電磁閥冗余在控制閥上的應(yīng)用

1、電磁閥冗余在控制閥上的應(yīng)用李幫軍 吳凌鋒（河南煤業(yè)化工集團(tuán) 義馬氣化廠 472300）摘 要：作為過(guò)程控制的最終執(zhí)行者，安全聯(lián)鎖控制閥通常是聯(lián)鎖系統(tǒng)最終執(zhí)行的關(guān)鍵設(shè)備。在生產(chǎn)實(shí)踐中通過(guò)控制閥附件電磁閥冗余配置，將安全聯(lián)鎖控制閥可靠性顯著提高。電磁閥冗余配置方案多樣，各種配置方案具有不同特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電磁閥 冗余 控制閥0 引言 隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)可靠性要求越來(lái)越高，控制系統(tǒng)通過(guò)電源、控制器、服務(wù)器、通訊網(wǎng)絡(luò)、io卡件等部件級(jí)冗余將系統(tǒng)可靠性大大提高。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為過(guò)程控制的保護(hù)屏障，控制系統(tǒng)之外的執(zhí)行環(huán)節(jié)可靠性要求尤其突出。作為過(guò)程控制的最終執(zhí)行者控制閥聯(lián)鎖動(dòng)作可靠性

2、高低，必將嚴(yán)重影響整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。生產(chǎn)實(shí)踐中sil1、sil2安全度等級(jí)聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用單一的控制閥，根據(jù)需要配套電磁閥，特別是采用冗余手段將關(guān)鍵控制閥的聯(lián)鎖可靠性顯著提高。1 控制閥單電磁閥配置控制閥配置兩位三通單電控型電磁閥，電磁閥有三種類(lèi)型：常閉型閥失電時(shí)，壓力口關(guān)閉，排氣口連到氣缸口；閥得電時(shí)，壓力口連到氣缸口，而排氣口關(guān)閉。常開(kāi)型閥失電時(shí)，壓力口連到缸口，排氣口關(guān)閉；閥得電時(shí)，壓力口關(guān)閉，而氣缸口連到而排氣口。通用型允許閥連接成常閉或常開(kāi)位置其中之一，或由一個(gè)口轉(zhuǎn)換流到另一個(gè)口。三種操作方式氣路流程圖見(jiàn)表一。表一 兩位三通電磁閥氣路流程圖類(lèi)型失電得電常閉常開(kāi)通用控制閥依據(jù)開(kāi)度控制

3、是否連續(xù)變化，可以分為調(diào)節(jié)閥和切斷閥兩大類(lèi)。調(diào)節(jié)閥根據(jù)過(guò)程控制要求，用ao信號(hào)實(shí)現(xiàn)在0%和100%行程之間定位，配置閥門(mén)定位器。聯(lián)鎖調(diào)節(jié)閥在閥門(mén)定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間配置電磁閥，用do信號(hào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，電磁閥一般選用單電控型電磁閥，實(shí)現(xiàn)控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)儀表空氣供給和排放，達(dá)到聯(lián)鎖目的；切斷閥開(kāi)度僅有全開(kāi)和全關(guān)兩個(gè)位置，必須配置電磁閥進(jìn)行氣路導(dǎo)通和切斷控制，用do信號(hào)使切斷閥在全開(kāi)和全關(guān)兩個(gè)狀態(tài)切換?？刂崎y單電磁閥常用配置方案有4中，分別為： 圖1 圖2 圖3 圖4圖中:ia：儀表空氣 qf：過(guò)濾減壓閥 sv1：電磁閥 ip：閥門(mén)定位器 v1：切斷閥 v2：調(diào)節(jié)閥 sh：梭閥 氣動(dòng)控制閥根據(jù)儀表空氣

4、故障時(shí)閥門(mén)所處安全位置，分為氣開(kāi)（fc）和氣關(guān)(fo)兩種，選擇氣開(kāi)還是氣關(guān)在設(shè)計(jì)選型時(shí)根據(jù)工藝過(guò)程安全生產(chǎn)要求決定。控制閥聯(lián)鎖由電磁閥實(shí)現(xiàn)，石油化工裝置中電磁閥一般按失效安全（fail safe）的原則設(shè)計(jì)為：正常得電勵(lì)磁，失電聯(lián)鎖方式ne (normal energize)，圖1、圖4。同時(shí)火氣系統(tǒng)負(fù)載設(shè)計(jì)：正常失電，得電聯(lián)鎖方式nde (normal energize)，圖2、圖3。根據(jù)失效安全原則設(shè)計(jì)不同，圖1圖4在不同狀態(tài)時(shí)閥門(mén)處于全開(kāi)、全關(guān)或調(diào)節(jié)狀態(tài)，詳見(jiàn)表二。由于調(diào)節(jié)閥在正常工作時(shí)，只有定位器輸出儀表空氣到達(dá)膜頭才能實(shí)現(xiàn)閥門(mén)精確定位，要求氣路不能切斷，所以圖3不適于設(shè)計(jì)為：正常失

5、電，聯(lián)鎖得電勵(lì)磁方式。圖4不適于設(shè)計(jì)為：正常得電勵(lì)磁，失電聯(lián)鎖方式。本文中以通用性?xún)晌蝗姶砰y為例。表二：?jiǎn)坞姶砰y配置控制閥狀態(tài)圖號(hào)控制閥類(lèi)型電磁閥狀態(tài)正常得電勵(lì)磁，失電聯(lián)鎖正常失電，聯(lián)鎖得電勵(lì)磁圖1fo正常工作狀態(tài)全關(guān)全開(kāi)聯(lián)鎖狀態(tài)全開(kāi)全關(guān)fc正常工作狀態(tài)全開(kāi)全關(guān)聯(lián)鎖狀態(tài)全關(guān)全開(kāi)圖2fo正常工作狀態(tài)全開(kāi)全關(guān)聯(lián)鎖狀態(tài)全關(guān)全開(kāi)fc正常工作狀態(tài)全關(guān)全開(kāi)聯(lián)鎖狀態(tài)全開(kāi)全關(guān)圖3fo正常工作狀態(tài)調(diào)節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)全開(kāi)-fc正常工作狀態(tài)調(diào)節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)全關(guān)-圖4fo正常工作狀態(tài)-調(diào)節(jié)聯(lián)鎖狀態(tài)-全開(kāi)fc正常工作狀態(tài)-調(diào)節(jié)聯(lián)鎖狀態(tài)-全關(guān)注：表中“-”表示無(wú)此狀態(tài)，下同2 控制閥冗余電磁閥配置方案一般地講，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

6、有兩種失效方式，安全失效和危險(xiǎn)失效。安全失效即當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生顯性故障時(shí)將觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)動(dòng)作，導(dǎo)致誤停車(chē)；危險(xiǎn)失效則為當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在隱性故障時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)在需要時(shí)不能產(chǎn)生動(dòng)作。非冗余單電磁閥使用過(guò)程中，電磁閥故障、線路或電源故障、dcs故障等都會(huì)導(dǎo)致控制閥誤動(dòng)作聯(lián)鎖即安全失效。需要采取容錯(cuò)措施，為提高可靠性，一般采用2個(gè)兩位三通（3/2）電磁閥冗余配置實(shí)現(xiàn)功能熱備。2個(gè)電磁閥冗余適用于sil1、sil2安全度等級(jí)聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用單一的控制閥，配套電磁閥冗余配置。電磁閥安裝在閥門(mén)定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，或者單獨(dú)配置電磁閥控制切斷閥。具體配置為：2個(gè)獨(dú)立電磁閥，2條分開(kāi)敷設(shè)的信號(hào)線路，2個(gè)不在同一dcs卡件但完

7、全相同的控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)方案有以下6種。 圖5 圖6 圖7 圖8 圖9 圖10圖9和圖10采用或門(mén)型梭閥，不論哪條氣路單獨(dú)通氣，都能導(dǎo)通與其膜頭的通路；當(dāng)兩路氣路同時(shí)通氣時(shí)，哪端壓力高，膜頭就和哪路相通，另一端關(guān)閉，用“或”邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)冗余。在冗余雙電磁閥配置方案中，由于失效安全原則設(shè)計(jì)不同，圖5圖10在不同狀態(tài)時(shí)控制閥處于全開(kāi)、全關(guān)或調(diào)節(jié)狀態(tài)，詳見(jiàn)表三。同樣存在圖7和圖10不適于設(shè)計(jì)為：正常失電，聯(lián)鎖得電勵(lì)磁方式。圖8不適于設(shè)計(jì)為：正常得電勵(lì)磁，失電聯(lián)鎖方式。表三 冗余雙電磁閥配置控制閥狀態(tài)圖號(hào)控制閥類(lèi)型電磁閥狀態(tài)正常得電勵(lì)磁，失電聯(lián)鎖正常失電，聯(lián)鎖得電勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)功能圖5fo正常工作狀態(tài)關(guān)開(kāi)同圖

8、1聯(lián)鎖狀態(tài)開(kāi)關(guān)fc正常工作狀態(tài)開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖狀態(tài)關(guān)開(kāi)圖6fo正常工作狀態(tài)-關(guān)同圖2聯(lián)鎖狀態(tài)-開(kāi)fc正常工作狀態(tài)-開(kāi)聯(lián)鎖狀態(tài)-關(guān)圖7fo正常工作狀態(tài)調(diào)節(jié)-同圖3聯(lián)鎖狀態(tài)開(kāi)-fc正常工作狀態(tài)調(diào)節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)關(guān)-圖8fo正常工作狀態(tài)-調(diào)節(jié)同圖4聯(lián)鎖狀態(tài)-開(kāi)fc正常工作狀態(tài)-調(diào)節(jié)聯(lián)鎖狀態(tài)-關(guān)圖9fo正常工作狀態(tài)關(guān)開(kāi)同圖5、圖1聯(lián)鎖狀態(tài)開(kāi)關(guān)fc正常工作狀態(tài)開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖狀態(tài)關(guān)開(kāi)圖10fo正常工作狀態(tài)調(diào)節(jié)-同圖5、圖1聯(lián)鎖狀態(tài)開(kāi)-fc正常工作狀態(tài)調(diào)節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)關(guān)-3冗余雙電磁閥配置特點(diǎn)及分析在6種冗余雙電磁閥配置方案中，存在三類(lèi)情況：一、圖5和圖7，電磁閥sv1和sv2工作在得電狀態(tài)時(shí)，電磁閥sv2氣路3-2導(dǎo)通，1,

9、2截止，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作，電磁閥sv1 1-2截止，氣路3-2導(dǎo)通， 儀表空氣到達(dá)電磁閥sv2口1截止，在電磁閥sv2出現(xiàn)故障狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，儀表空氣經(jīng)電磁閥sv1氣路3-2和電磁閥sv2氣路1-2到達(dá)膜頭，控制閥動(dòng)作。電磁閥sv1和sv2失電時(shí)，控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)由電磁閥sv2氣路2-1和電磁閥sv1氣路2-1放空，控制閥動(dòng)作。二、圖6和圖8，工作狀態(tài)時(shí)電磁閥sv1和sv2失電，電磁閥sv1和sv2氣路1-2導(dǎo)通，3-2截止，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作。聯(lián)鎖時(shí)電磁閥sv1和sv2得電，控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)由電磁閥sv2氣路2-3放空，控制閥動(dòng)作。若電磁閥sv1故障，儀表空氣經(jīng)

10、由電磁閥sv2氣路2-1和電磁閥sv1氣路2-3放空，控制閥聯(lián)鎖動(dòng)作。三、圖9和圖10 ，電磁閥sv1和sv2工作在得電狀態(tài)時(shí)，電磁閥sv2和sv1氣路3-2導(dǎo)通，1,2截止，儀表空氣哪端壓力高，膜頭就和哪路相通，另一端關(guān)閉，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作。當(dāng)任意電磁閥故障狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，該電磁閥1-2導(dǎo)通放氣，另一電磁閥3-2繼續(xù)導(dǎo)通，儀表空氣進(jìn)入氣勢(shì)，調(diào)節(jié)閥繼續(xù)工作。實(shí)現(xiàn)正常工作冗余。4 冗余雙電磁閥配置對(duì)電磁閥要求在冗余雙電磁閥配置方案中，電磁閥處于得電或者失電狀態(tài)，以及一個(gè)電磁閥回路故障時(shí)，儀表空氣流動(dòng)方向不同，對(duì)電磁閥要求不同，見(jiàn)表四。 表四 冗余雙電磁閥類(lèi)型要求圖號(hào)sv1sv2圖1常閉型

11、或通用型無(wú)圖2常開(kāi)型或通用型無(wú)圖3常閉型或通用型無(wú)圖4敞開(kāi)型或通用型無(wú)圖5常閉型或通用型通用型圖6常開(kāi)型或通用型常開(kāi)型或通用型圖7常閉型或通用型通用型圖8常開(kāi)型或通用型常開(kāi)型或通用型圖9常閉型或通用型常閉型或通用型圖10常閉型或通用型常閉型或通用型5 冗余雙電磁閥配置可靠性冗余電磁閥配置在形式上有串聯(lián)和并聯(lián)，功能實(shí)現(xiàn)等效于系統(tǒng)并聯(lián)，任何一個(gè)冗余電磁閥的失效，均不會(huì)影響系統(tǒng)的功能，只有在二個(gè)冗余電磁閥均失效時(shí)，系統(tǒng)才不能正常工作。冗余電磁閥配置的可靠性數(shù)學(xué)關(guān)系為：故障概率：f=f1·f2可 靠 性： r=1f=1f1·f2式中：f 為冗余電磁閥配置系統(tǒng)的故障率f1為冗余電磁閥

12、sv1的故障率f2為冗余電磁閥sv2的故障率r為冗余電磁閥配置系統(tǒng)的可靠度假設(shè)2個(gè)冗余電磁閥的故障率均為0.1（電磁閥可靠性為0.9），組成冗余電磁閥配置系統(tǒng)的故障率為0.01，系統(tǒng)可靠性為0.99，較單個(gè)電磁閥可靠性明顯提高。結(jié)束語(yǔ)采用冗余電磁閥配置后，安全聯(lián)鎖控制閥可靠性顯著提高。實(shí)現(xiàn)電磁閥冗余配置需要2個(gè)獨(dú)立電磁閥，2條分開(kāi)敷設(shè)的信號(hào)線路，2個(gè)不在同一dcs卡件但完全相同的控制信號(hào)，冗余配置導(dǎo)致項(xiàng)目投資成倍增加，需做alarp(as low as reasonably practicable)經(jīng)濟(jì)分析，用來(lái)評(píng)估由于引入冗余配置所帶來(lái)的額外投資能否帶來(lái)一定的投資回報(bào)率，設(shè)計(jì)中需綜合考慮。在控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，冗余是非常必要的。參考文獻(xiàn):【1】沈加明. 采用冗余的雙電磁閥來(lái)提高安全保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性j煉油化工自動(dòng)化, 1994,(1):8-10.【2】煩詠峰. 雙電磁閥置在石油化工裝置中的應(yīng)用j石油化工自動(dòng)化,2011,(3):