雙電磁閥配置一定比單電磁閥配置安全嗎？

當(dāng)系統(tǒng)要求高安全性和高可用性時(shí)，可以用同一種配置方案嗎？

失電連鎖和得電連鎖怎么設(shè)計(jì)最佳？

電磁閥選型和安裝位置是否有要求？

電磁閥（solenoid valve）是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是用來(lái)控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動(dòng)。用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。

由于石化行業(yè)高事故發(fā)生率和高危性，安全儀表系統(tǒng)已在石化裝置普及應(yīng)用，作為安全儀表系統(tǒng)過(guò)程中應(yīng)用最廣泛，也最復(fù)雜的電磁閥，其應(yīng)用設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)周密細(xì)致的考慮，才能保證安全儀表系統(tǒng)對(duì)裝置的保護(hù)作用，避免人身傷害，避免重大經(jīng)濟(jì)損失，本文參考《GB/T 50770-2013 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中電磁閥的配置，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，加深儀表人對(duì)電磁閥在安全儀表系統(tǒng)中配置要求的理解，便于后期工作的開展。

《GB/T 50770-2013 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》摘選：

7 最終元件

7.1 一般規(guī)定

7.1.1 最終元件應(yīng)包括控制閥（調(diào)節(jié)閥、切斷閥）、電磁閥、電機(jī)等。

7.4 控制閥附件的配置

7.4.1 調(diào)節(jié)閥帶的電磁閥應(yīng)安裝在閥門定位器與執(zhí)行器之間。切斷間帶的電磁閥應(yīng)安裝在執(zhí)行器上。

SH/T3101-2017石油化工流程圖圖例：

HG/T 21581-2012 自控安裝圖冊(cè)：

 

HG/T 20638-2017 化工裝置自控工程設(shè)計(jì)文件深度規(guī)范：

7.4.2 在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，電磁閥和閥位開關(guān)應(yīng)采用隔爆型或本安型。當(dāng)采用本安型時(shí)，應(yīng)采用隔離式安全柵。

7.4.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝的電磁閥和閥位開關(guān)，防護(hù)等級(jí)不應(yīng)低于IP65 。

7.4.4 電磁閥宜采用24VDC 長(zhǎng)期勵(lì)磁型，電磁閥電源應(yīng)由安全儀表系統(tǒng)提供。

7.4.5 當(dāng)系統(tǒng)要求高安全性時(shí)，冗余電磁閥宜采用“或”邏輯結(jié)構(gòu)；當(dāng)系統(tǒng)要求高可用性時(shí)，冗余電磁閥宜采用“與”邏輯結(jié)構(gòu)。

《GB/T  50770-2013 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明：

7.3 控制閥的冗余設(shè)置

本節(jié)規(guī)定了控制閥的冗余設(shè)置，并不表示冗余設(shè)置就對(duì)應(yīng)安全完整性等級(jí)。不能冗余配置控制閥的場(chǎng)合．采用單一控制閥，但配套的電磁閥宜冗余配置。冗余電磁閥只能有限地提高電磁閥組的安全完整性指標(biāo)，不能提高控制閥的安全完整性指標(biāo)。

冗余電磁閥可以提高電磁閥組的安全完整性指標(biāo)，但對(duì)于提高控制閥的安全完整性指標(biāo)影響通常是有限的。針對(duì)失電聯(lián)鎖的電磁閥，單電磁閥的安全性通常可以匹配控制閥整體安全性的需求，往往不需要通過(guò)安全性冗余的電磁閥來(lái)提高控制閥整體安全性，控制閥安全性的瓶頸往往不在電磁閥。

電磁閥SIL證書中失效數(shù)據(jù)舉例：

浮動(dòng)球閥SIL證書中失效數(shù)據(jù)舉例：

《GB/T  50770-2013 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明：

7.4 控制閥附件的配置

7.4.1 調(diào)節(jié)閥帶電磁閥配置示例見圖2。切斷閥帶電磁閥配置示例見圖3 。圖中SOV為電磁閥。電磁閥勵(lì)磁， A→B 通，閥開；電磁閥非勵(lì)磁， B→C 通，閥關(guān)。

7.4.4 安全儀表系統(tǒng)的電磁閥應(yīng)優(yōu)先選用耐高溫CH 級(jí)絕緣線圈，長(zhǎng)期帶電型，隔爆型。石油化工過(guò)程的最終元件的電磁閥以斷電為故障安全方式。在工藝過(guò)程正常運(yùn)行時(shí)，電磁閥應(yīng)勵(lì)磁工作。

《GB/T  50770-2013 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明：

7.4.5（1）當(dāng)系統(tǒng)要求高安全性時(shí)，調(diào)節(jié)閥、配電閥帶冗余電磁閥配置可選用圖4 、圖5 所示配置方式。

圖中，當(dāng)電磁閥1勵(lì)磁， A→B通；電磁閥2 勵(lì)磁， A→B通，則控制閥開。當(dāng)電磁閥1 勵(lì)磁， A→B通；電磁閥2 非勵(lì)磁， B→C通，則控制閥關(guān)。當(dāng)電磁閥1非勵(lì)磁， B→C通；電磁閥2 勵(lì)磁，A→B通，則控制閥關(guān)。當(dāng)電磁閥1 非勵(lì)磁， B→C 通；電磁閥2 非勵(lì)磁， B→C通，則控制閥關(guān)。

（2）當(dāng)系統(tǒng)要求高可用性時(shí)，調(diào)節(jié)閥、切斷閥帶冗余電磁閥配置可選用圖6 、圖7 所示配置方式。

 

圖中，當(dāng)電磁閥1 勵(lì)磁， A→B通；電磁閥2 勵(lì)磁， A→B通，則控制閥開。當(dāng)電磁閥1 勵(lì)磁， A→B通；電磁閥2 非勵(lì)磁， B→C通，則控制閥開。當(dāng)電磁閥1 非勵(lì)磁， B→C通；電磁閥2 勵(lì)磁， A→B通，則控制閥開。當(dāng)電磁閥1 非勵(lì)磁， B→C通；電磁閥2 非勵(lì)磁， B→C通，則控制閥關(guān)。

（3）根據(jù)布爾邏輯運(yùn)算規(guī)則及真值表：

①“或門”。當(dāng)一個(gè)或一個(gè)以上的輸入為“ 1 ”狀態(tài)，輸出呈現(xiàn)“ 1 ”狀態(tài)。

②“與門”。當(dāng)全部輸入為“ 1 ”狀態(tài)，輸出呈現(xiàn)“ 1 ”狀態(tài)。

電磁閥配置實(shí)際應(yīng)用

      安全性在石油化工裝置設(shè)計(jì)與正常運(yùn)行中起著很重要的作用，保證安全性的前提下按照ALARP經(jīng)濟(jì)分析評(píng)估的原則，如何避免誤停車同樣得到越來(lái)越多的重視，特別是針對(duì)誤停車會(huì)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失的場(chǎng)合，適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)在石油化工裝置中被較廣泛的采用。本文討論了采用雙電磁閥配置實(shí)現(xiàn)切斷閥電磁閥信號(hào)線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起的誤停車。分析了失電聯(lián)鎖和得電聯(lián)鎖，舉例了雙電磁閥氣路設(shè)計(jì)，舉例了邏輯設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)介了電磁閥工作原理及故障分析，最后簡(jiǎn)要說(shuō)明了實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電磁閥；聯(lián)鎖；氣路；

安全問(wèn)題在石油化工裝置設(shè)計(jì)與正常運(yùn)行中得到越來(lái)越多的重視。目前很多裝置的設(shè)計(jì)中增加了HAZOP（Hazard and Operability Study，工廠危害和可操作性研究）和IPF Study(Instrumented protective function study，儀表保護(hù)功能研究)，其中包括SIL(Safety integrity level)評(píng)級(jí)等。這使得儀表安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)與完善，有助于避免在設(shè)計(jì)中發(fā)生安全性能達(dá)不到要求或采取了過(guò)多的安全保護(hù)。

有時(shí)安全保護(hù)聯(lián)鎖的發(fā)生不是由于工藝過(guò)程異常造成的，而是由儀表本身的故障引起的。這種情況下會(huì)造成誤停車，對(duì)于某些特定的工藝過(guò)程，誤停車也會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了降低誤停車率，可以考慮引入冗余的配置，例如由2oo2代替1oo1，由2oo3(對(duì)于檢測(cè)單元而言)或者2oo4（對(duì)于閥門而言）代替1oo2，但這需要作ALARP(As Low As Reasonably Practicable)經(jīng)濟(jì)分析評(píng)估，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。

單電磁閥配置

石油化工裝置儀表聯(lián)鎖一般按故障安全型設(shè)計(jì)，切斷閥配置的電磁閥一般設(shè)計(jì)成正常得電勵(lì)磁、失電聯(lián)鎖。有時(shí)電磁閥信號(hào)電纜斷線引起的誤聯(lián)鎖會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失，這時(shí)也可以考慮設(shè)計(jì)成電磁閥正常失電、得電聯(lián)鎖。這種情況下一般需要設(shè)置信號(hào)電路檢測(cè)功能，即如果發(fā)生電磁閥信號(hào)電纜斷線時(shí)可以及時(shí)由SIS DO斷線檢測(cè)并報(bào)警，提示及時(shí)檢查線路并維修至正常，如果維修并更換線路需要較長(zhǎng)周期，則可以考慮改接備用電纜，最大限度的減少電磁閥控制線路非正常中斷的時(shí)間，減少了因電磁閥線路斷線而不能執(zhí)行聯(lián)鎖的可能性。圖一～圖三所示為幾種應(yīng)用示例，其中圖三為一種得電聯(lián)鎖示例。

圖一所示切斷閥（FC）電磁閥正常勵(lì)磁，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉。

圖二所示切斷閥（FC）電磁閥正常勵(lì)磁，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥失電，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開。

圖三所示切斷閥（FC）電磁閥正常失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥得電，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開。

圖二和圖三的區(qū)別在于圖二是失電聯(lián)鎖，電磁閥信號(hào)電纜斷線時(shí)，電磁閥失電，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開（即聯(lián)鎖要求的切斷閥位置）；圖三是得電聯(lián)鎖，電磁閥信號(hào)電纜斷線時(shí)，電磁閥失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉（即切斷閥氣源故障時(shí)對(duì)應(yīng)的閥位）。兩種配置各有優(yōu)缺點(diǎn)，圖二在無(wú)聯(lián)鎖情況下電磁閥信號(hào)電纜斷線時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作；圖三在電磁閥信號(hào)電纜斷線且需要聯(lián)鎖觸發(fā)時(shí)會(huì)出現(xiàn)聯(lián)鎖不能執(zhí)行。

雙電磁閥配置

某些因誤停車而引起較大經(jīng)濟(jì)損失的工藝過(guò)程，可以采用雙電磁閥配置實(shí)現(xiàn)切斷閥電磁閥信號(hào)線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起的誤停車。

切斷閥的氣路按如下原則設(shè)計(jì)：

雙電磁閥失電聯(lián)鎖配置，一個(gè)電磁閥失電，而另外一個(gè)電磁閥仍然勵(lì)磁時(shí)，失電電磁閥的失電被認(rèn)為是由于信號(hào)電纜斷線引起，切斷閥仍然維持正常狀態(tài)，避免了因單根信號(hào)電纜斷線引起的誤停車。兩個(gè)電磁閥都失電時(shí)，失電被認(rèn)為是由于聯(lián)鎖發(fā)生而引起的，聯(lián)鎖動(dòng)作被執(zhí)行。（說(shuō)明：如果有一個(gè)電磁閥故障，停留在勵(lì)磁時(shí)對(duì)應(yīng)的氣路，不能在失電時(shí)切換到失電時(shí)對(duì)應(yīng)的氣路，則聯(lián)鎖不能被執(zhí)行，但出現(xiàn)這種故障的可能性較小，參見“電磁閥工作原理及故障分析”中的相關(guān)描述。）

雙電磁閥得電聯(lián)鎖配置，只要有一個(gè)電磁閥得電即被認(rèn)為得電是由于聯(lián)鎖發(fā)生而引起的，聯(lián)鎖動(dòng)作被執(zhí)行。有一路信號(hào)電纜斷線時(shí)，信號(hào)電纜沒有斷線的電磁閥在聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)仍然可以得電勵(lì)磁執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作，避免了因單根信號(hào)電纜斷線引起的聯(lián)鎖不能被執(zhí)行的問(wèn)題。（說(shuō)明：只要有一個(gè)電磁閥在勵(lì)磁時(shí)可以切換到對(duì)應(yīng)氣路，聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)即可被順利執(zhí)行，改善了單電磁閥得電聯(lián)鎖配置中因電磁閥故障，得電不能切換到勵(lì)磁對(duì)應(yīng)氣路而引起聯(lián)鎖不能被執(zhí)行的問(wèn)題。）

雙電磁閥配置中，兩路信號(hào)電纜宜采用獨(dú)立路徑敷設(shè)。

得電聯(lián)鎖配置中，聯(lián)鎖控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)電纜宜設(shè)置“Line monitoring”，及時(shí)監(jiān)測(cè)到信號(hào)電纜斷線故障，并提示維護(hù)人員及時(shí)維修，一定程度上降低了因信號(hào)電纜斷線而不能執(zhí)行聯(lián)鎖的可能性。儲(chǔ)氣罐配置中，宜設(shè)置遠(yuǎn)傳壓力指示報(bào)警。切斷閥宜采用彈簧復(fù)位型式。

圖四～圖九所示為幾種雙電磁閥配置示例。

 

圖四所示切斷閥（FC）電磁閥正常勵(lì)磁，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉。

圖五所示切斷閥（FC）電磁閥正常失電，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥得電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉。

圖六所示切斷閥（FO）電磁閥正常勵(lì)磁，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥關(guān)閉；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥打開。

圖七所示切斷閥（FO）電磁閥正常失電，1-3通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥關(guān)閉；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥得電，1-2通，切斷閥膜頭放空，切斷閥打開。

圖八所示切斷閥（FC）電磁閥正常得電，1-2通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥失電，1-3通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開。

圖九所示切斷閥（FC）電磁閥正常失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關(guān)閉；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥得電，1-2通，儀表凈化風(fēng)通切斷閥膜頭，切斷閥打開。

邏輯圖需要根據(jù)不同的工藝過(guò)程、不同的工藝聯(lián)鎖和操作要求及不同的儀表配置作具體分析設(shè)計(jì)，圖十僅作示例性說(shuō)明，不同的要求對(duì)應(yīng)不同的邏輯設(shè)計(jì)。本例為失電聯(lián)鎖，切斷閥（FC）關(guān)閉。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)手動(dòng)關(guān)/開閥按鈕，DCS或SIS設(shè)軟手動(dòng)關(guān)/開閥按鈕，操作員可以根據(jù)需要在現(xiàn)場(chǎng)或控制室執(zhí)行關(guān)/開閥指令，其中開閥指令只有在沒有聯(lián)鎖條件存在或發(fā)生過(guò)聯(lián)鎖但已經(jīng)復(fù)位時(shí)才有效。

雙電磁閥狀態(tài)和切斷閥狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系參見表一。

如果沒有工藝過(guò)程參數(shù)參與聯(lián)鎖，只有現(xiàn)場(chǎng)和控制室手動(dòng)關(guān)/開閥按鈕，可以取消RS觸發(fā)器。

根據(jù)操作崗位劃分和不同工藝要求，也可以考慮將手動(dòng)開閥指令和復(fù)位指令做"OR"運(yùn)算后，接入RS觸發(fā)器的復(fù)位端R端或不單設(shè)復(fù)位按鈕，這樣可以取消一個(gè)RS觸發(fā)器。

方案的選擇需要綜合考慮各方面的因素，主要包括邏輯不能執(zhí)行的可能性、誤停車的可能性、故障安全性、硬件投資費(fèi)用等，并充分考慮邏輯不能執(zhí)行而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、人身、環(huán)境方面的影響和誤停車造成的經(jīng)濟(jì)損失

實(shí)際方案需要考慮到HAZOP、IPF Study、SIL評(píng)級(jí)、ALARP經(jīng)濟(jì)分析評(píng)估等方面，需要考慮監(jiān)測(cè)單元、執(zhí)行元件、SIS系統(tǒng)等的總體配置。

電磁閥一般選用直動(dòng)式低功耗通用型，工作原理：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力克服彈簧力，使得對(duì)應(yīng)氣路導(dǎo)通，比如電磁閥進(jìn)氣口和工作口相通；斷電時(shí)，電磁力消失，在彈簧力的作用下轉(zhuǎn)換氣路，比如電磁閥放空口和工作口相通。

電磁閥勵(lì)磁時(shí)不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)的氣路的原因和解決方案：

檢查電源接線是否不良→重新接線；

檢查電源電壓是否在±工作范圍→調(diào)致正常位置范圍；

線圈是否脫焊→重新焊接；

線圈燒壞→更換線圈；

有雜質(zhì)使電磁閥閥芯卡死→進(jìn)行清洗,如密封損壞應(yīng)更換密封。

電磁閥失電時(shí)不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)的氣路的原因和解決方案：

閥芯密封件已損壞→更換密封件；

有雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥閥芯→進(jìn)行清洗；

彈簧壽命已到或變形→更換；

節(jié)流孔平衡孔堵塞→及時(shí)清洗。

通常情況下，電磁閥勵(lì)磁時(shí)不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)氣路的故障概率要大于電磁閥失電時(shí)不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)氣路（即電磁閥彈簧復(fù)位時(shí)對(duì)應(yīng)的氣路）的故障概率。

對(duì)于單電磁閥配置而言，失電聯(lián)鎖在故障安全性方面要遠(yuǎn)好于得電聯(lián)鎖。

失電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素：

電磁閥失電時(shí)不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)的氣路；

得電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素：

信號(hào)電纜斷線；

控制室電源故障；

電磁閥勵(lì)磁時(shí)不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)的氣路；

雙電磁閥配置失電聯(lián)鎖和得電聯(lián)鎖在故障安全性方面示意性比較如下：

失電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素：

兩個(gè)電磁閥中任何一個(gè)電磁閥失電時(shí)不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)的氣路；

得電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素：

兩路信號(hào)電纜全部斷線；

兩路聯(lián)鎖信號(hào)控制室電源全部故障；

兩個(gè)電磁閥勵(lì)磁時(shí)都不能處在應(yīng)對(duì)應(yīng)的氣路。

提高裝置安全性和有效防止誤停車在石油化工裝置中起著重要的作用，設(shè)計(jì)中需要綜合考慮，按照ALARP原則采用合理的工程設(shè)計(jì)。采用雙電磁閥配置實(shí)現(xiàn)切斷閥電磁閥信號(hào)線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起誤停車的設(shè)計(jì)模式在很多石油化工裝置中有著很好的應(yīng)用實(shí)例，為一種有效的設(shè)計(jì)。