Ondřej Nývlt, Petr Kavka
Článek po úvodním popisu principů činnosti simulátoru deště a významu tohoto zařízení pro analýzu vodní eroze půdy podrobně informuje o výsledcích dosažených v první etapě modernizace mobilního simulátoru deště provozovaného Fakultou stavební ČVUT v Praze. Pozornost je věnována zejména novému řídicímu systému tohoto zařízení. Jsou uvedeny mj. první výsledky získané při ověřovacích zkouškách modernizovaného simulátoru v polních podmínkách a naznačeny směry dalšího rozvoje nového řídicího systému.
This paper describes in its first part a principle and an importance of a rainfall simulator for an analysis of soil erosion. In its main part the paper presents results which were achieved during the first phase of modernisation of the mobile rainfall simulator operated by Faculty of civil engineering at CTU in Prague. Attention is paid especially to a new control system of the simulator. The first results obtained at field tests of the modernised simulator as well as planned future extensions of its new control system are also included.
1. Úvod a motivace
K vodní erozi půdy dochází v důsledku rozrušování povrchu půdy dešťovými kapkami a následného odnosu půdy povrchovým odtokem. Splavovaná svrchní a zároveň na živiny nejbohatší vrstva půdního krytu poté zanáší další části krajiny, včetně vodních toků či nádrží, a často tak poškozuje i lidská sídla a stavby. Jde o přírodní proces, který je obtížné sledovat, protože je závislý na příčinné dešťové srážce. Přirozeně se vyskytující intenzivní deště jsou velmi variabilní co do intenzity a vyskytují se náhodně. Proto je pro potřeby lokálních měřítek nahrazován přirozený déšť umělým s použitím simulátorů deště (jinak také dešťový simulátor – DS), využívaných po světě již déle než 50 let. Simulátory deště se využívají jak v laboratorních podmínkách, tak i přímo v terénu. Jejich hlavní předností je schopnost poměrně pohotově získat potřebné údaje (bez nutnosti čekat na přirozený déšť) za relativně stejných podmínek. Experimenty v laboratoři, při nichž lze detailně a opakovatelně sledovat mnoho půdních i odtokových charakteristik, lze při sledování vlivu vegetace využít jen omezeně [1].
Simulátory deště se kategorizují především podle svých rozměrů a způsobu použití a také podle principu tvorby kapek. Principů generování deště se používá mnoho, v základě se dělí na pulzní a kyvné.
Princip kyvných simulátorů spočívá v pohybu ramene, kdy je intenzita deště dána počtem kyvů ramene nad postřikovanou plochou. Předností je stabilní průtok, nedostatkem je větší spotřeba vody, která je u velkých zařízení a při použití v terénu limitující.
U pulzních simulátorů se požadované intenzity deště dosahuje otevíráním a zavíráním přívodu vody do trysek. Jde o systém náročnější na ovládání, neboť každou trysku je třeba ovládat zvlášť. Z hlediska udržení stálého tlaku vody v zařízení je nutné „spínat“ jednotlivé trysky v jejich těsné blízkosti. Při spínání po sekcích vzniká zpoždění a tlak vody v trysce nabíhá pomalu. Z hlediska generování umělého deště je důležité přesně udržovat kinetickou energii kapek, intenzitu a rovnoměrnost deště. Kinetická energie kapek, která je hlavním činitelem rozrušování půdních agregátů, je závislá na hmotnosti (velikosti)
kapek a rychlosti jejich dopadu do půdy.
Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství Fakulty stavební ČVUT v Praze (FSv ČVUT) provozuje od roku 2001 halový simulátor deště [2] a následně také mobilní simulátor, který je využíván pro potřeby různých projektů od roku 2011 [3]. Hlavním úkolem mobilního simulátoru je provést erozní experiment, jehož základem je měření průběhu povrchového odtoku a množství erodovaného materiálu v čase. V roce 2015 bylo přijato rozhodnutí dosavadní mobilní simulátor kompletně zrenovovat a zmodernizovat, pokud jde o akční členy, pohon, rozvody vody a řídicí systém. Na realizaci nového řídicího systému se podílela firma Feramat Cybernetics, s. r. o. Jeho základem je modulární programovatelný automat WAGO-I/O-System 750, jehož jádrem je procesorová jednotka PFC 750-8202. Projekt modernizace simulátoru se skládá z několika etap – v první bylo renovováno zařízení a nainstalován nový řídicí systém, který umožňuje řídit a sledovat provozní veličiny simulátoru (průtok vody, sekvence otevírání trysek atd.) při použití bezdrátového uživatelského ovládání prostřednictvím PC, tabletu nebo inteligentního mobilního telefonu. Rozváděč řídicího systému byl záměrně naddimenzován, protože v dalších etapách bude sestava simulátoru deště rozšiřována o různé snímače hydrologických veličin, jejichž údaje se budou zaznamenávat do souborů na paměťovou kartu SD v procesorové jednotce PFC programovatelného automatu (PLC) pro pozdější zpracování. Do budoucna se např. připravuje přímé měření a kontinuální záznam průtoků v měrném žlabu, vlhkosti půdy a srážek.
2. Současný mobilní simulátor deště FSv ČVUT
2.1 Konstrukce simulátoru
Samotné uspořádání mobilního simulátoru deště FSv ČVUT (dále jen „simulátor“, popř. „zařízení“) je podřízeno potřebám snadného ovládání a častého použití v terénu (obr. 1). Sada trysek je nesena na rozkládacím rameni z příhradové konstrukce s podporami. Délka ramene v rozloženém stavu je 10 m, takže je dosaženo rozměrů postřikované experimentální plochy 10 × 2 m. Experimentální plocha je po obvodu ohraničena plechovou bariérou dole ukončenou koncentračním plechovým sběračem ve tvaru trychtýře, který sbírá povrchový odtok se splaveninami do nádoby nebo jiného měřicího a vzorkovacího zařízení.
Úkolem při modernizaci bylo mj. nastavit počet a vzdálenost postřikovacích trysek tak, aby experimentální plocha byla postřikována s co možná největší plošnou homogenitou. Tím nutně vznikají přestřiky do stran, kde je intenzita postřiku menší, což znamená větší požadavky na množství vody pro jednotlivý každý experiment, protože je jen zčásti využita k vlastnímu měření v mezích experimentální plochy.
Nejdůležitějším parametrem při měření s použitím simulátoru deště je, kinetická energie kapek, závisející jednak na pádové výšce kapek a jednak na jejich velikosti, která je dána typem trysky a zároveň tlakem vody v zařízení (dále jen „tlak“). Tlak je základním provozním parametrem každého simulátoru deště s tryskami, takže je důležité ho během měření udržovat konstantní a garantovat, že bude tentýž i při opakování měření. Nastavovat požadovanou intenzitu deště je vhodné nikoliv změnou tlaku v trysce, která by ovlivnila charakter deště, ale přerušováním výtoku z trysky při použití předřazeného elektromagnetického ventilu. Ventily u jednotlivých trysek jsou řídicím systémem otevírány a uzavírány v předem určeném naprogramovaném pořadí a intervalech. Za účelem minimalizovat rázy v rozvodu vody a udržet tak co možná homogenní výtok z trysek se u současných konstrukcí simulátorů používá střídavé otevírání a uzavírání stejně početných skupin trysek tak, aby průtokové poměry v rozvodu vody byly co možná stálé.
Vzhledem k potřebě garantovat stabilní charakteristiky vytvářeného deště byla provedena analýza dřívějších kalibračních měření jak z hlediska rovnoměrnosti postřiku, tak i z hlediska kinetické energie kapek. Výsledky analýz ukázaly potřebu poměrně zásadně obnovit dosavadní simulátor.
V původní sestavě simulátoru byly zapojeny čtyři trysky ve vzdálenostech 2,4 m od sebe. Ty byly v roce 2015 nahrazeny celkem devíti tryskami zapojenými ve skupinách po třech. Účelem je dosáhnout lepší rovnoměrnosti postřiku při menším provozním tlaku (při návrhových intenzitách deště okolo 60 mm/h) a také větší variability nastavení charakteristik deště (zejména prostorové i časové homogenity). Trysky jsou typu Spraying System WSQ 40 [4] a jejich vzájemný odstup je 1,2 m.
Standardní délka měřicí plochy byla stanovena na 8 m, zbylý postřikovaný prostor je využíván k umístění srážkoměru a k měření na menší postřikované ploše s rozměry 1 × 1 m, využívané k měření eroze působené výhradně plošným odtokem (tzv. mezirýžková eroze). Současnou konfiguraci trysek simulátoru a umístění experimentálních ploch vzhledem k tryskám ukazuje náčrtek na obr. 2, pohled na postřikovací rameno simulátoru připravované k měření je na obr. 3 (před zakrytím ochrannými plachtami).
Původní elektricky poháněné čerpadlo napájené z mobilní elektrocentrály bylo při modernizaci nahrazeno čerpadlem o výkonu 120 l/min poháněným zážehovým benzinovým motorem. Výkon tohoto čerpacího soustrojí je dostatečný k vyrovnání ztrát v potrubí i k dosažení maximální teoretické intenzity srážek 130 mm/h. Při standardním měření se předpokládá intenzita srážek 50 až 70 mm/h.
Celé zařízení je transportováno ve složeném stavu na přívěsném vozíku za automobil. Vedle konstrukce postřikovacího ramene jsou součástmi sestavy simulátoru nádrž na vodu o objemu 1 000 l, rozváděč s vlastní řídicí jednotkou a již zmíněné výkonné čerpací soustrojí.
2.2 Hardware řídicího systému
Nový řídicí systém simulátoru se skládá z hardwarových komponent tří typů: akčních členů, snímačů a vlastního řídicího systému. Jako akční členy jsou použity:
- solenoidové ventily (jeden pro každou trysku, tj. devět kusů celkem, každý s proudovým odběrem 1,1 A), fyzicky propojené do tří skupin (1+4+7, 2+5+8, 3+6+9); přivedením napětí 12 V DC ventil otevírá přívod vody do trysky; najednou mohou být aktivované všechny ventily, a je tedy nutné dostatečně dimenzovat napájecí zdroj,
- regulační ventil značky Arag, udržující konstantní tlak v zařízení; ovládá se signálem ±12V DC, kdy polarita přivedeného signálu určuje směr pohybu kuželky ventilu,
- ventil hlavního obtoku, také značky Arag, přes který jde voda z čerpadla ke zmíněnému regulačnímu ventilu; ovládán je signálem ±12 V DC, kdy polarita určuje směr pohybu, při době přejezdu z úplného otevření do úplného zavření asi 1,2 s,
- dvoupolohový ventil značky Bragila, umístěný za regulačním ventilem a ovládající obtok přívodu vody do trysek; je ovládán připojením/odpojením napětí 12 V DC (obr. 4).
Ze snímačů je prozatím zapojen pouze snímač tlaku DMP 331 od firmy BD Sensors s proudovým výstupem, který měří tlak v hadicích na rameni u trysek a poskytuje základní údaj pro zpětnovazební regulaci.
Hardware vlastního řídicího systému tvoří jednotky modulárního systému WAGO-I/O-System 750 (PLC, karty I/O, napájecí zdroje) v sestavě:
- procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202 s ethernetovým portem Ethernet (obr. 5),
- karta DO (8×) WAGO 750-530 ke spínání relé a ovládání akčních členů,
- karta DI (8×) WAGO 750-430 s napojeným tlačítkem umístěným na dveřích rozváděče,
- karta AI 0 až 20 mA (4×) WAGO 750-453 s napojeným snímačem tlaku,
- zdroje napájení WAGO 787-1631 12 V DC (15 A) a WAGO 787-1606 24 V DC (2 A).
Vedle zmíněných komponent řídicí systém ještě obsahuje nutnou „bižuterii“ v podobě relé, jističů či ochran a také směrovač (router) WiFi, který vytváří malou lokální síť, do které je zapojena jednotka PFC, a díky němuž lze celé zařízení bezdrátově ovládat z tabletu/PC. Pohled na řídicí rozváděč simulátoru je na obr. 6.
2.3 Požadavky při simulování deště
2.3.1 Základní úlohy řídicího systému
Z požadavků kladených v simulátoru na řídicí systém jsou nejdůležitější rychlost nastavení požadovaných parametrů deště a garance udržení provozních hodnot parametrů simulátoru v požadovaných mezích. Základní čtyři úlohy požadované od řídicího systému simulátoru lze formulovat takto:
- Udržovat během aktivního chodu simulátoru konstantní tlak v potrubí přivádějícím vodu z nádrže přes čerpadlo do trysek, z nichž proudí voda stále pod stejným tlakem nezávisle na počtu otevřených trysek.
- Zaručit bezpečné spuštění a ukončení činnosti zařízení tak, aby při uzavření trysek tlak vody nepoškodil přívodní hadice. Čerpací soustrojí vhánějící do potrubí vodu z nádrže lze totiž ovládat pouze manuálně a jeho výkon nelze řídit ani je nelze vypnout z PLC.
- Scénáře chodu trysek simulátoru musí být začleněny přímo do programu procesorové jednotky PFC.
- Zaručit automatický chod simulátoru tak, aby operátor nemusel složitě nastavovat parametry zařízení a aby ho stačilo jen rychle zaškolit. Operátor by měl simulátor ovládat bezdrátově z notebooku nebo tabletu.
2.3.2 Regulace tlaku vody (úloha ad 1)
Udržovat tlak v potrubí vedoucím vodu od čerpadla ke tryskám na určité nastavené konstantní hodnotě je zcela zásadní požadavek.
Za tím účelem jsou v regulační smyčce zapojeny snímač tlaku, umístěný na postřikovacím rameni simulátoru, a regulační ventil. Nepříjemné na regulačním ventilu je, že je jednak ovládán polaritou (tj. pokud není přivedeno napětí, zůstává ve stálé poloze; je-li přivedeno +12 V, pohybuje se na jednu stranu, je-li přivedeno –12 V, pohybuje se na druhou), takže je třeba správně zapojit dvojici relé, a jednak neposkytuje žádnou zpětnou vazbu o poloze svého činného prvku či o dosažení konce rozsahu. Není tedy známo, nakolik je otevřený, a jeho otevření nelze nastavit na konkrétní hodnotu např. 25 %. Dopředná regulace tedy nemá smysl a je nutné využít zpětnou vazbu ze snímače tlaku. Vlastní regulační algoritmus využívá empiricky naladěnou strategii založenou na pravidlech (rule-based), kdy je ventil po krocích otevírán/zavírán podle vzdálenosti aktuální hodnoty tlaku od hodnoty požadované. Podle měření v terénu je tento regulátor tlaku zcela funkční, doba ustálení tlaku je přiměřeně krátká a hodnota tlaku setrvalá. Funkce regulace tlaku se zapíná pouze v okamžiku, kdy je otevřena alespoň jedna tryska. Jestliže jsou všechny trysky zavřeny, regulace se vypne (regulační ventil zůstane v poloze, kde právě skončil) a aktivují se obtoky (bypass).
2.3.3 Bezpečné spuštění a ukončení činnosti simulátoru (úloha ad 2)
Pro účel blokace vstupu vody do potrubí je simulátor opatřen dvěma obtoky. Prvním je hlavní ventil, který přivádí vodu k regulačnímu ventilu a který také může sloužit jako obtok. Jeho uzavřením se tedy zcela zamezí vstupu vody do zařízení. Druhým obtokem je ventil uzavírající vstup do ramene s tryskami. Tento obtok je nutné aktivovat v případě, že se všechny trysky uzavřou a voda pod tlakem by neměla kam odtékat. První z uvedených obtoků představoval stejný problém s přepínáním polarity napájení jako regulační ventil. Vzhledem k tomu, že řídicí systém není trvale napájen, obtoky se při zapnutí napájení, po dobu, než začne fungovat jednotka PFC, nacházejí v „bezpečném“ stavu, tj. zapojení relé při stavu „logická 0“ odpovídá aktivovaným obtokům. Navíc je na dveřích rozváděče spolu s hlavním vypínačem napájení celého zařízení i přepínač, který teprve po nastavení do polohy „zapnuto“ povolí zapnout regulaci. Při přepínači v poloze vypnuto jsou aktivovány všechny obtoky a trysky jsou zavřeny (tzn. bezpečný stav). Správný postup obsluhy je tedy takový, že před vypnutím napájení nejprve přepne přepínač do polohy vypnuto a počká, až se přestaví ventily. Obdobně je třeba při zapnutí napájení nejprve vyčkat, poté přepínač přepnout do polohy zapnuto a teprve následně lze spustit scénář chodu trysek. Stav přepínače je indikován na operátorském rozhraní simulátoru (viz obr. 7).
2.3.4 Scénáře chodu trysek (úloha ad 3)
Pouze regulace na vybranou hodnotu tlaku pro správný chod simulátoru nestačí. To je jen základní funkce, bez které simulátor nemůže fungovat. Pro účely správného vedení experimentů je dále nutné realizovat patřičné scénáře chodu trysek, podle nichž se v závislosti na čase automaticky otevírají/zavírají příslušné postřikovací okruhy, takže operátor nemusí řídit experiment ručně za použití stopek. Experti z FSv ČVUT navrhli pět scénářů, které splňují jejich požadavky, a tyto scénáře byly zahrnuty do řídicího programu PLC PFC. Uživatel pouze zadá délku pauzy a dobu, po kterou mají být otevřeny trysky,
a aktivuje vybraný scénář. Ten se pak se zadanou pauzou periodicky opakuje až do deaktivace obsluhou.
2.3.5 Automatický chod simulátoru (úloha ad 4)
Ovládání simulátoru musí být intuitivní – uživatel musí být zbaven starostí o chod regulace. Proto byl přímo na webovém serveru jednotky PFC vytvořen jednoduchý vizualizační program, který je po připojení na síť WiFi řídicího systému dostupný z libovolného webového prohlížeče s podporou jazyka Java nebo při použití aplikace WAGO WebVisu-App pro operační systémy Android a iOS. Základní operátorské zobrazení funguje jako rozcestník s odkazy také na servisní okna, v nichž lze kompletně manuálně ovládat všechny akční členy simulátoru (obr. 7) nebo spravovat parametry jednotlivých funkcí, např. zpracování dat ze snímače, filtrace dat, záznamníku dat (datalogger), regulace atd. Servisní okna běžný operátor nepoužívá.
Nejdůležitějším zobrazením pro běžného operátora simulátoru je položka scénáře (obr. 8), kde vybere jeden z předem připravených scénářů, navolí délky úseků (tj. dobu otevření trysky a délku pauzy), zapne/vypne logování a aktivuje/deaktivuje chod scénáře. Nic víc nepotřebuje ovládat, ostatní se děje automaticky. Když zapne logování, jsou každou sekundu ukládány údaje o tlaku vody, aktivitě trysek (tj. otevřena/zavřena) a vybraném scénáři do souboru csv na kartě SD jednotky PFC. Data lze přímo prostřednictvím webového prohlížeče sledovat v programu Dataplotter, nainstalovaném v jednotce PFC, či si je stáhnout do PC.
3. Zkušenosti z praxe
Modernizovaný simulátor, včetně nového řídicího systému, je od druhé poloviny roku 2015 využíván v rámci projektů výzkumu eroze a povrchové a podpovrchové hydrologie. Možnost rychle nastavit a korigovat hodnoty vstupních veličin, kterou nabízí, je důležitá především z hlediska výzkumu vlivu vegetace na erozi a povrchový odtok, kdy je základem metodiky porovnání měření vykonaného na vzorku s vegetací se vztažným měřením provedeným na udržovaném úhoru. Důležité pro obě měření je nastavit a v průběhu experimentu udržet konkrétní tlak vody. Možnost nastavit sekvenci srážek o různých intenzitách je důležitá jednak při replikaci přirozených srážek a jednak při ověřování odezev návrhových hydrogramů, což bude předmětem zájmu v budoucnu.
Možnost použít bezdrátové ovládání prostřednictvím tabletu nebo mobilního telefonu přes síť WiFi se ukázala jako velmi užitečná vzhledem k tomu, že je možné zároveň vizuálně sledovat průběh měření i ovládat zařízení, popř. na dálku sledovat a řídit jeho chod.
Inovovaný simulátor deště musel být vyzkoušen, aby se ověřilo, zda produkuje umělý déšť požadovaných parametrů s potřebnou přesností. Určujícím parametrem je přitom index rovnoměrnosti, tzv. CU-index [5]. Část výsledků rozšířených měření prostorového rozložení umělého deště při stabilním nastavením tlaku vody uskutečněných na hotovém zařízení je pro ilustraci uvedena v tab. 1.
Z údajů v tab. 1 je patrné, že jednotlaký scénář č. 3 (schéma trysek 3) s průměrnou intenzitou srážek 50 mm/h produkuje velmi vhodné a stabilní pokrytí deštěm (CU-index = 82,9 %) se směrodatnou odchylkou intenzity 16 %. Při zařazení pauzy do schématu lze při zachování rovnoměrnosti dosáhnout intenzity srážek 40 mm/h. Jednotlaký scénář č. 4 (schéma trysek 2) produkuje větší intenzity srážek, se kterými by bylo možné zařazením pauzy dosáhnout požadované intenzity od 50 do 100 mm/h. Rovnoměrnosti jsou stále na velmi dobré úrovni (CU-index nad hranicí 80 %). Relativní směrodatná odchylka intenzity je ve všech případech téměř stejná. Lze tedy konstatovat, že s novým zařízením je možné dosáhnout libovolné intenzity srážky od 20 do 150 mm/h s dostatečnou přesností a se zachováním uspokojivé rovnoměrnosti po ploše.
Uvedené tvrzení bylo prokázáno a ověřeno měřením průtoků jednotlivými tryskami a měřením na plachtě po celé pracovní ploše. K nastavení intenzity deště již není nutné měnit tlak v zařízení, což v minulosti negativně ovlivňovalo jeho další parametry. Změny je nyní dosaženo stanovením doby otevření jednotlivých sekcí trysek a délky vložené pauzy bez deště. Novým zařízením se dosahuje lepšího pokrytí okrajů plochy (v podélném směru) deštěm, jeho chod je stabilní a automatizovaný.
Stabilitu tlaku v zařízení a v rozložení intenzity deště v čase lze posoudit na záznamu z experimentu ověřujícího vlastnosti modernizovaného zařízení na obr. 9. Na začátku záznamu je patrný přechodový úsek, kdy se tlak v potrubí nastavuje na požadovanou hodnotu. Dále je během celé simulace tlak konstantní až po pokles hodnot zaznamenaný na závěr po vypnutí simulátoru. Z grafu na obr. 9 je rovněž patrný vyrovnaný průběh intenzity deště, přičemž záznam minutové intenzity deště H je velmi podrobný a nad rámec možností používaného člunkového srážkoměru.
Pro porovnání se současným stavem je na obr. 10 ukázán průběh tlaku před zavedením nového řídicího systému se zpětnou vazbou ze snímače tlaku. Hodnoty tlaků zde vykazují během měření značnou variabilitu a velmi kolísá i intenzita deště.
4. Závěr a další vývoj
V současnosti je úspěšně završena první etapa projektu modernizace mobilního simulátoru deště FSv ČVUT, tj. návrh a realizace jeho základního řídicího systému po stránce jak hardwaru, tak i ovládacího softwaru, uživatelského rozhraní s použitím vizualizace a zpětnovazební regulace tlaku. Chod simulátoru je vyladěn, takže uživatel nemusí nastavovat žádné parametry. Operátor jen vybere schéma, nastaví doby trvání deště a pauzy a zapne/vypne logování. Systém je úspěšně vyzkoušen v praxi v polních podmínkách, přičemž se dostalo velkého uznání jeho vizualizaci fungující na jakémkoliv tabletu i inteligentním telefonu s operačním systémem Android. Hlavní přínos spojení řízení se zaznamenáváním dat spočívá v tom, že lze opustit dosavadní praxi, kdy bylo nutné zaznamenávat naměřené hodnoty ručně nebo s použitím autonomních záznamníků dat a následně srovnávat časy pořízení apod., tedy postupovat způsoby náchylnými ke vzniku chyb.
Projekt simulátoru není z pohledu automatizace a snímací techniky uzavřen a vstupuje do další etapy, kdy je plánováno přidání dalších čidel a převodníků. K tomuto má modernizovaný řídicí systém simulátoru velmi dobré předpoklady: dostatečně dimenzovaný rozváděč, možnost přidat další karty I/O ze systému WAGO-I/O-System 750, a především záznamník dat vestavěný v jednotce PFC, který poskytuje přesně tu integrující funkci, která předchozí verzi simulátoru chyběla. Po připojení nových snímačů k řídicímu systému se jejich výstupní údaje budou automaticky logovat synchronně s časem a s ostatními údaji, jako jsou tlak, vybraný scénář či aktivované trysky. Analytik si pak snadno stáhne soubor typu CSV z jednotky PFC prostřednictvím WiFi k následnému zpracování a vyhodnocení měření v kanceláři.
V plánu je především připojení ultrazvukového převodníku polohy hladiny Banner U-GAGE S18U, kdy z naměřených hodnot bude možné vypočítat průtok. Dále je v plánu připojení srážkoměru s funkcí ověření bodové hodnoty srážky a náhrada v současnosti využívané sondy vlhkosti půdy ThetaProbe ML2x se speciálním výstupním signálem 0 až 1 V novým snímačem vlhkosti se standardním výstupem na 0 až 20 mA, přímo připojitelným k dosavadní kartě I/O WAGO 750-453. Rovněž se uvažuje o integraci komunikačního standardu SDI-12, v tuzemsku nepříliš známého, což je speciální sériová komunikační sběrnice vyvinutá v USA koncem 80. let minulého století k současnému připojení až 62 různých snímačů parametrů okolního prostředí. K tomu bude nutný převodník SDI-12/RS-232, který umožní připojit sběrnici SDI-12 k řídicímu systému prostřednictvím portu RS-232 vestavěného v jednotce PFC.
Pokud jde o software, je naplánováno přidat další scénáře a dále pokročit v automatizaci chodu celého simulátoru tak, aby zaškolení obsluhy bylo co nejsnazší. Cílem je omezit roli obsluhy při výběru intenzity deště, popř. některé ze sekvencí dešťů v případě variabilní srážky (uživatel jen zadá, jakou chce intenzitu deště, a systém sám vybere scénář s potřebnými parametry).
Poděkování
Příspěvek vznikl s podporou v rámci projektů NAZV QJ1520265 Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině a NAZV QJ1530181 Metodika stanovení hodnot C faktoru pomocí simulátoru deště.
Literatura:
[1] ISERLOH, T. et al.: European small portable rainfall simulators: A comparison of rainfall characteristics. Catena, 2013, pp. 100–112.
[2] KOLÁČKOVÁ, J. et al.: Výzkum půdní eroze pomocí laboratorního dešťového simulátoru. In: Sborník konference Workshop 2002 Extrémní hydrologické jevy v povodích, pp. 73–78.
[3] KAVKA, P. et al.: Modernizace a kalibrace mobilního dešťového simulátoru. Stavební obzor, svazek 05/2013, pp. 137–142.
[4] STRAUSS, P. et al.: Rainfall Simulation for Outdoor Experiments. In: Current research methods to assess the environmental fate of pesticides, 2000, pp. 329–333.
[5] CHRISTIANSEN, J.: Irrigation by Sprinkling. California Agricultural Experiment Station, 1942, Bulletin No. 670.
Ing. Ondřej Nývlt, Ph.D.
Feramat Cybernetics s. r. o.,
Ing. Petr Kavka, Ph.D.,
Fakulta stavební ČVUT v Praze
Obr. 1. Mobilní simulátor deště FSv ČVUT v terénu
Obr. 2. Schéma nového (2015) rozložení trysek při nejčastěji využívaném měření dvou postřikovaných ploch (1 × 1 m a 8 × 2 m)
Obr. 3. Příprava mobilního simulátoru deště k měření
Obr. 4. Ventily k řízení toku vody do postřikovacího ramene simulátoru – zleva: obtok trysek na rameni, regulační ventil, hlavní ventil
Obr. 5. Procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202
Obr. 6. Sestava řídicího rozváděče simulátoru
Obr. 7. Operátorské rozhraní k manuálnímu ovládání simulátoru
Obr. 8. Operátorské rozhraní k ovládání scénářů
Obr. 9. Časový průběh tlaku vody a minutové intenzity deště v průběhu experimentu s novým řídicím systémem (9. 7. 2015)
Obr. 10. Časový průběh tlaků v potrubí a kontrolní minutové intenzity naměřené srážkoměrem – stav před instalací nového řídicího systému
Tab. 1. Rozšířené měření prostorového rozložení umělého deště (červen 2015)
|
Číslo zkoušky
|
Schéma trysek
|
Qmean1) (l)
|
CU-index (%)
|
Naměřená intenzita
srážek (mm/h)
|
Relativní směrodatná
odchylka (%)
|
|
1
|
schéma 1
|
10,65
|
78,9
|
105,8 ± 22,6
|
±21
|
|
2
|
schéma 3
|
2,77
|
78,8
|
53,4 ± 10,8
|
±20
|
|
3
|
2,97
|
82,9
|
50,3 ± 7,8
|
±16
|
|
4
|
schéma 2
|
5,78
|
82,4
|
102,1 ± 16,4
|
±16
|
|
5
|
5,60
|
80,8
|
104,5 ± 18,6
|
±18
|