水上乐园人工造浪设计说明

造浪设备是水上乐园设备中的一个重要分类，主要用于大型游泳池、漂流河、巨洪峡等地方。造浪设备又分鼓风造浪和海啸造浪，海啸造浪的基本原理是通过水环真空泵，把密闭气室的空气通过泵抽到外面，通过真空的方式提高水位，当水位达到4.5米左右时瞬间打开排气阀，使水位往下降形成巨浪。其浪形成只有一种，滔天大浪扑面而来，非常有气势，浪高可达2.5米，一般要求游客必须穿救生衣，是水上乐园的新兴项目。

一、造浪池的性质

造浪池是一种能通过机械造出人工模拟海浪的水池。在戏水乐园中它是重要的构成部分，同时也是最创造气氛的。水面上起伏的层层波浪总是带给游人阵阵按捺不住的激动, 以致国外一些戏水乐园仅设置这样一个大池就已使游人乐而忘返了。造浪池池底要设计成斜坡状, 由浅入深。这样, 让游人有一个从观浪欣赏、踏浪趟水, 最后畅游其中的过程, 真正领略到回归大自然的感受, 并且这也有利于波浪的形成与发展。造浪机及波浪发生口要设置在水池最深处。 郑州金泉水处理设备有限公司是一家专业的泳池设备泳池建造公司，具有十几年的行业从业经验，技术实力强硬，专业知识丰富，在国内泳池建造的成功案例已达400多家，业务范围遍及全国，承接全国范围内的泳池建造工程和游泳池设备提供。

二、造浪方式的选择

造浪的方式有许多种, 但根据其技术手段可主要分为三大类：机械推板式、空气压缩式和真空提升式。机械推板式(图1a)是由电动机联动曲柄, 带动置于水中的推板前后摆动而形成波浪。几个推板组合在一起, 由计算机控制, 即可造出各种正弦波和类似真实海洋的随机波浪。波长范围在4.5-12m之间，ZUI大浪高0.5-1.5m。单位宽度造波机所需功率8kw左右。其优点是结构简单, 运行可靠, 便于维修与管理。但造浪机的部分运转是在水下进行, 所以要注意构件的锈蚀问题。在国内的室外戏水乐园中, 采用这种方式造浪的较多, 如北京陶然亭公园水上世界, 昆明东兴戏水乐园等。 迈入新世纪，面对机遇和挑战，我们将更加努力，愿与国内同行和海外客商携手共进，共创S拿泳池、康体休闲事业美好明天！

空气压编式造浪(图1ｂ)是目前室内造浪池一般采用的形式, 如北京康乐宫、沈阳夏宫等, 它是由与水相连并排设置的几个空气腔及隔离的机房构成。机房中的造浪机由几台高压离心风机作为风源, 由变频调速机、调速器及变速箱组成风门变频调整系统, 并采用可编程序控制器控制。造浪时, 通过风机向下端由水封闭的空气腔鼓风, 并有次序地改变风力强弱, 造成腔内气压变化由此鼓动空气腔水面上下波动,而形成波浪。根据池面大小及形状, 可设多个风机及空气腔, 通过程序调节可使各空气腔同时或错落鼓气、泄气, 各腔内水面时差振荡, 这样就造出模拟自然的排浪、涌浪、斜浪等各种效果。其造浪系统所有部件都与水隔开, 有利于设备的使用与维护。空压式造浪的缺点是 郑州金泉水处理设备有限公司是一家专业从事高科技环保水处理设备的公司，主要经营泳池设备、sangna设备、喷泉、景观水处理设备及体育设施销售与工程安装。并有着多年的游泳池、景观水质处理的经验。

真空提升式造浪（图１ｃ）真空提升式造浪系统同样由与相连的几个空气腔及隔离的机房构成。其工作原理是风机将空腔的空气抽空使水位在腔内升高。当水位达到预设高度后即开启阀门, 使空腔和大气骤然连通, 空腔升压则空腔内高水位水体猛然落下, 强烈撞击腔外水体, 犹如“决堤之洪”奔腾而下。这种浪的特点是浪高较大, 可达２ｍ以上, 气势壮观且浪涛翻卷, 最适宜于冲浪运动的进行。在浪高大于1m 时, 游人可进行俯卧式冲浪运动。当浪高超过1.5m时, 就能进行惊心动魄的立式冲浪运动了。这种造浪方式的缺憾是造浪间期较长。解决的方法之一是做前后两排空腔, 依次泄压放送水体, 这样可使造浪间隔周期提高一倍。（另一解释：真空式造浪机主要由真空主机、管路系统、水循环系统、阀门系统，控制系统及气室组成。它的工作原理是：真空主机用以提高室内的水位，由控制系统按照预先设计的波浪谱发出信号，由控制系统控制阀门系统的开与关，最终影响气室气压，由负压变成常压，从而产生波浪，气势极其宏伟。真空式造浪机的特点是可造2.8米大浪（也可根据PLC控制系统控制浪高和出浪时间），该浪延伸长度可达100米。但其结构复杂，造价相对较高，主要用于大型水上乐园造浪池，造浪池面积应大于2000平方米。）

造浪系统在运作时, 其能耗较大, 故通常不长时间持续造浪。一般是每小时造浪１-２ 次，每次10-15分钟长。 自金泉成立伊始即致力于游泳健身及水上休闲事业，公司顺应现代生活新时尚，以市场需求为导向，积极为国人引进先进的环保水处理设备和技术。

三、造浪池池身设计

造浪池通常布置在戏水乐园中较显眼的位置, 它是戏水乐园的主题之一。其造形丰富多样, 活泼洒脱。如果按浪效果设计, 扇形平面最为合适, 这时的浪区较大, 波浪的行进最为舒展, 造浪机的效能发挥得也最为充分。造浪机要设置在扇形底边处, 池两边扇形扩散时, 底边算起1/3范围内不宜加宽太快。在此范围以外, 可单侧或两侧同时加宽, 加宽角度应控制在15度以内。否则波浪卸能太大, 浪幅衰减太快。目前也有在池中间设置造浪机, 向两边造浪, 池形设计更为变幻无穷。造娘池的底边宽度一般在2.5-30m之间, 根据池大小来确定设置单台或多台造浪机。其长度要大于30m, 以形成完整的波浪。造浪池的ZUI大人数负荷按每人2.5平方米计算。造浪池最深处不应小于１.８ｍ。主要是考虑造浪机性能及本身游泳池深水区要求。坡度要在８％左右, ZUI大不要超过10%。取这个值主要有几个好处

细小沉淀物会随坡自动滑落到造浪池最深处,由此处的池底回水口将其回流进去。而小于这个坡度, 沉淀物会附着于池底, 保持不动状态。 郑州金泉水处理设备有限公司以优质的产品、雄厚的工程技术和完善的售后服务，秉承互惠互利、公平交易在商家同行和用户中树立了良好的专家形象、赢得了良好的口 碑。 郑州金泉水处理设备有限公司以优质的产品、雄厚的工程技术和完善的售后服务，秉承互惠互利、公平交易在商家同行和用户中树立了良好的专家形象、赢得了良好的口碑。

在造浪池的另一端可预留一段缓冲段, 坡度自然延伸, 造成海滩效果。“ 海滩” 部分可以采用砂石色塑胶粒地面, 即逼真, 又防滑。也可铺设粗石英砂粒, 形成真正海滩。为了不使砂粒沉淀至池底, 污染水体且阻塞管道, 所用石英砂粒ZUI好先经过研磨, 去掉易相互碾碎的棱角, 经过水洗及级配, 再行铺设。另外, 在水、岸交界处,设置沉砂回水槽, 使波浪带砂由岸回落时, 截砂于此。在场地较受限制时, 为了缩短池长, 可把水池最浅处设为不超过0.3米深, 采用适当高度的台阶抵挡波浪, 这样还能形成“ 惊涛拍岸的效果。造浪池的侧壁高度及模拟海滩的长度需足够, 以ZUI大浪时不造成池水大量外溢为原则进行计算来设计。

造浪池的溢流口设计时要比池水面标高低１５０ｍｍ , 太低则会使回流速度太慢, 太高又会使水面表层的悬浮物打旋而不能落入管内。 水上乐园配套设施针对小朋友的不同兴趣爱好设计各种游玩的项目,满足小朋友的各种好奇心和玩耍需求。用水上滑梯和喷水设备巧妙的结合起来，整体形成一个综合性强的水上乐园，是水上游乐园，商业场所，酒店等公共场所的选择。

四、几个值得注意的安全问题

造浪发生口处应设置不锈钢栅栏封闭, 以免游人误入危险。栅栏本身及其固定方式一定要坚实耐久, 以免被波浪冲跨。池底泄水的回水口一定要有扩大口, 上设边长大于的不锈钢蓖子，这是因为排水时其水口附近存在负压区, 能对人体产生吸附。当人体的某些部位如手掌、脚掌、头部、臂部等把回水口全部遮住时, 管中回落的水使封闭口产生负压, 使人体这些部位产生“ 吸盘”效应, 让人无法挣脱而产生危险。

另外, 泳池爬梯能对游客产生的一种伤害,不常为设计者重视。许多爬梯踏步为单排不锈钢管, 管径较细。游客攀爬时, 光滑的钢管加上附着的水, 变得光滑异常, 使游人往往蹬脱或脚部失稳横向打滑, 造成碰伤或脚趾撕裂。故梯步一定要加宽、防滑, ZUI好采用防滑踏步板, 不可简单从事。

还有, 造浪池侧边设计尽可能流畅, 不设明显的突出物,

五、水处理设计特点

（1）水处理参数戏水乐园中水池水处理要求较一般游泳池要严格, 造浪池也同样如此。因为戏水游人的构成非常复杂, 特点是儿童比例大, 单位水面积人员密度大, 人员的卫生健康状况差别较大。因此, 目前规范中对游泳池水处理的要求不易满足在造浪池中人们对水质卫生及观赏的要求。故建议在室内造浪池中, 将水的浊度要求提高为1.5 度以内, 水循环周期提高到4 小时, 执行生活饮用水卫生标准, 以形成清彻透明的池水。在室外造浪池中, 要求可适当放宽, 浊度可定为3 度, 水循环周期6 小时。

（2） 水处理系统流程室内造浪池水处理系统的流程如下

水池原水→混凝剂→毛发聚集器→循环水泵→净水器→加热器一消Du→混合器→造浪池一配水箱，室外造浪池可不设其中加热部分。

（3）消Du方式造浪池水处理系统中的消Du方式一定要选用适当。目前针对造浪池常用的消六、消Du方式基本上有四种

①液LV消Du目前一般采用真空加LV设备自动投加在过滤后的水池给水管道内, 并宜与水泵联锁控制。LV所以能消Du是它能破坏细菌中的酶系统。液LV成本低, 操作简单,杀菌力强, 但其很大缺点是易发生漏LV事件, 危险性很大, 且容易产生致癌有机物（THM）。戏水乐园中, 人群密集, 一旦发生泄漏影响较大。

在室内造浪池中, 上述缺点较为突出, 而对露天造浪池来说此类消Du方式则较为适合。

②次LV酸钠消Du方式一般是通过电解食盐水取得的次LV酸钠液进行消Du, 其消Du灭菌能力稍逊于液LV。其优点是设备运行可靠, 操作简单, 不易泄漏。在我国采用较为广泛, 对室内、室外戏水池均为适宜。

③二氧化LV消Du其原理是通过电解食盐水, 产生LV系（C1O2）和氧系（O3H2O2） 消Du剂混合气体, 因而在消Du效果上更占优势。一次投资略高于次LV酸钠式, 但运行费用较低, 设备体积小, 综合优势较明显, 缺点是耗电较大。目前正得到越来越广泛的应用。

④臭氧消Du臭氧是一种极强的氧化剂和消Du剂, 它反映速度快、投量少。适用性强。经臭氧处理后的池水呈蔚蓝色, 水质、水色较佳,对人无刺激作用, 优点显著。缺点是无持续消Du功能, 需设LV消Du与其配合使用, 其设备复杂,造价昂贵, 运行费用也较高。当用在通常面积较大的造浪池时, 显得投资过大。

另外, 造浪池这类戏水池中, 人群密度高,因一些游客的恶作剧等行为, 有时致使水中尿素含量超标。上述过滤消Du手段对此难于处理。可采用增加卫生间数量, 加强卫生宣传与管理的方式解决, 也可采用活性炭处理。

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基于PLC和PID的人工造浪监控系统的研究

黄学飞

广州铁路职业技术学院 机械与电子学院，广东 广州 510430

摘要 ：针对气动造浪系统的特点及运行的需要，设计了基于PLC（Programmable Logic Controller）和PID技术的气动造浪监控系统。采用PLC完成了多点造波风罩的压力数据采集和对人工造浪系统的现场控制，采用PID技术实现了造波风罩压力的精确测量和对控制系统实现恒压控制，并建立了气动造浪系统上位机软件用户模块。使用该具有PID反馈的系统不仅保证了气动造浪系统正常运行，而且具有节能效果，也为开发人工气动造浪系统提供了良好的启示和借鉴。

0引言

人工气动造浪系统主要包括电机和鼓风机组成的空气供给系统、气体输送管路、造波风罩、布置在管路上的配气阀和对应的控制系统等，系统的结构图如图1所示。工作时，通过电机转动带动鼓风机正常工作，从而产生高压气体，气体通过配气阀控制造波风罩气流的周期性变化实现造浪。配气阀门每一个工作周期均分为两个半周期，在前半周期空气自大气压入风罩，而水便从风罩内排出，在风罩前形成波峰；而后半周期空气返回大气，水被吸入风罩，即在风罩前形成波谷［1］。压力是造浪过程中主要的控制参数之一，压力的大小直接影响到造浪的效果，在不同的压力下产生的浪的形态也会不同，因此研究压力大小与造浪的关系对气动造浪系图1人工造浪系统的结构图统具有重要的意义。目前，人工造浪控制系统基本上是采用PLC控制，控制过程比较单一，能耗比较大。在控制过程中，基本上通过对电机采用变频调速控制，无压力反馈，系统有时由于一些原因会造成风罩内压力不够，由此形成不了所需的波形，从而造成人工造浪失败。为保证形成所需的波形，有的厂家在系统运行过程中会增大所需要的压力来保证系统正常运行，从而无形中造成能耗损失。为此，本文开发了基于PLC和PID技术的一种新型的人工造浪监控系统。

1控制系统总体设计

本文提出的控制系统是在原来系统的结构上，为了得到压力反馈，在造波风罩上增加了三组压力变送器，从而使控制系统的总体构成如图2所示。该控制系统主要由上位机监控系统、PLC控制系统、变频器、风机、压力传感器、阀门分配系统等组成。系统运行控制过程中，上位机监控系统通过RS232与RS485转换器向PLC控制系统发出运行控制指令，PLC控制系统根据运行指令控制风机的运行，从而产生高压气体。同时PLC控制系统控制阀门分配系统，并根据系统运行的需要调节高压气体是否进入造波风罩，图2控制系统的结构图

在造波系统的前半周期中高压气体通过阀门分配系统进入造波风罩，从而在风罩前面产生波峰；在造波系统的后半周期中气体通过阀门分配系统排出造波风罩，从而在风罩前面产生波谷。在产生波峰的过程中，通过压力传感器来调节风机的变频器，以此控制进入风罩的高压气体压力。

在本系统中，控制系统需要较快的运算速度和较强的运行能力，而S7300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1 μs）的指令运算速度，可以用浮点数运算，比较有效地实现了更为复杂的算术运算等功能特点，所以选用S7300 PLC作为系统的主要控制核心。在本系统中采用S7300 PLC的PID控制功能块FB 41。压力传感器采用佛山市赛普特电子仪器有限公司的PTP702高压压力传感器，该传感器的弹性体采用特殊进口材质、线切割机加工工艺，一体化结构设计，适用于大型液压设备等的压力测量与控制，可以满足本控制系统的需要。

2PID系统的工作原理

PID系统的工作原理如图3所示。

具体工作原理：在控制过程中，系统根据波浪的形态，在风罩内采用不同的压力。当系统处于前半周期时，系统将给风罩增加空气的压力。在增加风罩的空气压力时，压力传感器会将测量的压力通过变送器转变成电信号，通过信号线送到PLC的CPU中，PLC控制系统根据风罩压力的给定值与反馈回的实际值进行比较，如果测得的压力低于设定的风罩压力，系统通过对参数运算，调整PID的参数［2］，按照PID运算规律计算出结果，然后控制系统将根据计算结果控制变频器频率，系统增大变频器频率，从而增大风机的转速，进而增大风机输出的空气压力。如果达到了风罩的压力，压力传感器将此时的压力信号转变为电信号传给PLC后，控制系统将停止给变频器输出频率，将暂停增大风机的转速，从而使风罩的压力在满足使用条件的前提下节省能源。改进前的系统在造浪系统达到设定的风罩压力后，系统的风机一直按设定的输出频率转动，为稳定风罩的压力，系统通过排出空气的方式进行卸压，这样不仅制造了大量的噪音，而且浪费了大量的能源。

当系统运行某一波型的压力时，系统在前半周期会通过控制系统将风罩的压力稳定在所需的压力。直至系统在后半周期时释放压力。如此周而复始，从而在保证系统满足所需压力的情况下确保不会浪费过多的能量。

该控制系统的压力在反馈过程中采用了单闭环的PID数字控制技术，使PID的参数调整实现在线控制，人工造浪系统实现了稳定的压力输出，从而保证波型的形成，并在保证系统达到稳定压力的同时使系统能够以较低能耗运行，从而达到节能运行系统的目的。

3系统实现

3.1上位机监控系统

上位机监控系统主要实现实时显示气动造浪系统的运行状态、管理整个系统的运行和对采集的数据进行分析处理。主要模块包括实时监控和报警、系统参数配置、系统运行管理、系统用户管理、系统数据分析、系统权限管理、系统数据管理、用户管理等功能模块。如图4所示。

上位机监控系统选用DELPHI2012作为系统的编程软件。DELPHI2012是一种优秀的编程工具，具有功能强大、简便易用和代码执行速度快等优点。该开发工具不仅具有可视化的特点，而且具有强大的数据库支持、与Windows编程紧密结合、强大而成熟的组件技术、简单易学等特点［3］。数据库采用微软开发的SQL。监控中心系统与数据库的数据交互采用ADO数据库访问技术。

上位机监控系统主要功能是显示气动造浪过程中运行实时状态、采集和处理气动造浪过程中的空气压力数据等。为保证这些任务具有实时性，需要系统支持多任务和并行处理多任务。在开发上位机监控系统时采用了多线程技术。根据上位机监控系统运行需求，上位机监控系统需要如下几个线程：系统主线程、数据采集线程、数据处理线程等。这些线程保证了系统的正常运行和系统的实时性，提高了系统运行的可靠性。其中，系统主线程是系统从开始运行到系统结束运行的线程，该线程主要负责气动造浪系统显示运行状态、查询上位机监控系统的数据及对系统进行交互操作；数据采集线程主要是系统采集PLC控制系统发送回的数据，该线程在监控系统开机后一直运行；数据处理线程是系统单独建立的一个线程，主要任务是处理通过PLC控制系统传回的数据，并根据数据的状态对系统进行相应的处理，处理完毕后根据需要将数据保存在SQL数据库中，该线程自数据采集线程运行后开始运行。由于采集的数据处理过后需要保存在数据库中，计算机在处理这一过程中，需要花费一定的时间，而采集数据的速度也很快，为保证数据能正确保存在数据库中而不出错，在系统中建立了临时内存机制，将需要保存的数据临时保存在内存中。在采集数据的同时也可以处理数据和保存数据，实现了采集数据和保存数据“同步”进行。

3.2PLC控制系统

本控制系统采用西门子S7300 PLC作为控制核心，采用指令编制系统程序。本控制系统的程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。子程序包括人工造波浪前半周期控制子程序和后半周期的子程序，中断程序主要运行在前半周期，这个程序首先要完成压力数据的采集，并根据控制系统的给定值，完成在线数字PID运算，并根据运算结果把控制量输出到风机的变频器，从而控制风机的电机，最终实现风罩压力的恒压控制和系统正常运行。系统主程序流程图如图5所示。

3.3上位机监控系统与PLC控制系统连接

上位机监控系统与PLC控制系统连接采用RS485串行总线技术。由于RS485串行通信方式采用一对平衡双绞线作为传输媒体，具有多点双向通信能力，允许多个发送器连接到同一条总线上，具有传输距离长、传输速率高、抗干扰能力强、控制方便且成本低廉的特点，故得到了广泛的应用［4］。由于上位机监控系统与PLC控制系统距离较远，故采用RS485串行总线技术。因为采用的上位机没有485接口，只有232接口，所以上位机与PLC控制系统连接中需要RS232和RS485的转换器，以保证系统正常连接。在通信过程中，通过调用PRODAVE S7软件包的动态链接库实现气动造浪监控系统的上位机监控系统与PLC控制系统的读写操作。上位机监控系统用到的PRODAVE函数主要有load_tool、unload_tool、db_read、db_write四个。其中，load_tool 用于PC机与PLC系统初始化链接；unload_tool用于断开PC机与PLC系统链接；db_read用于从PLC的DB块中读数据字；db_write用于向PLC的DB块中写数据字。上位机监控系统通过静态引入方式访问PRODAVE动态链接库DLL（DynamicLinkLibrary）中的例程，即在单元的Interface部分用External指示字列出要从DLL中引入的例程［5］。

4系统调试

为检验该系统运行过程中的可靠性和实时性，在某公司开发的造浪池对本系统进行现场安装调试。将开发的系统安装到现场，并根据现场对程序的部分参数进行了调整。在系统运行过程中，采用不同的波形（左右浪、排浪、钻石浪、摇摆浪等）进行测试，经过多次测试，当系统达到设计的参数时，系统都能够正常实现所需的波形，并对浪高、造浪间隔、波形等实现自动控制。同时与之前系统相比，系统在运行过程中能耗大大减少。现场测试表明，该系统性能表现比之前系统效果更加良好，系统也更稳定、可靠。

5结束语

提出了基于PLC的人工造浪监控系统，在系统中采用了PID数字控制技术，利用现场测试的压力作为反馈参数对系统进行控制，同时上位机对人工造浪系统进行实时监控。通过试验表明，该系统不仅满足了系统的使用要求，而且比现有人工造浪监控系统更加节能。该监控系统的应用，提高了人工造浪监控系统的可靠性和实时性, 在人工造浪领域值得推广应用。

参考文献

［1］ 王秋旺．造波机在水上乐园的应用［EB/OL］.(20100807)［20151013］http://wenkubaiducom/view/fd08a30a79563c1ec5 da71b6html．

［2］ 王恩义，罗先喜，王甲甲，等.基于PID算法的智能温控系统设计与实现［J］.微型机与应用，2014，33(12):1820，24.

［3］ 明日科技，梁水，李方超．Delphi开发技术大全［M］．北京：人民邮电出版社，2007．

［4］ 王研．基于RS485的PLC与变频器通信实现［J］．现代机械，2010(4)：4142，37．

［5］ 姜建芳,苏少钰,陈庆伟,等．西门子S7300系列PLC与PC机通信实现的研究 ［J］．制造业自动化，2003，25(1)：5254．

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