移动式人工模拟降雨系统设备是专门为科研实验研制开发的一种可移动喷射型模拟仿真自然降雨设备。该系统设备在充分吸纳借鉴当前国内外同类设备先进工艺基础上，结合现代新技术的发展趋势，大胆进行了技术创新。用目前世界上最为先进的垂直下喷式喷头模拟自然降雨；控制系统采用先进的闭环自动控制技术，配备以高灵敏雨量计和多参量数据采集器，以终端实际降雨参数调节控制整个降雨过程，并可实时在线显示模拟降雨的动态变化及曲线。这样既对模拟降雨现场测量结果有直接参考意义，又便于很快调节雨强至实验要求值(如无此功能，降雨前的降雨率定调节很费精力和时间)，还有效克服了从水源到喷头各个环节的损耗和阻力造成的误差，经过多次率定试验，所模拟雨滴粒径、降雨动能与天然降雨十分接近。整个模拟降雨系统涉及机电一体化、给排水管道施工、自动化控制、软件开发等不同专业，同时需要大量的零部件试验、调试、安装搭接才能达到实验性能要求。

• 雨强连续变化范围：10~ 200mm/h。

• 降雨移动行程总面积：6.2m*39.8m=246㎡。（可定制）

• 降雨单区有效面积：4m*7.5m（不分区）。（可定制）

• 降雨移动区域：五个区

• 降雨均匀度：＞0.80。

• 雨滴大小调控范围：0.4-6mm。

• 降雨高度： ≥6m。

• 雨强变化响应时间：＜30s。

• 雨量计承雨口内径：Φ200±0.6mm。

• 雨量计分辨率： 0.1mm。

• 主控制器工作电压： AC  220V  50Hz。

• 信号采集器及显示屏工作电压：DC 24V 。

• 工作环境温度： 0~+60℃ 湿度：≤95%RH。

• 数据采集器存储容量≥1000条。

• 降雨采样间隔10~9999秒可调。

• 通讯方式： TCP/IP和RS485。

• 设计使用寿命：大于10年。

• 管道材质：免生锈钢塑复合管。

• 数据采集处理软件：可实现降雨过程曲线动态绘制及模拟雨强的实时动态显示，并能实现历史数据的存储与下载。

• 喷头的要求：旋转下喷式喷头，不锈钢材质，大中小3种喷头。

• 供水水源由降雨大厅供水到室外降雨处，总长为90m。

一、控制系统组成

本控制系统硬件部分包含平板电脑一台，控制柜一台。

平板电脑采用高端工业级产品，具有IP67防尘防水等级，并通过1米高度坠落试验，可充分满足用户室内外各种使用环境。

控制柜内含嵌入式中控器一台，AC/DC电源一台，空开、接触器等附件若干。

实现对1台变频器的起停控制，3个开关阀的开关控制及状态反馈，1个调节阀的开度调节控制，监测1个压力传感器、1个液位传感器、1个雨量桶等。

二、控制方式

本系统控制方式采用自主研发的PID闭环控制法。 在降雨区所布设的压力传感器、雨量计可以实时监测供水管道内压强及实际降雨强度的大小，并将采集参数回传至高性能MUC控制单元，利用内置PID算法快速响应系统反馈的数据，并结合当前降雨场景制定调节方案，实现精准调控。通过闭环控制，可以精准地模拟不同雨强的自然降雨，有效排除系统率定误差，较大程度上排除动力系统、管路及喷头瞬时扰动对降雨的影响，避免了供水滞后带来的惯性波动，使雨强调控过程更加平稳，相较传统控制系统更加准确、稳定、高效。

三、 控制系统组成

控制系统硬件部分为本降雨系统定制的上位机、下位机系统，可移动控制终端及相关传感器组成。

1）下位机部分

控制系统下位机的主控采用ST意法半导体基于ARM Cortex-M3内核的高性能系列MCU；

传感器采集选用Sigma-Delta式可编程ADC。采样分辨率24Bit，采样速率最高可达19200样本/秒；

下位机通过内嵌WIFI模块及自主研发的780MHz射频模块与平板电脑端进行连接，并通过TCP/IP或串行通信协议进行通信。相关无线通信方案：802.11b/g/n及Sub-1GHz均符合国家标准要求；

控制器与变频器、回水阀之间使用的工业485差分信号总线进行通信，遵循ModBus通讯协议；阀门控制部分采用MOSFET半导体技术。

2）上位机部分

控制系统上位机采用基于JAVA面向对象的处理软件，由程序逻辑主体、数据库及图形界面几个部分组成。

实现了对数据实时显示、实时处理和实时存储，将当前系统运行实际情况以直观图形、准确数据的方式呈现在用户界面上，实时绘制降雨过程压力、雨强的曲线，动态描绘降雨过程，用户可通过与曲线图交互查询任意点具体参数。

图形界面可将变频器、回水阀及各开关阀和传感器数据实时采集并以准确数据形式显示于主界面，且以直观图像显示当前喷头的开关状态，方便用户掌握系统各部实际运行状况。

系统内部数据接口实时处理下位机上报数据，形成与时间关联的参数条目存入数据库，并记录操作日志。用户可通过软件相关功能入口随时筛选任意时段的后台数据和操作日志进行查看，并可生成Excel或TXT文件进行转存、下载。

软件可实现对降雨启动、运行参数的全面灵活设置和定义，设有多种降雨方式，可由用户自由组合使用，并可对用户提出的功能需求进行后期不定时更新。

上位机软件内置智能在线故障监测报警系统，通过实时检测系统运行状态，发现故障即时在用户界面界面上以醒目的标识或弹窗提示用户问题详情和故障代码，方便用户及时了解情况并进行相应处置，出现认为误操作而造成的重大安全故障时，系统会自行停机，以保护设备。

3）控制终端部分

控制终端采用内置正版Windows10操作系统的工业级平板电脑，全高清显示屏，防水等级可达IP67级，内置Intel CPU，集成Intel HD Graphic图形处理器，256G存储空间、4G内存，硬件性能强大。终端内置无线功能模块，无需外接任何设备即可与中控器连接。便携式主机外部设有USB、SD卡槽、HDMI等接口，扩展性强。内置12000mAH电池，可满足长时间使用的需求。

4）传感器部分

传感器防护等级可达IP65，精度±0.5%FS，长期稳定度±0.3%FS（Max），可在0~50℃温度范围自行进行温度补偿，工作温度-30~80℃，带负载能力强。内置4-20mA变送器，将电压信号转置成标准4-20mA信号进行输出，大大提高抗干扰能力和传输距离，具有高准确性和高可靠性特点。

五、 配套降雨设备钢结构

1)  钢结构形式为门式钢架，基础形式为独立基础，降雨高度为6m，移动式无线遥控降雨。

2)  门式钢架结构安全等级：二级，抗震设防类别：丙类，抗震设防烈度：7度；设计基本抗震加速度0.10g，设计地震分组第一组。地基础设计等级：丙级，基础采用独立基础，其承载力特征值按faK=180KPa计算。

3)  屋面荷载：0.45KN/m（用于钢架计算）；基本雪压：0.45KN/m；基本风压：0.50KN/m；屋面静载荷：0.25KN/m。

4)  钢结构钢柱、钢梁材料选用碳钢Q235B，抗风柱、檩条材料选用碳钢Q235B；屋顶采用CPU透明材料。

5)  钢结构跨度6.2m，长度39.8m。

六、配套降雨设备移动装置

1)  此装置承载降雨喷淋系统整体移动降雨，移动距离为40m，无线遥控控制移动。

2)  移动荷载：3T。

3)  移动区域：五个区。

水保、水利、水文、农林、气象等科研院所。