長(zhǎng)距離輸水工程調(diào)流閥噪聲監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊旭前

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，沈陽，111000)

引言

大伙房水庫(kù)輸水工程是解決遼中南地區(qū)生活、生產(chǎn)用水的重要供水工程，該工程將遼寧東部地區(qū)富裕水資源輸配給遼寧中南部撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營(yíng)口、盤錦、大連7個(gè)城市的17座水廠[1]。工程全線共設(shè)置7個(gè)配水站，通過30個(gè)調(diào)流閥、兩百多個(gè)蝶閥進(jìn)行流量調(diào)控[2]。

調(diào)流閥、蝶閥等閥門作為限制流量的開關(guān)設(shè)備對(duì)人產(chǎn)生的最明顯的問題之一就是噪聲，其中以調(diào)流閥產(chǎn)生的噪聲最為嚴(yán)重，最高可達(dá)140dB?！豆I(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，每個(gè)工作日所接觸噪聲不得超過85dB[3]。同時(shí)，調(diào)流閥噪聲和伴生的振動(dòng)還會(huì)影響閥門性能，并且會(huì)造成閥門本身鄰近管路及設(shè)備的疲勞，從而會(huì)降低其使用壽命，甚至可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生[4]。因此，設(shè)計(jì)一種調(diào)流閥噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)控，不僅可以減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員帶來的健康危害，同時(shí)對(duì)延長(zhǎng)調(diào)流閥的使用壽命，確保輸水工程安全穩(wěn)定運(yùn)行都具有重要的意義。

1 調(diào)流閥測(cè)噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大伙房輸水工程調(diào)流閥測(cè)噪系統(tǒng)是一種全天候噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要由噪聲監(jiān)測(cè)設(shè)備(測(cè)噪儀)、數(shù)據(jù)采集與處理單元(PLC)、遠(yuǎn)程顯示終端(上位機(jī))、專用傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成[5]。整個(gè)測(cè)噪系統(tǒng)可在無人看管的情況下自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)流閥噪聲，并通過網(wǎng)絡(luò)將采集的噪聲數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，同時(shí)可以通過上位機(jī)對(duì)閥門進(jìn)行調(diào)控來減少噪聲。本系統(tǒng)可以減少人到現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)帶來的健康危害。

本工程調(diào)流閥測(cè)噪系統(tǒng)分為兩個(gè)監(jiān)控級(jí)別：分中心監(jiān)控級(jí)、總調(diào)度中心監(jiān)控級(jí)。各分中心負(fù)責(zé)收集與監(jiān)控本中心管轄范圍內(nèi)的調(diào)流閥噪聲數(shù)據(jù)。在各分中心每個(gè)調(diào)流閥附近安裝有測(cè)噪儀，負(fù)責(zé)自動(dòng)采集工程現(xiàn)場(chǎng)噪聲情況，并將采集的噪聲值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集與處理單元(PLC)。PLC將每個(gè)測(cè)噪儀采集的噪聲信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、匯總后傳送給各分中心上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示?？傉{(diào)度中心負(fù)責(zé)監(jiān)控工程全線所有調(diào)流閥的噪聲值，總調(diào)度中心上位機(jī)通過專用以太網(wǎng)與各分中心PLC進(jìn)行通信，將各個(gè)分中心PLC傳輸過來的噪聲電信號(hào)還原為真實(shí)的噪聲信號(hào)加以顯示，并將還原的噪聲信號(hào)存在本地歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中方便日后查詢。大伙房輸水工程調(diào)流閥測(cè)噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 調(diào)流閥測(cè)噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)測(cè)噪儀選擇工業(yè)用積分式噪聲監(jiān)測(cè)儀，該測(cè)噪儀可以對(duì)周圍噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為4mA～20mA的電流信號(hào)進(jìn)行輸出。該測(cè)噪儀具有測(cè)量范圍廣、工業(yè)適用性好、體積小巧、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。大伙房輸水工程全線一共有30臺(tái)調(diào)流閥，因此整個(gè)系統(tǒng)一共配備30臺(tái)噪聲監(jiān)測(cè)儀，測(cè)噪儀安裝在每臺(tái)調(diào)流閥的水平方向1m處。

采集與處理單元利用輸水工程現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)的Control Logix5000系列PLC讀取與處理噪聲監(jiān)測(cè)儀采集的電信號(hào)。ControlLogix控制系統(tǒng)是羅克韋爾公司的主流產(chǎn)品，具有可靠性高、指令集豐富、聯(lián)網(wǎng)通訊能力強(qiáng)、I/O模塊豐富、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)[6]。每個(gè)Control Logix控制器可以執(zhí)行多個(gè)控制任務(wù)，因此，本系統(tǒng)利用工程現(xiàn)有PLC處理噪聲數(shù)據(jù)僅需配置I/O模塊即可，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能又達(dá)到節(jié)約成本的目的[7]。

系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)分為三部分：①測(cè)噪儀器與分中心PLC之間采用通信線纜進(jìn)行通信；②PLC與分中心的上位機(jī)之間的通信方式采用AB公司的ControlNet總線；③各分中心與調(diào)度中心之間通信采用以太網(wǎng)方式[8]。

1.3 系統(tǒng)功能

大伙房輸水工程調(diào)流閥測(cè)噪系統(tǒng)主要具備噪聲歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、噪聲數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、噪聲信號(hào)越限與報(bào)警等功能。

1.3.1 噪聲數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢

經(jīng)PLC傳輸上來的噪聲數(shù)據(jù)會(huì)分別存儲(chǔ)于總調(diào)度中心與分中心的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器中，總調(diào)中心與各分中心可以查詢各自管轄范圍內(nèi)的調(diào)流閥噪聲數(shù)據(jù)[9]。SCADA系統(tǒng)上位機(jī)噪聲數(shù)據(jù)查詢方式分為曲線查詢和報(bào)表查詢。噪聲曲線可以直觀的評(píng)價(jià)某段時(shí)間內(nèi)的噪聲波動(dòng)情況，報(bào)表數(shù)據(jù)可以進(jìn)行Excel導(dǎo)出，可以用來分析某個(gè)閥門的噪聲情況便于日常閥門調(diào)度。報(bào)表查詢?nèi)鐖D2所示。

圖2 調(diào)流閥噪聲數(shù)據(jù)報(bào)表查詢示意

1.3.2 噪聲數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與調(diào)整

SCADA系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面可以顯示工程現(xiàn)場(chǎng)傳送上來調(diào)流閥噪聲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。值班人員通過該界面可以直觀地了解當(dāng)前工程現(xiàn)場(chǎng)的噪聲情況和當(dāng)前閥門的運(yùn)行狀態(tài)。每個(gè)閥門的噪聲監(jiān)控界面都對(duì)應(yīng)有開度調(diào)整按鈕。如果當(dāng)前閥門運(yùn)行噪聲高于某分貝值，說明現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不適合人長(zhǎng)時(shí)間工作或閥門處于不利運(yùn)行工況。因此，可以通過調(diào)整并列運(yùn)行的閥門開度來改善噪聲情況。

1.3.3 噪聲信號(hào)越限報(bào)警

調(diào)流閥噪聲監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)配有噪聲越限語音與文字報(bào)警功能。該功能可以通過事先設(shè)定某個(gè)給定值，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)閥門噪聲達(dá)到或超過這個(gè)給定值時(shí)，上位機(jī)會(huì)在監(jiān)控界面上同時(shí)做出文字報(bào)警與語音報(bào)警。該功能夠使值班人員快速判斷某個(gè)閥門處于不利運(yùn)行工況，也可以避免值班人員因疏忽而遺漏對(duì)某個(gè)閥門的監(jiān)控。噪聲報(bào)警提示信息如圖3所示。

圖3 噪聲監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警提示界面

2 調(diào)流閥噪聲數(shù)據(jù)的應(yīng)用

大伙房輸水工程安全運(yùn)行3400多天里已經(jīng)存儲(chǔ)了大量的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合調(diào)流閥噪聲監(jiān)控系統(tǒng)所存儲(chǔ)的噪聲數(shù)據(jù)，工程運(yùn)行人員可以利用這些歷史數(shù)據(jù)分析當(dāng)前工程運(yùn)行概況、總結(jié)閥門運(yùn)行情況，優(yōu)化閥門的調(diào)度操控等。

研究表明調(diào)流閥開度跟其所產(chǎn)生的噪聲有一定的對(duì)應(yīng)該系，不同工況下的對(duì)應(yīng)關(guān)系又有所區(qū)別[12]。以大伙房輸水工程某一支線為例進(jìn)行分析不同工況下的噪聲與開度的關(guān)系。該支線有兩臺(tái)調(diào)流閥并列運(yùn)行為某水廠供水。提取這兩臺(tái)調(diào)流閥近一年的噪聲、開度數(shù)據(jù)和閥門前后的壓力數(shù)據(jù)。根據(jù)閥門前后不同的壓差把所提出的噪聲數(shù)據(jù)分為兩組(10m壓差、30m壓差)，并在把同一開度的所有噪聲數(shù)據(jù)取均值，經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真可以得出如下兩組開度與噪聲關(guān)系曲線。如圖4、圖5所示。

圖4 10m壓差下開度噪聲關(guān)系曲線

圖5 30m壓差下開度噪聲關(guān)系曲線

通過兩組曲線我們直觀的看到在開度10%～60%區(qū)間時(shí)，噪聲隨著開度的變大分貝值增加明顯；而在開度60%～70%時(shí)噪聲值處于一個(gè)較大值且變化不明顯；隨著開度大于70%以后，噪聲又隨開度增加有所下降。通過對(duì)比兩組曲線我們發(fā)現(xiàn)，在不同壓差下，同一調(diào)流閥的最大噪聲值時(shí)不同的。壓差越大，調(diào)流閥產(chǎn)生的噪聲越大。10m壓差下該調(diào)流閥最大噪聲在84dB左右；而在30m壓差下調(diào)流閥的最大噪聲增加到91dB。

由此可見，為了控制現(xiàn)場(chǎng)工況處于一個(gè)低噪音情況，閥門應(yīng)該盡量在低壓差低開度下運(yùn)行。因此，在流量調(diào)節(jié)時(shí)操作人員可以通過組合兩臺(tái)閥門的開度來調(diào)控噪音。

3 總結(jié)

調(diào)流閥噪聲監(jiān)控系統(tǒng)是基于大伙房水庫(kù)輸水工程實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及需求開發(fā)的在線自動(dòng)噪聲監(jiān)控平臺(tái)，是對(duì)輸水工程現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。該系統(tǒng)自開發(fā)投入運(yùn)行已多年，運(yùn)行實(shí)踐表明該系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控閥門噪聲、優(yōu)化閥門調(diào)度的作用效果明顯，減少了閥門噪聲對(duì)工程運(yùn)行人員帶來的傷害，保障了大伙房水庫(kù)輸水工程的穩(wěn)定運(yùn)行與閥門安全，值得相關(guān)工程借鑒與參考。該系統(tǒng)是基于現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)行的，跨平臺(tái)可移植性有所欠缺，目前該系統(tǒng)無法結(jié)合閥門噪聲情況進(jìn)行工況自動(dòng)調(diào)整，這些都將是今后新的研究方向。