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1 引言
目前我國水土流失、土地沙漠化，生態環境等方面問題相當嚴重，土壤及水資源利用及研究還遠沒有達到應有的發展。因此，大力發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。在每一年的不同時期或不同年的同一時期，對土壤的水份狀況進行田間實際監測，研究不同耕作措施的水保效果，所需研究周期長，受環境氣候影響大，要獲得理想的效果至少需要好幾年的時間，甚至是幾十年的時間。用人工模擬降雨的方法，可以在短短幾天的時間，研究出不同耕作措施的保水效果，通過控制試驗條件，可以模擬不同環境。用這種方法可以彌補在自然降雨條件下，因環境變化，而無法得到的試驗期內計劃的研究結果，或者進一步補充論證在自然降雨環境下得到的研究結果?？梢?，人工降雨裝置可以給水土保持、雨水集蓄工程及田間試驗提供科學依據，定量的評價降雨條件下土壤水分狀況以及入滲產流關系，克服野外徑流小區進行定位觀測的耗時費力的缺點，縮短試驗周期，加速雨水入滲規律、土壤侵蝕規律的研究進程，對于水土流失和生態環境的改善具有相當重要的意義[1]。
文獻[2]研制的一種新型人工模擬降雨實驗裝置，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頻率，實現了不同強度的模擬降雨，在人工模擬降雨試驗中得到了應用。本文將針對同時應用多臺這樣的人工模擬降雨裝置的模擬降雨試驗時，手工調節噴頭水壓的不方便，及現有控制器不能同步控制多臺人工模擬降雨裝置的狀況，在結合降雨試驗要求實際工作情況的基礎上，提出采用工控組態監控軟件對人工模擬降雨實驗裝置技術改進[3-4]。在對模擬降雨實驗裝置采用工控組態監控軟件系統軟硬件進行介紹的基礎上，給出了所設計的新控制系統在人工模擬降雨試驗中的實際應用。
2 人工模擬降雨試驗及其監控系統簡介
采用新型人工模擬降雨實驗裝置[2]進行人工模擬降雨試驗時，降雨裝置在試驗地點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以上并排使用，并要求噴頭噴水的壓力基本穩定在0.06MP。圖1為某實驗場10臺人工模擬降雨裝置試驗的部件連接示意圖。在實際試驗中，由于模擬降雨裝置距離地面較高，采用手工調節水壓給實際的試驗帶來了不便，降雨噴頭0.06MP的壓力不易保證。圖1的控制器每臺僅能控制兩臺降雨實驗裝置，不能同步控制圖中10臺人工模擬降雨裝置的運行，也不能實時監控人工模擬降雨裝置的運行。因此有必要增加相應的檢測方法，建立相應監控系統，更方便可靠地控制和調節模擬降雨裝置，實現人工模擬降雨試驗的自動化。
圖1人工模擬降雨試驗部件連接示意圖
3 監控系統設計方案及其組成
監控系統設計針對手工調節水壓的不方便及原有的控制器無法同步控制10臺人工模擬降雨裝置的問題，主要考慮兩個方面：一是實時測量并調節水壓，二是建立上位機的組態監控系統，實現同步控制多臺人工模擬降雨裝置并實時監控人工模擬降雨裝置運行狀況的功能。
為了兼容原降雨裝置，對控制器進行了改進，使其具有手動控制與上位機控制的切換功能。改進后的控制器能夠接收上位機產生的PWM控制信號，該信號經驅動后輸出控制模擬降雨的強度。這樣既保留了控制器手動控制模擬降雨裝置的功能，又能夠使用組態監控系統實現上位機的控制。水壓的實時測量與調節通過在上水母管增加壓力傳感器，并直接連接工控機（上位機）板卡，并由上位機產生信號控制變頻器實現。由變頻器控制水泵的轉速實現降雨裝置壓力與流量調節。系統框圖如圖2所示。
圖2 人工模擬降雨試驗監控系統系統框圖
系統硬件主要包括：上位機（研華工控機），研華的1711PCI板卡，研華的PCL720板卡，手動控制器控制電路，壓力傳感器，變頻器，水泵及驅動執行機構等。
1) 研華的1711PCI板卡，具有16路數字輸入DI、16路數字輸出DO、16路模擬量輸入AI、2路模擬量輸出AO、1路計數器/定時器。主機與現場監控信號的輸入輸出均通過1711板卡實現。
2) 研華的PCL720板卡，輸出上位機的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) 手動控制器控制電路，利用CD4052實現了手動控制與上位機控制的切換功能。如圖3所示，在手動控制的情況下，脈沖發生模塊產生不同頻率的PWM信號，而脈沖控制模塊則改變PWM信號的占空比，實現對降雨裝置離合器的控制[2]；在上位機控制時，上位機輸出脈沖信號取代控制電路的脈沖發生模塊和脈沖控制模塊的功能，輸出經驅動后控制離合器，實現不同強度的模擬降雨。
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的研華的1711PCI板卡。
5) 變頻器，采用西門子公司生產的MICROMASTER系列A型變頻器6SE92，此種變頻器采用微處理器及IGBT技術，具有較高的可靠性和靈活性，采用高頻脈沖頻率的脈寬調制方式，實現電機超靜音運行[5]。
系統監控利用三維公司的力控組態軟件作為開發平臺，在此平臺上開發出了一套人工模擬降雨裝置的綜合測控系統。該系統可實現對模擬天然降雨過程的系統報警、圖形顯示及人機對話、現場數據采集與輸出、實時趨勢和歷史趨勢曲線、實時數據的存儲以及報表的生成等功能。
以10臺模擬降雨裝置的試驗為例，監控系統需要采集10路水壓信號（模擬量），還要針對當前水壓產生10路控制信號控制變頻器以調節水壓，另外，系統向現場裝置發出5路計算機和手動控制切換信號、以及5路降雨強度選擇信號。相應的I/O點主要包括：雨強控制輸出信號，水壓輸入信號，控制切換信號，變頻控制信號4大類，共30個I/O點。以兩臺降雨裝置和一個控制器為一組I/O點的定義如表1所示。
表1部分I/O點的參數表
在定義I/O點后，啟動力控設備連接向導，按照設備安裝對話框的提示完成I/O設備的配置工作，I/O設備配置完成后，在導航器中將列出I/O設備的設備名稱，同時，所生成的設備名稱即可以用于數據連接過程。然后，運用數據庫管理器DbManager完成點參數組態、點類型組態、點組態、數據連接組態、歷史數據組態等功能。
圖4為人工模擬降雨試驗監控系統主監控界面集中監控10臺降雨裝置的運行情況，實現的功能有：控制方式切換，降雨強度選擇，噴頭單雙次擺動選擇，當前水壓的顯示及數據保存。
在實際的現場應用當中，人工模擬降雨試驗監控系統性能穩定，界面友好，可操作性強，系統功能可擴展性強，在很大程度上滿足了試驗的需要。圖5為現場應用時，單臺控制界面實時運行曲線圖。
圖4人工模擬降雨試驗監控系統主監控界面
圖5 單獨控制界面實時運行曲線圖
4 結語
本文在鄭宏偉等研制的一種新型人工模擬降雨實驗裝置基礎上，針對人工模擬降雨試驗中的實際問題，結合現有的試驗裝置，對其進行了技術改造，將試驗過程的常用設備和工具軟件結合在一起，研究開發了一套應用于人工模擬降雨實驗的監控系統，在試驗中得到了運用，并取得了較好的效果。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號