為了提高過程控制的最終執(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的控制閥附件電磁閥冗余配置的幾種方案。

　　隨著科學技術的飛速發(fā)展，工業(yè)化生產(chǎn)對過程控制系統(tǒng)可靠性的要求越來越高，控制系統(tǒng)通過電源、控制器、服務器、通信網(wǎng)絡及IO卡件等部件級冗余將系統(tǒng)的可靠性大大提高。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為過程控制的保護屏障，對控制系統(tǒng)之外的執(zhí)行環(huán)節(jié)的可靠性要求尤其突出。作為過程控制的最終執(zhí)行者的控制閥，其聯(lián)鎖動作的可靠性，必將影響整個聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。在實際生產(chǎn)過程中，SIL1和SIL2安全度等級的聯(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。

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種類型：常閉型———失電時壓力口關閉、排氣口連到氣缸口，得電時壓力口連到氣缸口而排氣口關閉；常開型———失電時壓力口連到缸口、排氣口關閉，得電時壓力口關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位置的其中之一，或由一個口轉(zhuǎn)換流到另一個口。

　　控制閥依據(jù)開度控制是否連續(xù)變化分為調(diào)節(jié)閥和切斷閥兩大類。調(diào)節(jié)閥根據(jù)過程控制要求，用AO信號實現(xiàn)0%和100%行程之間的定位，配置閥門定位器。聯(lián)鎖調(diào)節(jié)閥在閥門定位器和執(zhí)行機構之間配置電磁閥，用DO信號實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，電磁閥一般選用單電控型電磁閥，實現(xiàn)控制閥執(zhí)行機構儀表空氣的供給與排放，實現(xiàn)聯(lián)鎖目標； 切斷閥開度僅有全開和全關兩個位置，必須配置電磁閥進行氣路導通和切斷控制，用DO信號使切斷閥在全開和全關兩個狀態(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———過濾減壓閥；SV1———電磁閥；IP———閥門定位器；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

　　氣動控制閥根據(jù)儀表空氣故障時閥門所處的安全位置分為氣開(FC)和氣關(FO)兩種，選擇氣開還是氣關在設計選型時根據(jù)工藝過程安全生產(chǎn)要求決定�？刂崎y聯(lián)鎖由電磁閥實現(xiàn)，石油化工裝置中電磁閥一般按失效安全的原則設計為：正常得電勵磁(圖1a)，失電聯(lián)鎖方式NE(圖1d) 。同時火氣系統(tǒng)負載設計為： 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)時閥門處于全開、全關或調(diào)節(jié)狀態(tài)，詳見表1。由于調(diào)節(jié)閥在正常工作時，只有定位器輸出儀表空氣到達膜頭才能實現(xiàn)閥門的精確定位，要求氣路不能切斷，所以圖1c不適于設計為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵磁”方式，圖1d不適于設計為“正常得電勵磁、失電聯(lián)鎖”方式�，F(xiàn)以通用型兩位三通電磁閥為例進行說明。

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)有安全失效和危險失效兩種方式。安全失效即當系統(tǒng)產(chǎn)生顯性故障時觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)動作，導致誤停車； 危險失效則指系統(tǒng)存在隱性故障時導致系統(tǒng)在需要時不能產(chǎn)生動作。非冗余單電磁閥使用過程中，電磁閥故障、線路或電源故障及DCS故障等都會導致控制閥誤動作聯(lián)鎖，即安全失效，需采取容錯措施，為提高可靠性一般采用兩個兩位三通電磁閥冗余配置實現(xiàn)功能熱備。兩個電磁閥冗余適用于SIL1和SIL2安全度等級聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用單一的控制閥，配套電磁閥冗余配置。電磁閥安裝在閥門定位器與執(zhí)行機構之間，或者單獨配置電磁閥控制切斷閥，具體配置為： 兩個獨立電磁閥，兩條分開敷設的信號線路，兩個不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號。實現(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 采用或門型梭閥，不論哪條氣路單獨通氣，都能導通與其膜頭的通路； 當兩路氣路同時通氣時，哪端壓力高膜頭就與該路相通，同時另一端關閉，用“或”邏輯關系實現(xiàn)冗余。

　　在冗余雙電磁閥配置方案中，由于失效安全原則設計不同，圖2中所有設計方案在不同狀態(tài)時控制閥處于全開、全關或調(diào)節(jié)狀態(tài)，詳見表2。同樣存在圖2c、f 不適于設計為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵磁”方式，圖2d不適于設計為“正常得電勵磁、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

　　在如圖2所示的6種冗余雙電磁閥配置方案中，存在3類情況：

　　a.圖2a、c中，電磁閥SV1和SV2工作在得電狀態(tài)時，SV2的氣路3-2導通，1、2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作，SV1的1-2截止，氣路3-2導通，儀表空氣到達SV2的口1截止，在SV2出現(xiàn)故障而翻轉(zhuǎn)時，儀表空氣經(jīng)SV1氣路3-2和SV2氣路1-2到達膜頭，控制閥動作。SV1 和SV2失電時，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，控制閥動作。

　　b.圖2b、d中，工作狀態(tài)時SV1和SV2失電，SV1和SV2氣路1-2導通、3-2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。聯(lián)鎖時，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)鎖動作。

　　c.圖2e、f中，SV1和SV2工作在得電狀態(tài)時，SV2和SV1的氣路3-2導通，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，另一端關閉，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。當任意電磁閥故障而翻轉(zhuǎn)時，該電磁閥的1-2導通放氣，另一電磁閥的3-2繼續(xù)導通，儀表空氣進入氣室，調(diào)節(jié)閥繼續(xù)工作。實現(xiàn)正常工作冗余。

　　2.2、冗余雙電磁閥配置對電磁閥的要求

　　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)，以及一個電磁閥回路故障時，儀表空氣流動方向不同，對電磁閥的要求也不相同，具體見表3。

表3 冗余雙電磁閥類型要求

　　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)，任何一個冗余電磁閥失效都不會影響系統(tǒng)的功能，只有在兩個電磁閥均失效時系統(tǒng)才不能正常工作。冗余電磁閥配置的可靠性數(shù)學關系如下：

　　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。

　　假設兩個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，較單個電磁閥的可靠性有明顯提高。

3、結束語

　　過程控制系統(tǒng)的執(zhí)行終結者———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。實現(xiàn)電磁閥冗余配置需要兩個獨立的電磁閥，兩條分開敷設的信號線路，兩個不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號，冗余配置導致項目投資成倍增加，需做ALARP(AsLowAsRea-sonablyPracticable)經(jīng)濟分析，用來評估引入冗余配置而額外投資帶來的投資回報率。