在线检测电磁阀控制回路方法探究与应用

朱志星,高明,胡林红,黄松源,向阳

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司,广东 深圳 518000)

电磁阀在石油化工行业应用广泛,对于应急关断系统的电磁阀,其安全可靠性直接影响系统是否正常运行。近年来由电磁阀故障引起的生产关停事件时有发生,而电磁阀的误动作存在不确定性,传统的维保方法不能及时发现问题,因此,有必要监测关键系统电磁阀控制回路状态,特别是线圈的老化现象,在其出现异常之前及时干预,避免造成重大经济损失事件。

1 电磁阀控制回路故障分析

电磁阀控制回路故障主要包括: 电缆破损、接线松动、腐蚀、进水、线圈老化、通道故障等原因。由于电缆破损、接线松动、腐蚀、进水等原因都可以通过外观检查发现,而通道故障属于系统内部故障,不可预估。线圈老化无法通过外观检查,只能通过检测发现,因此可以从线圈老化入手,提前进行干预。

电磁阀由电磁线圈、阀芯、阀座组成。当线圈通电或断电时,阀芯的运动将导致流体通过阀体或被切断,以达到改变流体方向的目的。电磁阀内部结构如图1所示。

图1 电磁阀内部结构示意

根据电磁阀线圈的结构及工作环境,导致线圈老化的主要因素有: 高温环境、长时间励磁、电涌冲击、振动疲劳[2]。线圈老化会导致线圈漆包线的直流电阻呈现趋势性变化。

2 传统维保方法

目前,对于电磁阀现场维保的方法有两种:

1)周期性维保。根据现场设备的重要性,制定对电磁阀的检查周期,主要以半年检或者年检为主。检查内容主要是对电磁阀进行功能性测试,同时检查电磁阀接线、电缆状态以及电磁阀线圈阻值等。但该方法需要对电磁阀进行隔离断电,如果无法隔离或隔离后容易对生产造成影响的,则需要在停产检修期间对其进行维保。

2)定期更换。考虑到现场电磁阀老化因素,对于关键系统设备的电磁阀进行定期更换,为了避免误动作,采用保守维保,利用停产检修机会统一更换。但是该方案费用高、不能精准判断故障,更换新的电磁阀也会由于质量原因导致误动作。

对于故障安全型电磁阀控制回路,随着服役时间的增加,电磁阀线圈将出现老化降质,并且电磁阀质量存在不同的差异。因此,不管是周期性维保或者是定期更换,都存在电磁阀误动作造成生产关停的风险。

3 在线检测方法

3.1 创新思路

由于检测电磁阀控制回路电阻必须要断开回路进行测量,因此可以转换思路,通过测量回路电流反算出回路电阻值,与理论数据比对,则可判断回路状态,在线检测电磁阀控制回路流程如图2所示。

图2 在线检测电磁阀控制回路流程示意

3.2 理论分析

根据欧姆定律,在同一电路中,通过某段导体的电流跟该段导体两端的电压成正比,跟该段导体的电阻成反比。因此通过测量回路的电流可以算出线圈的阻值。

以某电磁阀控制回路为例,直流电压为恒定24 V,电磁阀线圈正常值为200 Ω。计算该电磁阀控制回路理论电流值,如式(1)所示:

I=U/R=24/200=0.120(A)

(1)

如果测量回路电流值约0.120 A,则可判断回路状态正常,线圈阻值正常。

3.3 检测电流方法

3.3.1固定式检测方法

使用电流互感器,检测的信号通过转换显示,精度较低,一般用于工业生产、系统运行中,较笨重,成本较高,环境对其影响较小。由于生产流程中电磁阀数量很多,每个回路安装互感器费用昂贵,因此行业内应用少。

3.3.2移动式检测方法

使用直流钳流表,直接测量回路中任意一根电线,则可以算出回路阻值,从而判断回路状态。直流钳流表由钳头、霍尔传感器、数据处理电路、显示模块组成。钳流表工作时,当电流I流过1根长导线,在导线周围将产生磁场,该磁场的大小与流过导线的电流成正比,产生的磁场聚集在磁环内,通过磁环间隙中霍尔传感器进行测量放大后显示数值,钳流表测量原理如图3所示。

图3 钳流表测量原理示意

从钳流表的测量原理可知,精度高及钳头小的钳流表可以完成回路在线检测,具有费用低,简单快捷的特点,但不宜在机柜接线排布密集的场合使用。

4 实验测试

为了证实钳流表的应用可靠性,专门搭建了实验回路测试装置,分别使用万用表,普通钳流表,小电流钳流表进行测量。万用表直接串联到回路中,测量数值作为标准值;钳流表是间接测量回路电流值,通过与标准值进行比对判断钳流表测量值的可靠性。

4.1 搭建测试回路

用直流24 V开关电源作为恒压源供电,电磁阀及电阻箱作为负载搭建简单的回路,万用表串联到回路中测量实际电流,钳流表测量回路中任意一根电线。

4.2 不同钳流表实测数据

通过使用万用表、普通钳流表和小电流钳流表测量电磁阀控制回路,得到如图4所示的电流测试曲线。

图4 3种电流测量表测试曲线示意

由图4可以看出,小电流钳流表数值曲线平稳,与万用表数值曲线接近,而普通钳流表数值曲线波动大,并且精度低,不推荐使用。因此,选择精度高的小电流钳流表能够测量电磁阀控制回路实际电流值。

5 现场应用

5.1 应用现状及改进

虽然在实际应用中,可以直接测量电磁阀控制回路中的2根导线,但该方法适用于布线不密集的情况,2根导线一起测量相当于将测量数据放大了2倍,因此实际回路电流值为测量值的50%。

在I/O设备间机柜内进行电磁阀控制回路实际测量时,由于机柜接线端布线紧密,无法直接使用钳流表测量,因此需要将线槽拆开后,才有空间进行测量。为了便于检测,将其中1根回路线抽出做测量口,方便检测。

5.2 优化维保

可根据生产运行实际情况,制定排查计划,优化维保策略。对关键的电磁阀控制回路巡检测量,并记录参数,发现异常及时处理,降低电磁阀误动作风险概率。

5.3 故障判断

从图4可以看出,电阻在200～400 Ω时,电流有明显变化,降低约50%。考虑到电磁阀温升引起的阻值变化,以及小电流钳流表也会存在一定的误差等因素,自定义一个故障判断点。判断规则为检测电流与回路理论电流值误差超过25%时,或者每次检测数据都有趋势性变化,或者检测数据波动大,且不稳定等情况,则判断回路阻值有变化,需要排查回路。

从现场测量记录中选取3个有代表性的电磁阀控制回路测量电流数据,生成电磁阀控制回路电流趋势如图5所示。回路1曲线比较平稳,接近正常值,判断回路状态正常;回路2曲线回路电流不断变小,可以判断为电阻不断在增加,超过报警值则需要进行回路排查;回路3曲线在9月份之前都处于正常状态,突然回路电流变化很大,很有可能为回路有松动、损坏、进水等原因,需要排查回路。

图5 电磁阀控制回路电流趋势示意

5.4 应用效果

通过实验测试装置,比对3种在线检测电磁阀回路电流的方法,效果如下:

1)经济效益高。与传统方式相比较,使用直流钳流表测量电磁阀控制回路工作效率提高约98%。完成1个电磁阀控制回路排查,在传统的测量方法中,需要隔离相关设备,然后才能对电磁阀线路脱开。检查1个回路传统方式需要2个人约30 min,而使用钳流表测量,测量1个回路则需要1个人1 min。

2)有创新性。为长期不能开关动作的电磁阀提供一种有效的监控手段,改变传统停产/断电直接测电阻的方式,应用钳流表移动式在线检测提供了不需要停产/断电就可以进行在线排查的方法,避免电磁阀误动作的同时,提高了装置的运行效率。

3)推广性强。该方法原理简单、可操作性好,可以推广到其他设施及装置。

6 结束语

经过理论分析及实验测试,万用表传统方法检测电磁阀回路需要断开回路,不适用于长期处于运转状态的设备;而固定式在线监测系统,费用高,应用少;钳流表移动式在线检测方法更合适广泛应用。基于霍尔传感器在线检测电磁阀回路方法简单快捷,利用现有市场成熟产品,通过改造接线端布线方式,可随时巡检回路,及时发现并处理问题。为不具备在线检修条件电磁阀提供一种有效的监控手段,不需要停产就可以进行在线排查,具有极强的推广性。