]。
文獻(xiàn)[2]研制的一種新型人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)裝置，是一種多噴頭、槽式間歇降雨裝置，該裝置通過控制離合器裝置的離合來控制噴頭的擺動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)了不同強(qiáng)度的模擬降雨，在人工模擬降雨試驗(yàn)中得到了應(yīng)用。本文將針對同時(shí)應(yīng)用多臺(tái)這樣的人工模擬降雨裝置的模擬降雨試驗(yàn)時(shí)，手工調(diào)節(jié)噴頭水壓的不方便，及現(xiàn)有控制器不能同步控制多臺(tái)人工模擬降雨裝置的狀況，在結(jié)合降雨試驗(yàn)要求實(shí)際工作情況的基礎(chǔ)上，提出采用工控組態(tài)監(jiān)控軟件對人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)改進(jìn)[3-4]。在對模擬降雨實(shí)驗(yàn)裝置采用工控組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，給出了所設(shè)計(jì)的新控制系統(tǒng)在人工模擬降雨試驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用。
2 人工模擬降雨試驗(yàn)及其監(jiān)控系統(tǒng)簡介
采用新型人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)裝置[2]進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)時(shí)，降雨裝置在試驗(yàn)地點(diǎn)支撐高度要求降雨噴頭與觀測的土壤距離為2.4m。為了提高模擬降雨的均勻性，降雨裝置要求至少兩個(gè)以上并排使用，并要求噴頭噴水的壓力基本穩(wěn)定在0.06MP。圖1為某實(shí)驗(yàn)場10臺(tái)人工模擬降雨裝置試驗(yàn)的部件連接示意圖。在實(shí)際試驗(yàn)中，由于模擬降雨裝置距離地面較高，采用手工調(diào)節(jié)水壓給實(shí)際的試驗(yàn)帶來了不便，降雨噴頭0.06MP的壓力不易保證。圖1的控制器每臺(tái)僅能控制兩臺(tái)降雨實(shí)驗(yàn)裝置，不能同步控制圖中10臺(tái)人工模擬降雨裝置的運(yùn)行，也不能實(shí)時(shí)監(jiān)控人工模擬降雨裝置的運(yùn)行。因此有必要增加相應(yīng)的檢測方法，建立相應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)，更方便可靠地控制和調(diào)節(jié)模擬降雨裝置，實(shí)現(xiàn)人工模擬降雨試驗(yàn)的自動(dòng)化。
圖1人工模擬降雨試驗(yàn)部件連接示意圖
3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其組成
監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對手工調(diào)節(jié)水壓的不方便及原有的控制器無法同步控制10臺(tái)人工模擬降雨裝置的問題，主要考慮兩個(gè)方面：一是實(shí)時(shí)測量并調(diào)節(jié)水壓，二是建立上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同步控制多臺(tái)人工模擬降雨裝置并實(shí)時(shí)監(jiān)控人工模擬降雨裝置運(yùn)行狀況的功能。
為了兼容原降雨裝置，對控制器進(jìn)行了改進(jìn)，使其具有手動(dòng)控制與上位機(jī)控制的切換功能。改進(jìn)后的控制器能夠接收上位機(jī)產(chǎn)生的PWM控制信號，該信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出控制模擬降雨的強(qiáng)度。這樣既保留了控制器手動(dòng)控制模擬降雨裝置的功能，又能夠使用組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制。水壓的實(shí)時(shí)測量與調(diào)節(jié)通過在上水母管增加壓力傳感器，并直接連接工控機(jī)（上位機(jī)）板卡，并由上位機(jī)產(chǎn)生信號控制變頻器實(shí)現(xiàn)。由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)降雨裝置壓力與流量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 人工模擬降雨試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)硬件主要包括：上位機(jī)（研華工控機(jī)），研華的1711PCI板卡，研華的PCL720板卡，手動(dòng)控制器控制電路，壓力傳感器，變頻器，水泵及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。
1) 研華的1711PCI板卡，具有16路數(shù)字輸入DI、16路數(shù)字輸出DO、16路模擬量輸入AI、2路模擬量輸出AO、1路計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。主機(jī)與現(xiàn)場監(jiān)控信號的輸入輸出均通過1711板卡實(shí)現(xiàn)。
2) 研華的PCL720板卡，輸出上位機(jī)的PWM脈沖控制信號及控制切換信號，與控制器控制電路連接。
3) 手動(dòng)控制器控制電路，利用CD4052實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制與上位機(jī)控制的切換功能。如圖3所示，在手動(dòng)控制的情況下，脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生不同頻率的PWM信號，而脈沖控制模塊則改變PWM信號的占空比，實(shí)現(xiàn)對降雨裝置離合器的控制[2]；在上位機(jī)控制時(shí)，上位機(jī)輸出脈沖信號取代控制電路的脈沖發(fā)生模塊和脈沖控制模塊的功能，輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)后控制離合器，實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的模擬降雨。
圖3控制器控制電路原理示意圖
4) 壓力傳感器，采用CYB11通用型壓力變送器，其輸出電壓為1～5V，量程范圍0～1MP，輸出電壓信號直接連接上位機(jī)的研華的1711PCI板卡。
5) 變頻器，采用西門子公司生產(chǎn)的MICROMASTER系列A型變頻器6SE92，此種變頻器采用微處理器及IGBT技術(shù)，具有較高的可靠性和靈活性，采用高頻脈沖頻率的脈寬調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)超靜音運(yùn)行[5]。
系統(tǒng)監(jiān)控利用三維公司的力控組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺(tái)，在此平臺(tái)上開發(fā)出了一套人工模擬降雨裝置的綜合測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對模擬天然降雨過程的系統(tǒng)報(bào)警、圖形顯示及人機(jī)對話、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與輸出、實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢曲線、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及報(bào)表的生成等功能。
以10臺(tái)模擬降雨裝置的試驗(yàn)為例，監(jiān)控系統(tǒng)需要采集10路水壓信號（模擬量），還要針對當(dāng)前水壓產(chǎn)生10路控制信號控制變頻器以調(diào)節(jié)水壓，另外，系統(tǒng)向現(xiàn)場裝置發(fā)出5路計(jì)算機(jī)和手動(dòng)控制切換信號、以及5路降雨強(qiáng)度選擇信號。相應(yīng)的I/O點(diǎn)主要包括：雨強(qiáng)控制輸出信號，水壓輸入信號，控制切換信號，變頻控制信號4大類，共30個(gè)I/O點(diǎn)。以兩臺(tái)降雨裝置和一個(gè)控制器為一組I/O點(diǎn)的定義如表1所示。
表1部分I/O點(diǎn)的參數(shù)表
在定義I/O點(diǎn)后，啟動(dòng)力控設(shè)備連接向?qū)В凑赵O(shè)備安裝對話框的提示完成I/O設(shè)備的配置工作，I/O設(shè)備配置完成后，在導(dǎo)航器中將列出I/O設(shè)備的設(shè)備名稱，同時(shí)，所生成的設(shè)備名稱即可以用于數(shù)據(jù)連接過程。然后，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫管理器DbManager完成點(diǎn)參數(shù)組態(tài)、點(diǎn)類型組態(tài)、點(diǎn)組態(tài)、數(shù)據(jù)連接組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)組態(tài)等功能。
圖4為人工模擬降雨試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)主監(jiān)控界面集中監(jiān)控10臺(tái)降雨裝置的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)的功能有：控制方式切換，降雨強(qiáng)度選擇，噴頭單雙次擺動(dòng)選擇，當(dāng)前水壓的顯示及數(shù)據(jù)保存。
在實(shí)際的現(xiàn)場應(yīng)用當(dāng)中，人工模擬降雨試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，界面友好，可操作性強(qiáng)，系統(tǒng)功能可擴(kuò)展性強(qiáng)，在很大程度上滿足了試驗(yàn)的需要。圖5為現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，單臺(tái)控制界面實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線圖。
圖4人工模擬降雨試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)主監(jiān)控界面
圖5 單獨(dú)控制界面實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線圖
4 結(jié)語
本文在鄭宏偉等研制的一種新型人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，針對人工模擬降雨試驗(yàn)中的實(shí)際問題，結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)裝置，對其進(jìn)行了技術(shù)改造，將試驗(yàn)過程的常用設(shè)備和工具軟件結(jié)合在一起，研究開發(fā)了一套應(yīng)用于人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，在試驗(yàn)中得到了運(yùn)用，并取得了較好的效果。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號