電磁閥冗余在控制閥上的應用

1、電磁閥冗余在控制閥上的應用李幫軍 吳凌鋒（河南煤業(yè)化工集團 義馬氣化廠 472300）摘 要：作為過程控制的最終執(zhí)行者，安全聯(lián)鎖控制閥通常是聯(lián)鎖系統(tǒng)最終執(zhí)行的關鍵設備。在生產實踐中通過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。關鍵詞：電磁閥 冗余 控制閥0 引言 隨著科學技術飛速發(fā)展，工業(yè)化生產對過程控制系統(tǒng)可靠性要求越來越高，控制系統(tǒng)通過電源、控制器、服務器、通訊網(wǎng)絡、io卡件等部件級冗余將系統(tǒng)可靠性大大提高。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為過程控制的保護屏障，控制系統(tǒng)之外的執(zhí)行環(huán)節(jié)可靠性要求尤其突出。作為過程控制的最終執(zhí)行者控制閥聯(lián)鎖動作可靠性

2、高低，必將嚴重影響整個聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。生產實踐中sil1、sil2安全度等級聯(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，電磁閥有三種類型：常閉型閥失電時，壓力口關閉，排氣口連到氣缸口；閥得電時，壓力口連到氣缸口，而排氣口關閉。常開型閥失電時，壓力口連到缸口，排氣口關閉；閥得電時，壓力口關閉，而氣缸口連到而排氣口。通用型允許閥連接成常閉或常開位置其中之一，或由一個口轉換流到另一個口。三種操作方式氣路流程圖見表一。表一 兩位三通電磁閥氣路流程圖類型失電得電常閉常開通用控制閥依據(jù)開度控制

3、是否連續(xù)變化，可以分為調節(jié)閥和切斷閥兩大類。調節(jié)閥根據(jù)過程控制要求，用ao信號實現(xiàn)在0%和100%行程之間定位，配置閥門定位器。聯(lián)鎖調節(jié)閥在閥門定位器和執(zhí)行機構之間配置電磁閥，用do信號實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，電磁閥一般選用單電控型電磁閥，實現(xiàn)控制閥執(zhí)行機構儀表空氣供給和排放，達到聯(lián)鎖目的；切斷閥開度僅有全開和全關兩個位置，必須配置電磁閥進行氣路導通和切斷控制，用do信號使切斷閥在全開和全關兩個狀態(tài)切換。控制閥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：過濾減壓閥 sv1：電磁閥 ip：閥門定位器 v1：切斷閥 v2：調節(jié)閥 sh：梭閥 氣動控制閥根據(jù)儀表空氣

4、故障時閥門所處安全位置，分為氣開（fc）和氣關(fo)兩種，選擇氣開還是氣關在設計選型時根據(jù)工藝過程安全生產要求決定?？刂崎y聯(lián)鎖由電磁閥實現(xiàn)，石油化工裝置中電磁閥一般按失效安全（fail safe）的原則設計為：正常得電勵磁，失電聯(lián)鎖方式ne (normal energize)，圖1、圖4。同時火氣系統(tǒng)負載設計：正常失電，得電聯(lián)鎖方式nde (normal energize)，圖2、圖3。根據(jù)失效安全原則設計不同，圖1圖4在不同狀態(tài)時閥門處于全開、全關或調節(jié)狀態(tài)，詳見表二。由于調節(jié)閥在正常工作時，只有定位器輸出儀表空氣到達膜頭才能實現(xiàn)閥門精確定位，要求氣路不能切斷，所以圖3不適于設計為：正常失

5、電，聯(lián)鎖得電勵磁方式。圖4不適于設計為：正常得電勵磁，失電聯(lián)鎖方式。本文中以通用性兩位三通電磁閥為例。表二：單電磁閥配置控制閥狀態(tài)圖號控制閥類型電磁閥狀態(tài)正常得電勵磁，失電聯(lián)鎖正常失電，聯(lián)鎖得電勵磁圖1fo正常工作狀態(tài)全關全開聯(lián)鎖狀態(tài)全開全關fc正常工作狀態(tài)全開全關聯(lián)鎖狀態(tài)全關全開圖2fo正常工作狀態(tài)全開全關聯(lián)鎖狀態(tài)全關全開fc正常工作狀態(tài)全關全開聯(lián)鎖狀態(tài)全開全關圖3fo正常工作狀態(tài)調節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)全開-fc正常工作狀態(tài)調節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)全關-圖4fo正常工作狀態(tài)-調節(jié)聯(lián)鎖狀態(tài)-全開fc正常工作狀態(tài)-調節(jié)聯(lián)鎖狀態(tài)-全關注：表中“-”表示無此狀態(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，安全失效和危險失效。安全失效即當系統(tǒng)產生顯性故障時將觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)動作，導致誤停車；危險失效則為當系統(tǒng)內存在隱性故障時導致系統(tǒng)在需要時不能產生動作。非冗余單電磁閥使用過程中，電磁閥故障、線路或電源故障、dcs故障等都會導致控制閥誤動作聯(lián)鎖即安全失效。需要采取容錯措施，為提高可靠性，一般采用2個兩位三通（3/2）電磁閥冗余配置實現(xiàn)功能熱備。2個電磁閥冗余適用于sil1、sil2安全度等級聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用單一的控制閥，配套電磁閥冗余配置。電磁閥安裝在閥門定位器與執(zhí)行機構之間，或者單獨配置電磁閥控制切斷閥。具體配置為：2個獨立電磁閥，2條分開敷設的信號線路，2個不在同一dcs卡件但完

7、全相同的控制信號。實現(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采用或門型梭閥，不論哪條氣路單獨通氣，都能導通與其膜頭的通路；當兩路氣路同時通氣時，哪端壓力高，膜頭就和哪路相通，另一端關閉，用“或”邏輯關系實現(xiàn)冗余。在冗余雙電磁閥配置方案中，由于失效安全原則設計不同，圖5圖10在不同狀態(tài)時控制閥處于全開、全關或調節(jié)狀態(tài)，詳見表三。同樣存在圖7和圖10不適于設計為：正常失電，聯(lián)鎖得電勵磁方式。圖8不適于設計為：正常得電勵磁，失電聯(lián)鎖方式。表三 冗余雙電磁閥配置控制閥狀態(tài)圖號控制閥類型電磁閥狀態(tài)正常得電勵磁，失電聯(lián)鎖正常失電，聯(lián)鎖得電勵磁實現(xiàn)功能圖5fo正常工作狀態(tài)關開同圖

8、1聯(lián)鎖狀態(tài)開關fc正常工作狀態(tài)開關聯(lián)鎖狀態(tài)關開圖6fo正常工作狀態(tài)-關同圖2聯(lián)鎖狀態(tài)-開fc正常工作狀態(tài)-開聯(lián)鎖狀態(tài)-關圖7fo正常工作狀態(tài)調節(jié)-同圖3聯(lián)鎖狀態(tài)開-fc正常工作狀態(tài)調節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)關-圖8fo正常工作狀態(tài)-調節(jié)同圖4聯(lián)鎖狀態(tài)-開fc正常工作狀態(tài)-調節(jié)聯(lián)鎖狀態(tài)-關圖9fo正常工作狀態(tài)關開同圖5、圖1聯(lián)鎖狀態(tài)開關fc正常工作狀態(tài)開關聯(lián)鎖狀態(tài)關開圖10fo正常工作狀態(tài)調節(jié)-同圖5、圖1聯(lián)鎖狀態(tài)開-fc正常工作狀態(tài)調節(jié)-聯(lián)鎖狀態(tài)關-3冗余雙電磁閥配置特點及分析在6種冗余雙電磁閥配置方案中，存在三類情況：一、圖5和圖7，電磁閥sv1和sv2工作在得電狀態(tài)時，電磁閥sv2氣路3-2導通，1,

9、2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作，電磁閥sv1 1-2截止，氣路3-2導通， 儀表空氣到達電磁閥sv2口1截止，在電磁閥sv2出現(xiàn)故障狀態(tài)翻轉時，儀表空氣經電磁閥sv1氣路3-2和電磁閥sv2氣路1-2到達膜頭，控制閥動作。電磁閥sv1和sv2失電時，控制閥膜頭內儀表空氣經由電磁閥sv2氣路2-1和電磁閥sv1氣路2-1放空，控制閥動作。二、圖6和圖8，工作狀態(tài)時電磁閥sv1和sv2失電，電磁閥sv1和sv2氣路1-2導通，3-2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。聯(lián)鎖時電磁閥sv1和sv2得電，控制閥膜頭內儀表空氣經由電磁閥sv2氣路2-3放空，控制閥動作。若電磁閥sv1故障，儀表空氣經

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)鎖動作。三、圖9和圖10 ，電磁閥sv1和sv2工作在得電狀態(tài)時，電磁閥sv2和sv1氣路3-2導通，1,2截止，儀表空氣哪端壓力高，膜頭就和哪路相通，另一端關閉，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。當任意電磁閥故障狀態(tài)翻轉時，該電磁閥1-2導通放氣，另一電磁閥3-2繼續(xù)導通，儀表空氣進入氣勢，調節(jié)閥繼續(xù)工作。實現(xiàn)正常工作冗余。4 冗余雙電磁閥配置對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)，以及一個電磁閥回路故障時，儀表空氣流動方向不同，對電磁閥要求不同，見表四。 表四 冗余雙電磁閥類型要求圖號sv1sv2圖1常閉型

11、或通用型無圖2常開型或通用型無圖3常閉型或通用型無圖4敞開型或通用型無圖5常閉型或通用型通用型圖6常開型或通用型常開型或通用型圖7常閉型或通用型通用型圖8常開型或通用型常開型或通用型圖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)，功能實現(xiàn)等效于系統(tǒng)并聯(lián)，任何一個冗余電磁閥的失效，均不會影響系統(tǒng)的功能，只有在二個冗余電磁閥均失效時，系統(tǒng)才不能正常工作。冗余電磁閥配置的可靠性數(shù)學關系為：故障概率：f=f1f2可 靠 性： r=1f=1f1f2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sv1的故障率f2為冗余

12、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2個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，較單個電磁閥可靠性明顯提高。結束語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。實現(xiàn)電磁閥冗余配置需要2個獨立電磁閥，2條分開敷設的信號線路，2個不在同一dcs卡件但完全相同的控制信號，冗余配置導致項目投資成倍增加，需做alarp(as low as reasonably practicable)經濟分析，用來評估由于引入冗余配置所帶來的額外投資能否帶來一定的投資回報率，設計中需綜合考慮。在控制的關鍵環(huán)節(jié)，冗余是非常必要的。參考文獻:【1】沈加明. 采用冗余的雙電磁閥來提高安全保護聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性j煉油化工自動化, 1994,(1):8-10.【2】煩詠峰. 雙電磁閥置在石油化工裝置中的應用j石油化工自動化,2011,(3):