基于电磁阀使用过程中的若干安全问题研究

2020-05-04刘艳刚贾永攀

仪器仪表用户 2020年5期

刘艳刚，贾永攀

（1.上海河图工程股份有限公司青岛分公司，山东青岛 266061；2.定州宇飞电子科技有限公司，河北定州 071000）

0 引言

安全生产是中国的一项基本国策，是保障劳动者健康、安全和社会生产力进步的基本保证[1-3]，也是保证国家经济持续发展，进一步实行改革开放的安全基础。同时，在油气开采与炼制、化工、能源、冶金等工业领域中，越来越具备规模化、集约化的趋势，这些行业往往都具有高温、高压、有毒、有害、易燃、易爆，以及需要连续生产等特点，生产安全尤其重要，一旦发生事故，将带来不可估量的负面影响[4-6]。

为了保障电磁阀在过程控制等应用中的安全问题，本文选取了电磁阀应用的几个角度，从线缆压降与线缆长度和电磁阀的串并联应用等方面，介绍了电磁阀正确使用的相关要点，提出了未来的发展趋势，以期为同行提供参考。

1 电磁阀工作状态

1.1 电磁阀线缆压降与距离

目前现场多用24V DC电磁阀居多，阀芯通径大多为5.7mm～12mm，假设电磁阀线圈选用基本功耗型，额定功率10W，与DCS联接的电缆2×1.5mm2，电缆电导率约为12Ω/km，同时设电磁阀最低工作电压为20V。因为电磁阀的启动电压与环境温度有关，所以室温下低于20V也能工作。环境温度较高时，应该将温度因素考虑在内，另行计算。因此，设定电磁阀的启动电压为20V，压降为4V。则线缆长度L为

图1 低功耗直动式NC/NO兼容型电磁阀Fig.1 Low-power, straight-motion NC/NO-compatible solenoid valve

上述计算结果是理想状态，如果考虑系统中的其他损耗，保守一点 L约为350 m。否则，供电电源的电压等级就要提高（48 V DC）或电缆电线的线径要加粗（采用2.5 mm2电缆，其传输距离可达700m左右）或两者兼用之。过去很多现场采用加大线缆线径的方式，线径越大，线缆电阻越小，可使有效传输距离变大。

1.2 两台电磁阀并联应用之一

如图2所示，正常情况下A、B电磁阀线圈带电，两个电磁阀都是1-3口联通，2-3口断开，仪表风通过B电磁阀进入气动执行机构，阀门打开。

当A电磁阀线圈失电，1-3口断开，2-3口联通，此时B电磁阀状态不变，仪表风依然通过B电磁阀的3口进入气动执行机构，所以阀门状态不变。

当B电磁阀线圈失电，1-3口断开，2-3口联通，此时A电磁阀状态不变，仪表风通过A电磁阀的3口—B电磁阀2口—B电磁阀3口，进入气动执行机构，此时阀门状态不变，依然是打开状态。

当A、B两个电磁阀的线圈同时失电，两只电磁阀都是1-3断开，2-3联通，此时气动执行机构内的压缩空气通过B电磁阀3口—B电磁阀2口—A电磁阀3口—A电磁阀2口—排空。此时阀门关闭。

图2 电磁阀并联应用示意图Fig.2 A diagram of the parallel application of solenoid valves

图3 电磁阀串联应用示意图Fig.3 A diagram of the series application of solenoid valves

气关式（FO）阀门与上述相反。

实现上述功能，电磁阀需选择NC/NO双功能兼容型电磁阀。

1.3 两台电磁阀串联应用之一

两台电磁阀串联实现控制气缸动作：正常工作情况下，A、B电磁阀线圈均带电，1-3联通，切断阀供气正常。若为气开式切断阀，则阀门打开。

当A电磁阀线圈失电时，1-3断开，2-3联通，此时切断阀气源被切断，同时A电磁阀的3口与B电磁1口联接，而B电磁阀的1-3口处于联通状态，则气缸通过A电磁阀的2口排气，阀门关闭。

同理，当B电磁阀线圈失电时，B电磁阀的2-3口联通，1-3口断开，气缸通过B电磁阀2口排气，阀门关闭。

当A、B电磁阀同时失电时，则气缸气体会通过B电磁阀2口排出，阀门关闭。如果阀门为气关式（FO），则动作与上述相反。其中：电磁阀线圈失电状态，即为联锁状态。

1.4 两台电磁阀串联应用之二

图4为两台电磁阀串联控制气动执行机构动作。

正常情况下，即A、B线圈都带电时，两个电磁阀都是1-3口通，2-3断开，切断阀的气动执行机构没有压缩空气进入，切断阀处于打开状态。

当A电磁阀线圈失电，1-3口断开，2-3口联通，因为B电磁阀线圈状态是带电，B电磁阀的1-3口联通。所以气缸开始进气，切断阀关闭。

参照韩红梅研究[1] 结论，对两组患者临床效果进行评价：①治愈：不存在过激行为，生活方式同正常人相一致，也为出现打架、伤害他人、自杀等现象；②有效：偶尔产生过激行为，生活基本上恢复正常，偶尔发生打架、伤害他人、自杀事件；③无效：上述事项并未任何改变。

当B电磁阀线圈失电，1-3口断开，2-3口联通，压缩空气通过B电磁阀的2口进入气动执行机构，阀门关闭。

当A、B 两个电磁阀的线圈都失电，则仪表风依然是通过B电磁阀的2口进入气动执行机构，阀门关闭。

对气开式（FC）切断阀，动作与上述相反。

其中：电磁阀需要选用NC/NO双功能型直动式两位三通电磁阀。

图4 电磁阀串联应用示意图Fig.4 A diagram of the series application of solenoid valves

1.5 1oo2与2oo2-2oo3的选择

随着化工类企业所导致的事故如火灾、爆炸、有毒介质泄漏等逐渐增多，很多公司开始用系统工程的理论和原理来解决安全系统的功能安全问题。希望把技术缺陷和人为错误所造成的危险降到最低。从电磁阀角度，提出了冗余化的要求[7-8]。

冗余配置已经逐步成为仪表安全系统的重要组成部分，当系统安全作为优先考虑时，电磁阀配置应采用1oo2的冗余模式。当需要优先考虑可靠性时，2oo3冗余模式是把1oo2和2oo2的优势集合到一起，在保证可靠性的同时，也实现系统的安全性需求。

如果工艺生产过程中需要优先考虑可靠性，电磁阀配置应该采用2oo2的冗余模式。即使用同一信号驱动两台电磁阀，传统控制方式中采用两台电磁阀并联（与逻辑），这样可保证任一电磁阀线圈故障，阀门不会出现误动作，系统的可靠性大大增强[9]。

如果工艺生产需要优先考虑安全性，电磁阀配置应该采用1oo2的冗余模式，传统多采用两台电磁阀串联（或逻辑），即任一电磁阀动作都可以实现阀门动作，保证了工艺生产的安全。

图5 宇飞电子2oo2冗余阀组Fig.5 Yufei Electronics 2oo2 redundant valve block

图6 直动式NC/NO兼容型电磁阀Fig.6 Direct NC/NO-compatible solenoid valve

选择串联还是并联，基本参照标准还是“联锁状态不带电、执行机构排气”的基本原则，用户现场和设备厂家可根据整体安全等级来选择采用哪种联接方式。

2 结论与展望

上述几种用不锈钢管把电磁阀串联或者并联的联接方式的弊端近年来表现的越来越多，如泄漏点多、故障点多、安装占用空间也比较大，维护、维修更换也比较麻烦，也有不能实现在线维护、更换等的不足，给应用过程带来了不确定性，有时甚至无法实现真正的冗余。

因此，电磁阀冗余将来发展的趋势会是模块化和紧凑化。IMI的HERION已经设计出了模块化的安全冗余电磁阀系统，并整体通过了SIL3认证。EMERSON的新加坡团队也做了相关产品。紧凑化的集成设计可以使整体外形较小，节约安装空间，减少潜在的泄漏点，并能快速拆卸单独部件，便于维护。国内也有公司做了相关研究，如JHJ valve（宇飞电子）。