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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(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(huán)境。用這種方法可以彌補在自然降雨條件下，因環(huán)境變化，而無法得到的試驗期內(nèi)計劃的研究結(jié)果，或者進一步補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提供科學(xué)依據(jù)，定量的評價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(guī)律、土壤侵蝕規(guī)律的研究進程，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[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(xiàn)了不同強度的模擬降雨，在人工模擬降雨試驗中得到了應(yīng)用。本文將針對同時應(yīng)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(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人工模擬降雨裝置的狀況，在結(jié)合降雨試驗要求實際工作情況的基礎(chǔ)上，提出采用工控組態(tài)監(jiān)控軟件對人工模擬降雨實驗裝置技術(shù)改進[3-4]。在對模擬降雨實驗裝置采用工控組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟硬件進行介紹的基礎(chǔ)上，給出了所設(shè)計的新控制系統(tǒng)在人工模擬降雨試驗中的實際應(yīng)用。
2 人工模擬降雨試驗及其監(jiān)控系統(tǒng)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(wěn)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(diào)節(jié)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(jiān)控人工模擬降雨裝置的運行。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，實現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案及其組成
監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計針對手工調(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(diào)節(jié)水壓，二是建立上位機的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)同步控制多臺人工模擬降雨裝置并實時監(jiān)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(chǎn)生的PWM控制信號，該信號經(jīng)驅(qū)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(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)上位機的控制。水壓的實時測量與調(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（上位機）板卡，并由上位機產(chǎn)生信號控制變頻器實現(xiàn)。由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速實現(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 人工模擬降雨試驗監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)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(qū)動執(zhí)行機構(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路計數(shù)器/定時器。主機與現(xiàn)場監(jiān)控信號的輸入輸出均通過1711板卡實現(xiàn)。
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(xiàn)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(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，實現(xiàn)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(fā)生模塊和脈沖控制模塊的功能，輸出經(jīng)驅(qū)動后控制離合器，實現(xiàn)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(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，實現(xiàn)電機超靜音運行[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，在此平臺上開發(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)可實現(xiàn)對模擬天然降雨過程的系統(tǒng)報警、圖形顯示及人機對話、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與輸出、實時趨勢和歷史趨勢曲線、實時數(shù)據(jù)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(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(yīng)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(shù)表
在定義I/O點后，啟動力控設(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，所生成的設(shè)備名稱即可以用于數(shù)據(jù)連接過程。然后，運用數(shù)據(jù)庫管理器DbManager完成點參數(shù)組態(tài)、點類型組態(tài)、點組態(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監(jiān)控系統(tǒng)主監(jiān)控界面集中監(jiān)控10臺降雨裝置的運行情況，實現(xiàn)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(dāng)前水壓的顯示及數(shù)據(jù)保存。
在實際的現(xiàn)場應(yīng)用當(dāng)中，人工模擬降雨試驗監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，界面友好，可操作性強，系統(tǒng)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(xiàn)場應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)主監(jiān)控界面
圖5 單獨控制界面實時運行曲線圖
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驗裝置基礎(chǔ)上，針對人工模擬降雨試驗中的實際問題，結(jié)合現(xiàn)有的試驗裝置，對其進行了技術(shù)改造，將試驗過程的常用設(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驗的監(jiān)控系統(tǒng)，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