雙電磁閥配置一定比單電磁閥配置安全嗎？

當系統要求高安全性和高可用性時，可以用同一種配置方案嗎？

失電連鎖和得電連鎖怎么設計最佳？

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設備，是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執行器，并不限于液壓、氣動。用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。

由于石化行業高事故發生率和高危性，安全儀表系統已在石化裝置普及應用，作為安全儀表系統過程中應用最廣泛，也最復雜的電磁閥，其應用設計必須經過周密細致的考慮，才能保證安全儀表系統對裝置的保護作用，避免人身傷害，避免重大經濟損失，本文參考《GB/T 50770-2013 石油化工安全儀表系統設計規范》中電磁閥的配置，結合自身經驗，加深儀表人對電磁閥在安全儀表系統中配置要求的理解，便于后期工作的開展。

《GB/T 50770-2013 石油化工安全儀表系統設計規范》摘選：

7 最終元件

7.1 一般規定

7.1.1 最終元件應包括控制閥（調節閥、切斷閥）、電磁閥、電機等。

7.4 控制閥附件的配置

7.4.1 調節閥帶的電磁閥應安裝在閥門定位器與執行器之間。切斷間帶的電磁閥應安裝在執行器上。

SH/T3101-2017石油化工流程圖圖例：

HG/T 21581-2012 自控安裝圖冊：

 

HG/T 20638-2017 化工裝置自控工程設計文件深度規范：

7.4.2 在爆炸危險場所，電磁閥和閥位開關應采用隔爆型或本安型。當采用本安型時，應采用隔離式安全柵。

7.4.3 現場安裝的電磁閥和閥位開關，防護等級不應低于IP65 。

7.4.4 電磁閥宜采用24VDC 長期勵磁型，電磁閥電源應由安全儀表系統提供。

7.4.5 當系統要求高安全性時，冗余電磁閥宜采用“或”邏輯結構；當系統要求高可用性時，冗余電磁閥宜采用“與”邏輯結構。

《GB/T  50770-2013 石油化工安全儀表系統設計規范》條文說明：

7.3 控制閥的冗余設置

本節規定了控制閥的冗余設置，并不表示冗余設置就對應安全完整性等級。不能冗余配置控制閥的場合．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，不能提高控制閥的安全完整性指標。

冗余電磁閥可以提高電磁閥組的安全完整性指標，但對于提高控制閥的安全完整性指標影響通常是有限的。針對失電聯鎖的電磁閥，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，往往不需要通過安全性冗余的電磁閥來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證書中失效數據舉例：

浮動球閥SIL證書中失效數據舉例：

《GB/T  50770-2013 石油化工安全儀表系統設計規范》條文說明：

7.4 控制閥附件的配置

7.4.1 調節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。電磁閥勵磁， A→B 通，閥開；電磁閥非勵磁， B→C 通，閥關。

7.4.4 安全儀表系統的電磁閥應優先選用耐高溫CH 級絕緣線圈，長期帶電型，隔爆型。石油化工過程的最終元件的電磁閥以斷電為故障安全方式。在工藝過程正常運行時，電磁閥應勵磁工作。

《GB/T  50770-2013 石油化工安全儀表系統設計規范》條文說明：

7.4.5（1）當系統要求高安全性時，調節閥、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，當電磁閥1勵磁， A→B通；電磁閥2 勵磁， A→B通，則控制閥開。當電磁閥1 勵磁， A→B通；電磁閥2 非勵磁， B→C通，則控制閥關。當電磁閥1非勵磁， B→C通；電磁閥2 勵磁，A→B通，則控制閥關。當電磁閥1 非勵磁， B→C 通；電磁閥2 非勵磁， B→C通，則控制閥關。

（2）當系統要求高可用性時，調節閥、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，當電磁閥1 勵磁， A→B通；電磁閥2 勵磁， A→B通，則控制閥開。當電磁閥1 勵磁， A→B通；電磁閥2 非勵磁， B→C通，則控制閥開。當電磁閥1 非勵磁， B→C通；電磁閥2 勵磁， A→B通，則控制閥開。當電磁閥1 非勵磁， B→C通；電磁閥2 非勵磁， B→C通，則控制閥關。

（3）根據布爾邏輯運算規則及真值表：

①“或門”。當一個或一個以上的輸入為“ 1 ”狀態，輸出呈現“ 1 ”狀態。

②“與門”。當全部輸入為“ 1 ”狀態，輸出呈現“ 1 ”狀態。

電磁閥配置實際應用

      安全性在石油化工裝置設計與正常運行中起著很重要的作用，保證安全性的前提下按照ALARP經濟分析評估的原則，如何避免誤停車同樣得到越來越多的重視，特別是針對誤停車會帶來較大經濟損失的場合，適當的冗余設計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現切斷閥電磁閥信號線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起的誤停車。分析了失電聯鎖和得電聯鎖，舉例了雙電磁閥氣路設計，舉例了邏輯設計，簡介了電磁閥工作原理及故障分析，最后簡要說明了實際設計中的應用。

關鍵詞：電磁閥；聯鎖；氣路；

安全問題在石油化工裝置設計與正常運行中得到越來越多的重視。目前很多裝置的設計中增加了HAZOP（Hazard and Operability Study，工廠危害和可操作性研究）和IPF Study(Instrumented protective function study，儀表保護功能研究)，其中包括SIL(Safety integrity level)評級等。這使得儀表安全保護系統的設計更加科學與完善，有助于避免在設計中發生安全性能達不到要求或采取了過多的安全保護。

有時安全保護聯鎖的發生不是由于工藝過程異常造成的，而是由儀表本身的故障引起的。這種情況下會造成誤停車，對于某些特定的工藝過程，誤停車也會引起較大的經濟損失。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(對于檢測單元而言)或者2oo4（對于閥門而言）代替1oo2，但這需要作ALARP(As Low As Reasonably Practicable)經濟分析評估，用來評估由于引入冗余配置所帶來的額外投資能否帶來一定的投資回報率。

單電磁閥配置

石油化工裝置儀表聯鎖一般按故障安全型設計，切斷閥配置的電磁閥一般設計成正常得電勵磁、失電聯鎖。有時電磁閥信號電纜斷線引起的誤聯鎖會引起較大的經濟損失，這時也可以考慮設計成電磁閥正常失電、得電聯鎖。這種情況下一般需要設置信號電路檢測功能，即如果發生電磁閥信號電纜斷線時可以及時由SIS DO斷線檢測并報警，提示及時檢查線路并維修至正常，如果維修并更換線路需要較長周期，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間，減少了因電磁閥線路斷線而不能執行聯鎖的可能性。圖一～圖三所示為幾種應用示例，其中圖三為一種得電聯鎖示例。

圖一所示切斷閥（FC）電磁閥正常勵磁，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥打開；聯鎖時電磁閥失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關閉。

圖二所示切斷閥（FC）電磁閥正常勵磁，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關閉；聯鎖時電磁閥失電，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，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，切斷閥關閉；聯鎖時電磁閥得電，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥打開。

圖二和圖三的區別在于圖二是失電聯鎖，電磁閥信號電纜斷線時，電磁閥失電，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥打開（即聯鎖要求的切斷閥位置）；圖三是得電聯鎖，電磁閥信號電纜斷線時，電磁閥失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關閉（即切斷閥氣源故障時對應的閥位）。兩種配置各有優缺點，圖二在無聯鎖情況下電磁閥信號電纜斷線時會出現誤動作；圖三在電磁閥信號電纜斷線且需要聯鎖觸發時會出現聯鎖不能執行。

雙電磁閥配置

某些因誤停車而引起較大經濟損失的工藝過程，可以采用雙電磁閥配置實現切斷閥電磁閥信號線路的冗余配置，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計：

雙電磁閥失電聯鎖配置，一個電磁閥失電，而另外一個電磁閥仍然勵磁時，失電電磁閥的失電被認為是由于信號電纜斷線引起，切斷閥仍然維持正常狀態，避免了因單根信號電纜斷線引起的誤停車。兩個電磁閥都失電時，失電被認為是由于聯鎖發生而引起的，聯鎖動作被執行。（說明：如果有一個電磁閥故障，停留在勵磁時對應的氣路，不能在失電時切換到失電時對應的氣路，則聯鎖不能被執行，但出現這種故障的可能性較小，參見“電磁閥工作原理及故障分析”中的相關描述。）

雙電磁閥得電聯鎖配置，只要有一個電磁閥得電即被認為得電是由于聯鎖發生而引起的，聯鎖動作被執行。有一路信號電纜斷線時，信號電纜沒有斷線的電磁閥在聯鎖發生時仍然可以得電勵磁執行聯鎖動作，避免了因單根信號電纜斷線引起的聯鎖不能被執行的問題。（說明：只要有一個電磁閥在勵磁時可以切換到對應氣路，聯鎖發生時即可被順利執行，改善了單電磁閥得電聯鎖配置中因電磁閥故障，得電不能切換到勵磁對應氣路而引起聯鎖不能被執行的問題。）

雙電磁閥配置中，兩路信號電纜宜采用獨立路徑敷設。

得電聯鎖配置中，聯鎖控制系統對信號電纜宜設置“Line monitoring”，及時監測到信號電纜斷線故障，并提示維護人員及時維修，一定程度上降低了因信號電纜斷線而不能執行聯鎖的可能性。儲氣罐配置中，宜設置遠傳壓力指示報警。切斷閥宜采用彈簧復位型式。

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）電磁閥正常勵磁，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥打開；聯鎖時電磁閥失電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關閉。

圖五所示切斷閥（FC）電磁閥正常失電，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥打開；聯鎖時電磁閥得電，1-3通，切斷閥膜頭放空，切斷閥關閉。

圖六所示切斷閥（FO）電磁閥正常勵磁，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥關閉；聯鎖時電磁閥失電，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，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥關閉；聯鎖時電磁閥得電，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，切斷閥關閉；聯鎖時電磁閥失電，1-3通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，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，切斷閥關閉；聯鎖時電磁閥得電，1-2通，儀表凈化風通切斷閥膜頭，切斷閥打開。

邏輯圖需要根據不同的工藝過程、不同的工藝聯鎖和操作要求及不同的儀表配置作具體分析設計，圖十僅作示例性說明，不同的要求對應不同的邏輯設計。本例為失電聯鎖，切斷閥（FC）關閉。現場設手動關/開閥按鈕，DCS或SIS設軟手動關/開閥按鈕，操作員可以根據需要在現場或控制室執行關/開閥指令，其中開閥指令只有在沒有聯鎖條件存在或發生過聯鎖但已經復位時才有效。

雙電磁閥狀態和切斷閥狀態對應關系參見表一。

如果沒有工藝過程參數參與聯鎖，只有現場和控制室手動關/開閥按鈕，可以取消RS觸發器。

根據操作崗位劃分和不同工藝要求，也可以考慮將手動開閥指令和復位指令做"OR"運算后，接入RS觸發器的復位端R端或不單設復位按鈕，這樣可以取消一個RS觸發器。

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行的可能性、誤停車的可能性、故障安全性、硬件投資費用等，并充分考慮邏輯不能執行而產生的經濟、人身、環境方面的影響和誤停車造成的經濟損失

實際方案需要考慮到HAZOP、IPF Study、SIL評級、ALARP經濟分析評估等方面，需要考慮監測單元、執行元件、SIS系統等的總體配置。

電磁閥一般選用直動式低功耗通用型，工作原理：通電時，電磁線圈產生電磁力克服彈簧力，使得對應氣路導通，比如電磁閥進氣口和工作口相通；斷電時，電磁力消失，在彈簧力的作用下轉換氣路，比如電磁閥放空口和工作口相通。

電磁閥勵磁時不能處在應對應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；

有雜質使電磁閥閥芯卡死→進行清洗,如密封損壞應更換密封。

電磁閥失電時不能處在應對應的氣路的原因和解決方案：

閥芯密封件已損壞→更換密封件；

有雜質進入電磁閥閥芯→進行清洗；

彈簧壽命已到或變形→更換；

節流孔平衡孔堵塞→及時清洗。

通常情況下，電磁閥勵磁時不能處在應對應氣路的故障概率要大于電磁閥失電時不能處在應對應氣路（即電磁閥彈簧復位時對應的氣路）的故障概率。

對于單電磁閥配置而言，失電聯鎖在故障安全性方面要遠好于得電聯鎖。

失電聯鎖不能執行聯鎖的因素：

電磁閥失電時不能處在應對應的氣路；

得電聯鎖不能執行聯鎖的因素：

信號電纜斷線；

控制室電源故障；

電磁閥勵磁時不能處在應對應的氣路；

雙電磁閥配置失電聯鎖和得電聯鎖在故障安全性方面示意性比較如下：

失電聯鎖不能執行聯鎖的因素：

兩個電磁閥中任何一個電磁閥失電時不能處在應對應的氣路；

得電聯鎖不能執行聯鎖的因素：

兩路信號電纜全部斷線；

兩路聯鎖信號控制室電源全部故障；

兩個電磁閥勵磁時都不能處在應對應的氣路。

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，設計中需要綜合考慮，按照ALARP原則采用合理的工程設計。采用雙電磁閥配置實現切斷閥電磁閥信號線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起誤停車的設計模式在很多石油化工裝置中有著很好的應用實例，為一種有效的設計。