工業(yè)泵網(wǎng) 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化出產(chǎn)對(duì)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(wù)器、通訊網(wǎng)絡(luò)及IO卡件等部件級(jí)冗余將系統(tǒng)的可靠性大大進(jìn)步。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為過程控制的保護(hù)屏障，對(duì)控制系統(tǒng)之外的執(zhí)行環(huán)節(jié)的可靠性要求尤其凸起。作為過程控制的終極執(zhí)行者的控制閥，其聯(lián)鎖動(dòng)作的可靠性，必將影響整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)際出產(chǎn)過程中，SIL1和SIL2安全度等級(jí)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，常采用冗余方式將樞紐控制閥的聯(lián)鎖可靠性明顯進(jìn)步，不同的冗余配置方案具有不同的特點(diǎn)。
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(shí)壓力口封閉、排氣口連到氣缸口，得電時(shí)壓力口連到氣缸口而排氣口封閉；常開型——————失電時(shí)壓力口連到缸口、排氣口封閉，得電時(shí)壓力口封閉而氣缸口連到而排氣口；通用型——————答應(yīng)閥連接成常閉或常開位置的其中之一，或由一個(gè)口轉(zhuǎn)換流到另一個(gè)口。
控制閥依據(jù)開度控制是否連續(xù)變化分為調(diào)節(jié)閥和堵截閥兩大類。調(diào)節(jié)閥根據(jù)過程控制要求，用AO信號(hào)實(shí)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(jī)構(gòu)之間配置電磁閥，用DO信號(hào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，電磁閥一般選用單電控型電磁閥，實(shí)現(xiàn)控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)儀表空氣的供應(yīng)與排放，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖目標(biāo)；堵截閥開度僅有全開和全關(guān)兩個(gè)位置，必需配置電磁閥進(jìn)行氣路導(dǎo)通和堵截控制，用DO信號(hào)使堵截閥在全開和全關(guān)兩個(gè)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(dòng)控制閥根據(jù)儀表空氣故障時(shí)閥門所處的安全位置分為氣開（FC）和氣關(guān)（FO）兩種，選擇氣開仍是氣關(guān)在設(shè)計(jì)選型時(shí)根據(jù)工藝過程安全出產(chǎn)要求決定。控制閥聯(lián)鎖由電磁閥實(shí)現(xiàn)，石油化工裝置中電磁閥一般按失效安全的原則設(shè)計(jì)為：正常得電勵(lì)磁（圖1a），失電聯(lián)鎖方式NE（圖1d）。同時(shí)火氣系統(tǒng)負(fù)載設(shè)計(jì)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(shí)閥門處于全開、全關(guān)或調(diào)節(jié)狀態(tài)，詳見表1。因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥在正常工作時(shí)，只有定位器輸出儀表空氣到達(dá)膜頭才能實(shí)現(xiàn)閥門的精確定位，要求氣路不能堵截，所以圖1c不適于設(shè)計(jì)為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵(lì)磁”方式，圖1d不適于設(shè)計(jì)為“正常得電勵(lì)磁、失電聯(lián)鎖”方式?，F(xiàn)以通用型兩位三通電磁閥為例進(jìn)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(xiǎn)失效兩種方式。安全失效即當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生顯性故障時(shí)觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)動(dòng)作，導(dǎo)致誤停車；危險(xiǎn)失效則指系統(tǒng)存在隱性故障時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)在需要時(shí)不能產(chǎn)生動(dòng)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(huì)導(dǎo)致控制閥誤動(dòng)作聯(lián)鎖，即安全失效，需采取容錯(cuò)措施，為提高可靠性一般采用兩個(gè)兩位三通電磁閥冗余配置實(shí)現(xiàn)功能熱備。兩個(gè)電磁閥冗余適用于SIL1和SIL2安全度等級(jí)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(jī)構(gòu)之間，或者單獨(dú)配置電磁閥控制切斷閥，具體配置為：兩個(gè)獨(dú)立電磁閥，兩條分開敷設(shè)的信號(hào)線路，兩個(gè)不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號(hào)。實(shí)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(dú)通氣，都能導(dǎo)通與其膜頭的通路；當(dāng)兩路氣路同時(shí)通氣時(shí)，哪端壓力高膜頭就與該路相通，同時(shí)另一端關(guān)閉，用“或”邏輯關(guān)系實(shí)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(shè)計(jì)不同，圖2中所有設(shè)計(jì)方案在不同狀態(tài)時(shí)控制閥處于全開、全關(guān)或調(diào)節(jié)狀態(tài)，詳見表2。同樣存在圖2c、f不適于設(shè)計(jì)為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵(lì)磁”方式，圖2d不適于設(shè)計(jì)為“正常得電勵(lì)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(diǎn)
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(shí)，SV2的氣路3-2導(dǎo)通，1、2截止，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作，SV1的1-2截止，氣路3-2導(dǎo)通，儀表空氣到達(dá)SV2的口1截止，在SV2泛起故障而翻轉(zhuǎn)時(shí)，儀表空氣經(jīng)SV1氣路3-2和SV2氣路1-2到達(dá)膜頭，控制閥動(dòng)作。SV1和SV2失電時(shí)，控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)過SV2氣路2-1和SV1氣路2-1放空，控制閥動(dòng)作。
b．圖2b、d中，工作狀態(tài)時(shí)SV1和SV2失電，SV1和SV2氣路1-2導(dǎo)通、3-2截止，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作。聯(lián)鎖時(shí)，SV1和SV2得電，控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)過SV2氣路2-3放空，控制閥動(dòng)作。若SV1故障，儀表空氣經(jīng)過SV2氣路2-1和SV1氣路2-3放空，控制閥聯(lián)鎖動(dòng)作。
c．圖2e、f中，SV1和SV2工作在得電狀態(tài)時(shí)，SV2和SV1的氣路3-2導(dǎo)通，1、2截止，儀表空氣兩端中那一真?zhèn)€壓力高，膜頭就與其相通，另一端封閉，儀表空氣進(jìn)入膜頭，控制閥動(dòng)作。當(dāng)任意電磁閥故障而翻轉(zhuǎn)時(shí)，該電磁閥的1-2導(dǎo)通放氣，另一電磁閥的3-2繼承導(dǎo)通，儀表空氣進(jìn)入氣室，調(diào)節(jié)閥繼承工作。實(shí)現(xiàn)正常工作冗余。
2.2冗余雙電磁閥配置對(duì)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(gè)電磁閥回路故障時(shí)，儀表空氣活動(dòng)方向不同，對(duì)電磁閥的要求也不相同，詳細(xì)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(gè)冗余電磁閥失效都不會(huì)影響系統(tǒng)的功能，只有在兩個(gè)電磁閥均失效時(shí)系統(tǒng)才不能正常工作。冗余電磁閥配置的可靠性數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
故障概率F=F1F2
可靠性R=1－F=1－`F1F2］
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(shè)兩個(gè)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(gè)電磁閥的可靠性有顯著進(jìn)步。
3結(jié)束語
過程控制系統(tǒng)的執(zhí)行終結(jié)者——————安全聯(lián)鎖控制閥的附件，在采用冗余電磁閥配置后，其可靠性明顯進(jìn)步。實(shí)現(xiàn)電磁閥冗余配置需要兩個(gè)獨(dú)立的電磁閥，兩條分開敷設(shè)的信號(hào)線路，兩個(gè)不在統(tǒng)一DCS卡件但完全相同的控制信號(hào)，冗余配置導(dǎo)致項(xiàng)目投資成倍增加，需做ALARP（AsLowAsRea-sonablyPracticable）經(jīng)濟(jì)分析，用來評(píng)估引入冗余配置而額外投資帶來的投資回報(bào)率。