长距离输水工程调流阀噪声监控系统设计与应用

杨旭前

(辽宁润中供水有限责任公司，沈阳，111000)

引言

大伙房水库输水工程是解决辽中南地区生活、生产用水的重要供水工程，该工程将辽宁东部地区富裕水资源输配给辽宁中南部抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦、大连7个城市的17座水厂[1]。工程全线共设置7个配水站，通过30个调流阀、两百多个蝶阀进行流量调控[2]。

调流阀、蝶阀等阀门作为限制流量的开关设备对人产生的最明显的问题之一就是噪声，其中以调流阀产生的噪声最为严重，最高可达140dB。《工业企业噪声卫生标准》中规定，每个工作日所接触噪声不得超过85dB[3]。同时，调流阀噪声和伴生的振动还会影响阀门性能，并且会造成阀门本身邻近管路及设备的疲劳，从而会降低其使用寿命，甚至可能导致安全事故发生[4]。因此，设计一种调流阀噪声监测系统对噪声进行监测与调控，不仅可以减少对现场操作人员带来的健康危害，同时对延长调流阀的使用寿命，确保输水工程安全稳定运行都具有重要的意义。

1 调流阀测噪系统设计

1.1 系统结构

大伙房输水工程调流阀测噪系统是一种全天候噪声自动监测系统。主要由噪声监测设备(测噪仪)、数据采集与处理单元(PLC)、远程显示终端(上位机)、专用传输网络等组成[5]。整个测噪系统可在无人看管的情况下自动监测调流阀噪声，并通过网络将采集的噪声数据传输给远程上位机进行存储与显示，同时可以通过上位机对阀门进行调控来减少噪声。本系统可以减少人到现场采集数据带来的健康危害。

本工程调流阀测噪系统分为两个监控级别：分中心监控级、总调度中心监控级。各分中心负责收集与监控本中心管辖范围内的调流阀噪声数据。在各分中心每个调流阀附近安装有测噪仪，负责自动采集工程现场噪声情况，并将采集的噪声值转换为电信号传输给远端数据采集与处理单元(PLC)。PLC将每个测噪仪采集的噪声信号进行运算、汇总后传送给各分中心上位机进行存储与显示。总调度中心负责监控工程全线所有调流阀的噪声值，总调度中心上位机通过专用以太网与各分中心PLC进行通信，将各个分中心PLC传输过来的噪声电信号还原为真实的噪声信号加以显示，并将还原的噪声信号存在本地历史数据库中方便日后查询。大伙房输水工程调流阀测噪系统结构如图1所示。

图1 调流阀测噪系统结构

1.2 系统配置

本系统测噪仪选择工业用积分式噪声监测仪，该测噪仪可以对周围噪声进行实时监测，并将噪声信号转化为4mA～20mA的电流信号进行输出。该测噪仪具有测量范围广、工业适用性好、体积小巧、使用方便等优点。大伙房输水工程全线一共有30台调流阀，因此整个系统一共配备30台噪声监测仪，测噪仪安装在每台调流阀的水平方向1m处。

采集与处理单元利用输水工程现有SCADA系统的Control Logix5000系列PLC读取与处理噪声监测仪采集的电信号。ControlLogix控制系统是罗克韦尔公司的主流产品，具有可靠性高、指令集丰富、联网通讯能力强、I/O模块丰富、可扩展性好等优点[6]。每个Control Logix控制器可以执行多个控制任务，因此，本系统利用工程现有PLC处理噪声数据仅需配置I/O模块即可，既实现了系统功能又达到节约成本的目的[7]。

系统传输网络分为三部分：①测噪仪器与分中心PLC之间采用通信线缆进行通信；②PLC与分中心的上位机之间的通信方式采用AB公司的ControlNet总线；③各分中心与调度中心之间通信采用以太网方式[8]。

1.3 系统功能

大伙房输水工程调流阀测噪系统主要具备噪声历史数据存储与查询、噪声数据实时显示、噪声信号越限与报警等功能。

1.3.1 噪声数据存储与查询

经PLC传输上来的噪声数据会分别存储于总调度中心与分中心的历史数据服务器中，总调中心与各分中心可以查询各自管辖范围内的调流阀噪声数据[9]。SCADA系统上位机噪声数据查询方式分为曲线查询和报表查询。噪声曲线可以直观的评价某段时间内的噪声波动情况，报表数据可以进行Excel导出，可以用来分析某个阀门的噪声情况便于日常阀门调度。报表查询如图2所示。

图2 调流阀噪声数据报表查询示意

1.3.2 噪声数据实时显示与调整

SCADA系统上位机监控界面可以显示工程现场传送上来调流阀噪声实时数据。值班人员通过该界面可以直观地了解当前工程现场的噪声情况和当前阀门的运行状态。每个阀门的噪声监控界面都对应有开度调整按钮。如果当前阀门运行噪声高于某分贝值，说明现场环境不适合人长时间工作或阀门处于不利运行工况。因此，可以通过调整并列运行的阀门开度来改善噪声情况。

1.3.3 噪声信号越限报警

调流阀噪声监控系统上位机配有噪声越限语音与文字报警功能。该功能可以通过事先设定某个给定值，当现场阀门噪声达到或超过这个给定值时，上位机会在监控界面上同时做出文字报警与语音报警。该功能够使值班人员快速判断某个阀门处于不利运行工况，也可以避免值班人员因疏忽而遗漏对某个阀门的监控。噪声报警提示信息如图3所示。

图3 噪声监控系统报警提示界面

2 调流阀噪声数据的应用

大伙房输水工程安全运行3400多天里已经存储了大量的系统运行数据，结合调流阀噪声监控系统所存储的噪声数据，工程运行人员可以利用这些历史数据分析当前工程运行概况、总结阀门运行情况，优化阀门的调度操控等。

研究表明调流阀开度跟其所产生的噪声有一定的对应该系，不同工况下的对应关系又有所区别[12]。以大伙房输水工程某一支线为例进行分析不同工况下的噪声与开度的关系。该支线有两台调流阀并列运行为某水厂供水。提取这两台调流阀近一年的噪声、开度数据和阀门前后的压力数据。根据阀门前后不同的压差把所提出的噪声数据分为两组(10m压差、30m压差)，并在把同一开度的所有噪声数据取均值，经过计算机仿真可以得出如下两组开度与噪声关系曲线。如图4、图5所示。

图4 10m压差下开度噪声关系曲线

图5 30m压差下开度噪声关系曲线

通过两组曲线我们直观的看到在开度10%～60%区间时，噪声随着开度的变大分贝值增加明显；而在开度60%～70%时噪声值处于一个较大值且变化不明显；随着开度大于70%以后，噪声又随开度增加有所下降。通过对比两组曲线我们发现，在不同压差下，同一调流阀的最大噪声值时不同的。压差越大，调流阀产生的噪声越大。10m压差下该调流阀最大噪声在84dB左右；而在30m压差下调流阀的最大噪声增加到91dB。

由此可见，为了控制现场工况处于一个低噪音情况，阀门应该尽量在低压差低开度下运行。因此，在流量调节时操作人员可以通过组合两台阀门的开度来调控噪音。

3 总结

调流阀噪声监控系统是基于大伙房水库输水工程实际运行经验及需求开发的在线自动噪声监控平台，是对输水工程现有SCADA系统的有力补充。该系统自开发投入运行已多年，运行实践表明该系统对监控阀门噪声、优化阀门调度的作用效果明显，减少了阀门噪声对工程运行人员带来的伤害，保障了大伙房水库输水工程的稳定运行与阀门安全，值得相关工程借鉴与参考。该系统是基于现有SCADA系统开发运行的，跨平台可移植性有所欠缺，目前该系统无法结合阀门噪声情况进行工况自动调整，这些都将是今后新的研究方向。