电磁阀冗余在控制阀上的应用

    随着科学技术的飞速发展，工业化生产对过程控制系统可靠性的要求越来越高，控制系统通过电源、控制器、服务器、通信网络及IO卡件等部件级冗余将系统的可靠性大大提高。联锁系统作为过程控制的保护屏障，对控制系统之外的执行环节的可靠性要求尤其突出。作为过程控制的最终执行者的控制阀，其联锁动作的可靠性，必将影响整个联锁系统的可靠性。在实际生产过程中，SIL1和SIL2安全度等级的联锁系统采用单一的控制阀，并根据需要配套电磁阀，常采用冗余方式将关键控制阀的联锁可靠性显著提高，不同的冗余配置方案具有不同的特点。

    1 控制阀单电磁阀配置

    控制阀配置两位三通单电控型电磁阀，电磁阀有3种类型：常闭型———失电时压力口关闭、排气口连到气缸口，得电时压力口连到气缸口而排气口关闭；常开型———失电时压力口连到缸口、排气口关闭，得电时压力口关闭而气缸口连到而排气口；通用型———允许阀连接成常闭或常开位置的其中之一，或由一个口转换流到另一个口。

    控制阀依据开度控制是否连续变化分为调节阀和切断阀两大类。调节阀根据过程控制要求，用AO信号实现0%和100%行程之间的定位，配置阀门定位器。联锁调节阀在阀门定位器和执行机构之间配置电磁阀，用DO信号实现联锁控制，电磁阀一般选用单电控型电磁阀，实现控制阀执行机构仪表空气的供给与排放，实现联锁目标； 切断阀开度仅有全开和全关两个位置，必须配置电磁阀进行气路导通和切断控制，用DO信号使切断阀在全开和全关两个状态切换。控制阀单电磁阀常用配置方案有4种，如图1所示。    

IA———仪表空气；QF———过滤减压阀；SV1———电磁阀；IP———阀门定位器；

V1———切断阀；V2———调节阀；SH———梭阀

图1 控制阀单电磁阀常用配置方案

    气动控制阀根据仪表空气故障时阀门所处的安全位置分为气开（FC）和气关（FO）两种，选择气开还是气关在设计选型时根据工艺过程安全生产要求决定。控制阀联锁由电磁阀实现，石油化工装置中电磁阀一般按失效安全的原则设计为：正常得电励磁（图1a），失电联锁方式NE（图1d） 。同时火气系统负载设计为： 正常失电（图1b），得电联锁方式NDE（图1c）。

    根据失效安全原则，图1a～ d在不同状态时阀门处于全开、全关或调节状态，详见表1。由于调节阀在正常工作时，只有定位器输出仪表空气到达膜头才能实现阀门的精确定位，要求气路不能切断，所以图1c不适于设计为“正常失电、联锁得电励磁”方式，图1d不适于设计为“正常得电励磁、失电联锁”方式。现以通用型两位三通电磁阀为例进行说明。

表1 单电磁阀配置控制阀状态

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    2 控制阀冗余电磁阀配置方案

    安全联锁系统有安全失效和危险失效两种方式。安全失效即当系统产生显性故障时触发安全联锁系统动作，导致误停车； 危险失效则指系统存在隐性故障时导致系统在需要时不能产生动作。非冗余单电磁阀使用过程中，电磁阀故障、线路或电源故障及DCS故障等都会导致控制阀误动作联锁，即安全失效，需采取容错措施，为提高可靠性一般采用两个两位三通电磁阀冗余配置实现功能热备。两个电磁阀冗余适用于SIL1和SIL2安全度等级联锁系统，采用单一的控制阀，配套电磁阀冗余配置。电磁阀安装在阀门定位器与执行机构之间，或者单独配置电磁阀控制切断阀，具体配置为： 两个独立电磁阀，两条分开敷设的信号线路，两个不在同一DCS卡件但完全相同的控制信号。实现方案有6种，如图2所示。

图2 控制阀冗余电磁阀配置方案

    图2e、f 采用或门型梭阀，不论哪条气路单独通气，都能导通与其膜头的通路； 当两路气路同时通气时，哪端压力高膜头就与该路相通，同时另一端关闭，用“或”逻辑关系实现冗余。

    在冗余双电磁阀配置方案中，由于失效安全原则设计不同，图2中所有设计方案在不同状态时控制阀处于全开、全关或调节状态，详见表2。同样存在图2c、f 不适于设计为“正常失电、联锁得电励磁”方式，图2d不适于设计为“正常得电励磁、失电联锁”方式。

表2 冗余双电磁阀配置控制阀状态

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    2.1 冗余双电磁阀配置特点

    在如图2所示的6种冗余双电磁阀配置方案中，存在3类情况：

    a．图2a、c中，电磁阀SV1和SV2工作在得电状态时，SV2的气路3-2导通，1、2截止，仪表空气进入膜头，控制阀动作，SV1的1-2截止，气路3-2导通，仪表空气到达SV2的口1截止，在SV2出现故障而翻转时，仪表空气经SV1气路3-2和SV2气路1-2到达膜头，控制阀动作。SV1 和SV2失电时，控制阀膜头内仪表空气经由SV2气路2-1和SV1气路2-1放空，控制阀动作。

    b．图2b、d中，工作状态时SV1和SV2失电，SV1和SV2气路1-2导通、3-2截止，仪表空气进入膜头，控制阀动作。联锁时，SV1 和SV2得电，控制阀膜头内仪表空气经由SV2气路2-3放空，控制阀动作。若SV1故障，仪表空气经由SV2气路2-1和SV1气路2-3放空，控制阀联锁动作。

    c．图2e、f中，SV1和SV2工作在得电状态时，SV2和SV1的气路3-2导通，1、2截止，仪表空气两端中那一端的压力高，膜头就与其相通，另一端关闭，仪表空气进入膜头，控制阀动作。当任意电磁阀故障而翻转时，该电磁阀的1-2导通放气，另一电磁阀的3-2继续导通，仪表空气进入气室，调节阀继续工作。实现正常工作冗余。

    2.2 冗余双电磁阀配置对电磁阀的要求

    在冗余双电磁阀配置方案中，电磁阀处于得电或失电状态，以及一个电磁阀回路故障时，仪表空气流动方向不同，对电磁阀的要求也不相同，具体见表3。

表3 冗余双电磁阀类型要求

    

    2.3 可靠性分析

    冗余电磁阀配置在形式上有串联和并联两种，其功能等效于系统并联，任何一个冗余电磁阀失效都不会影响系统的功能，只有在两个电磁阀均失效时系统才不能正常工作。冗余电磁阀配置的可靠性数学关系如下：

    故障概率F=F1·F2

    可靠性R=1－F=1－[F1·F2］

    式中F———冗余电磁阀配置系统的故障率；

    F1、F2———SV1、SV2的故障率；

    R———冗余电磁阀配置系统的可靠度。

    假设两个冗余电磁阀的故障率均为0.10（电磁阀的可靠性为0.90），则组成冗余电磁阀配置系统的故障率为0.01，系统可靠性为0.99，较单个电磁阀的可靠性有明显提高。

    3 结束语

    过程控制系统的执行终结者———安全联锁控制阀的附件，在采用冗余电磁阀配置后，其可靠性显著提高。实现电磁阀冗余配置需要两个独立的电磁阀，两条分开敷设的信号线路，两个不在同一DCS卡件但完全相同的控制信号，冗余配置导致项目投资成倍增加，需做ALARP（AsLowAsRea-sonablyPracticable）经济分析，用来评估引入冗余配置而额外投资带来的投资回报率。