電磁閥冗余在控制閥上的應(yīng)用

　　為了提高過(guò)程控制的最終執(zhí)行者———安全聯(lián)鎖控制閥的可靠性，給出并分析具有不同特點(diǎn)的控制閥附件電磁閥冗余配置的幾種方案。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)可靠性的要求越來(lái)越高，控制系統(tǒng)通過(guò)電源、控制器、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)及IO卡件等部件級(jí)冗余將系統(tǒng)的可靠性大大提高。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為過(guò)程控制的保護(hù)屏障，對(duì)控制系統(tǒng)之外的執(zhí)行環(huán)節(jié)的可靠性要求尤其突出。作為過(guò)程控制的最終執(zhí)行者的控制閥，其聯(lián)鎖動(dòng)作的可靠性，必將影響整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，SIL1和SIL2安全度等級(jí)的聯(lián)鎖系統(tǒng)采用單一的控制閥，并根據(jù)需要配套電磁閥，常采用冗余方式將關(guān)鍵控制閥的聯(lián)鎖可靠性顯著提高，不同的冗余配置方案具有不同的特點(diǎn)。

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3種類(lèi)型：常閉型———失電時(shí)壓力口關(guān)閉、排氣口連到氣缸口，得電時(shí)壓力口連到氣缸口而排氣口關(guān)閉；常開(kāi)型———失電時(shí)壓力口連到缸口、排氣口關(guān)閉，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)位置的其中之一，或由一個(gè)口轉(zhuǎn)換流到另一個(gè)口。

　　控制閥依據(jù)開(kāi)度控制是否連續(xù)變化分為調(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)0%和100%行程之間的定位，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)儀表空氣的供給與排放，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖目標(biāo)； 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種，如圖1所示。

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

圖1 控制閥單電磁閥常用配置方案

　　氣動(dòng)控制閥根據(jù)儀表空氣故障時(shí)閥門(mén)所處的安全位置分為氣開(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�？刂崎y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的原則設(shè)計(jì)為：正常得電勵(lì)磁(圖1a)，失電聯(lián)鎖方式NE(圖1d) 。同時(shí)火氣系統(tǒng)負(fù)載設(shè)計(jì)為： 正常失電(圖1b)，得電聯(lián)鎖方式NDE(圖1c)。

　　根據(jù)失效安全原則，圖1a～ d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1。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)的精確定位，要求氣路不能切斷，所以圖1c不適于設(shè)計(jì)為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵(lì)磁”方式，圖1d不適于設(shè)計(jì)為“正常得電勵(lì)磁、失電聯(lián)鎖”方式�，F(xiàn)以通用型兩位三通電磁閥為例進(jìn)行說(shuō)明。

表1 單電磁閥配置控制閥狀態(tài)

2、控制閥冗余電磁閥配置方案

　　安全聯(lián)鎖系統(tǒng)有安全失效和危險(xiǎn)失效兩種方式。安全失效即當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生顯性故障時(shí)觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)動(dòng)作，導(dǎo)致誤停車(chē)； 危險(xiǎn)失效則指系統(tǒng)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(xiàn)路或電源故障及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，需采取容錯(cuò)措施，為提高可靠性一般采用兩個(gè)兩位三通電磁閥冗余配置實(shí)現(xiàn)功能熱備。兩個(gè)電磁閥冗余適用于SIL1和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： 兩個(gè)獨(dú)立電磁閥，兩條分開(kāi)敷設(shè)的信號(hào)線(xiàn)路，兩個(gè)不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)方案有6種，如圖2所示。

圖2 控制閥冗余電磁閥配置方案

　　圖2e、f 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)，哪端壓力高膜頭就與該路相通，同時(shí)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2中所有設(shè)計(jì)方案在不同狀態(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2。同樣存在圖2c、f 不適于設(shè)計(jì)為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵(lì)磁”方式，圖2d不適于設(shè)計(jì)為“正常得電勵(lì)磁、失電聯(lián)鎖”方式。

表2 冗余雙電磁閥配置控制閥狀態(tài)

　　2.1、冗余雙電磁閥配置特點(diǎn)

　　在如圖2所示的6種冗余雙電磁閥配置方案中，存在3類(lèi)情況：

　　a.圖2a、c中，電磁閥SV1和SV2工作在得電狀態(tài)時(shí)，SV2的氣路3-2導(dǎo)通，1、2截止，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作，SV1的1-2截止，氣路3-2導(dǎo)通，儀表空氣到達(dá)SV2的口1截止，在SV2出現(xiàn)故障而翻轉(zhuǎn)時(shí)，儀表空氣經(jīng)SV1氣路3-2和SV2氣路1-2到達(dá)膜頭，控制閥動(dòng)作。SV1 和SV2失電時(shí)，控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)由SV2氣路2-1和SV1氣路2-1放空，控制閥動(dòng)作。

　　b.圖2b、d中，工作狀態(tài)時(shí)SV1和SV2失電，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)，SV1 和SV2得電，控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)由SV2氣路2-3放空，控制閥動(dòng)作。若SV1故障，儀表空氣經(jīng)由SV2氣路2-1和SV1氣路2-3放空，控制閥聯(lián)鎖動(dòng)作。

　　c.圖2e、f中，SV1和SV2工作在得電狀態(tài)時(shí)，SV2和SV1的氣路3-2導(dǎo)通，1、2截止，儀表空氣兩端中那一端的壓力高，膜頭就與其相通，另一端關(guān)閉，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作。當(dāng)任意電磁閥故障而翻轉(zhuǎn)時(shí)，該電磁閥的1-2導(dǎo)通放氣，另一電磁閥的3-2繼續(xù)導(dǎo)通，儀表空氣進(jìn)入氣室，調(diào)節(jié)閥繼續(xù)工作。實(shí)現(xiàn)正常工作冗余。

　　2.2、冗余雙電磁閥配置對(duì)電磁閥的要求

　　在冗余雙電磁閥配置方案中，電磁閥處于得電或失電狀態(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)電磁閥的要求也不相同，具體見(jiàn)表3。

表3 冗余雙電磁閥類(lèi)型要求

　　2.3、可靠性分析

　　冗余電磁閥配置在形式上有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，其功能等效于系統(tǒng)并聯(lián)，任何一個(gè)冗余電磁閥失效都不會(huì)影響系統(tǒng)的功能，只有在兩個(gè)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)系如下：

　　故障概率F=F1·F2

　　可靠性R=1-F=1-[F1·F2]

　　式中F———冗余電磁閥配置系統(tǒng)的故障率；

　　F1、F2———SV1、SV2的故障率；

　　R———冗余電磁閥配置系統(tǒng)的可靠度。

　　假設(shè)兩個(gè)冗余電磁閥的故障率均為0.10(電磁閥的可靠性為0.90)，則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)電磁閥的可靠性有明顯提高。

3、結(jié)束語(yǔ)

　　過(guò)程控制系統(tǒng)的執(zhí)行終結(jié)者———安全聯(lián)鎖控制閥的附件，在采用冗余電磁閥配置后，其可靠性顯著提高。實(shí)現(xiàn)電磁閥冗余配置需要兩個(gè)獨(dú)立的電磁閥，兩條分開(kāi)敷設(shè)的信號(hào)線(xiàn)路，兩個(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(AsLowAsRea-sonablyPracticable)經(jīng)濟(jì)分析，用來(lái)評(píng)估引入冗余配置而額外投資帶來(lái)的投資回報(bào)率。