隨著科學技術的飛速發(fā)展，工業(yè)生產對過程控制系統(tǒng)的可靠性要求越來越高?？刂葡到y(tǒng)通過電源、控制器、服務器、通信網(wǎng)絡和IO卡等部件級冗余大大提高了系統(tǒng)的可靠性。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為過程控制的保護屏障，對控制系統(tǒng)外執(zhí)行環(huán)節(jié)的可靠性要求尤為突出。作為過程控制的最終執(zhí)行器的控制閥，其聯(lián)鎖動作的可靠性將影響整個聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。在實際生產過程中，SIL1和SIL2安全級聯(lián)鎖系統(tǒng)采用單控制閥，根據(jù)需要配套電磁閥。關鍵控制閥的聯(lián)鎖可靠性通常通過冗余顯著提高。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

控制閥配備兩位三通單電控電磁閥。電磁閥有三種類型：常閉式-失電時壓力口關閉，排氣口連接到氣缸口，得電時壓力口連接到氣缸口，排氣口關閉；常開式-失電時壓力口連接到氣缸口和排氣口，得電時壓力口關閉，氣缸口連接到排氣口；通用型-允許閥連接到常閉或常開位置之一，或從一個端口轉換到另一個端口。

根據(jù)開度控制，控制閥是否連續(xù)變化分為調節(jié)閥和切斷閥兩類。調節(jié)閥根據(jù)工藝控制要求使用AO閥門定位器配置在0%和100%的行程之間。聯(lián)鎖調節(jié)閥在閥門定位器和執(zhí)行器之間配置電磁閥DO信號實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，電磁閥一般采用單電控電磁閥，實現(xiàn)控制閥執(zhí)行機構儀表空氣的供應和排放，實現(xiàn)聯(lián)鎖目標；切斷閥的開度只有兩個位置：全開和全關。必須配備電磁閥進行氣路導通和切斷控制DO信號使切斷閥在全開全關狀態(tài)下切換?？刂崎y單電磁閥有四種常用配置方案，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-調節(jié)閥；SH———梭閥

圖1

根據(jù)儀表空氣故障時閥門的安全位置，氣動控制閥分為氣開（FC）和氣關（FO）根據(jù)工藝安全生產要求，選擇氣開或氣關?？刂崎y聯(lián)鎖由電磁閥實現(xiàn)，石化裝置電磁閥一般按故障安全原則設計為：正常電勵磁（圖1a），失電聯(lián)鎖模式NE（圖1d）。同時，火氣系統(tǒng)負載設計為正常失電(圖11)b），電聯(lián)鎖模式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、全關或調節(jié)狀態(tài)，詳見表1。由于調節(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圖1d不適合設計為正常電勵磁、失電聯(lián)鎖。以通用兩位三通電磁閥為例。

表1

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2 控制閥冗余電磁閥配置方案

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)有兩種方式：安全故障和危險故障。安全故障是指當系統(tǒng)發(fā)生顯性故障時，觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的動作，導致誤停；危險故障是指系統(tǒng)在必要時無法產生動作。在使用非冗余單電磁閥時，電磁閥故障、線路或電源故障及DCS故障會導致控制閥誤動作聯(lián)鎖，即安全故障，需要采取容錯措施。為了提高可靠性，一般采用兩位三通電磁閥冗余配置，實現(xiàn)功能熱準備。兩個電磁閥冗余適用于SIL1和SIL2安全級聯(lián)鎖系統(tǒng)采用單控制閥，配備電磁閥冗余配置。電磁閥安裝在閥門定位器和執(zhí)行機構之間，或電磁閥控制切斷閥，具體配置為：兩個獨立的電磁閥，兩個單獨的信號線，兩個不相同DCS但控制信號完全相同。實現(xiàn)方案有6種，如圖2所示。

圖2

圖2e、f使用或門式梭閥，無論哪個氣路單獨通風，都可以與膜頭通風；當兩個氣路同時通風時，壓力高的膜頭與道路相連，另一端關閉，實現(xiàn)或邏輯關系的冗余。

在冗余雙電磁閥配置方案中，由于故障安全原則的不同設計，圖2中的所有設計方案都處于完全打開、完全關閉或調整狀態(tài)，詳見表2。圖2也存在c、f圖2d不適合設計為正常得電勵磁、失電聯(lián)鎖。

表2 冗余雙電磁閥配置控制閥狀態(tài)

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2.1 冗余雙電磁閥配置特點

在圖2所示的六種冗余雙電磁閥配置方案中，有三種情況：

a．圖2a、c中，電磁閥SV1和SV得電時工作，SV氣路3-2導通，1、2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作，SV1-2截止日期，氣路3-2導通，儀表空氣到達SV2口1截止，在SV2出現(xiàn)故障而翻轉時，儀表空氣經SV1氣路3-2和SV氣路1-2到達膜頭，控制閥動作。SV1和SV2失電時，控制閥膜頭內儀表空氣通過SV2氣路2-1和SV氣路2-1排空，控制閥動作。

b．圖2b、d在工作狀態(tài)下SV1和SV2失電，SV1和SV氣路1-2導通，3-2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。SV1和SV2.控制閥膜頭內儀表空氣通過SV2氣路2-3排空，控制閥動作。SV1故障，儀表空氣通過SV2氣路2-1和SV氣路2-3排空，控制閥聯(lián)鎖動作。

   c．圖2e、f中，SV1和SV得電時工作，SV2和SV1氣路3-2導通，1-2截止，儀表空氣兩端壓力高，膜頭與其連接，另一端關閉，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。當任何電磁閥故障翻轉時，電磁閥1-2導通放氣，另一個電磁閥3-2繼續(xù)導通，儀表空氣進入氣室，調節(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，當電磁閥處于電源或電源故障狀態(tài)，電磁閥電路故障時，儀表的氣流方向不同，對電磁閥的要求也不同，見表3。

表3 冗余雙電磁閥類型要求

   

2.3 可靠性分析

冗余電磁閥有串聯(lián)并聯(lián)兩種形式，其功能相當于系統(tǒng)并聯(lián)。任何冗余電磁閥故障都不會影響系統(tǒng)的功能，只有當兩個電磁閥都故障時，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)的可靠性。

假設兩個冗余電磁閥的故障率為0.10(電磁閥的可靠性為0.90)，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.與單個電磁閥相比，99的可靠性顯著提高。

3 結束語

采用冗余電磁閥配置后，過程控制系統(tǒng)的執(zhí)行終結者安全聯(lián)鎖控制閥的附件顯著提高了其可靠性。實現(xiàn)電磁閥冗余配置需要兩個獨立的電磁閥，兩個單獨的信號線，兩個不同DCS但卡的控制信號完全相同，冗余配置導致項目投資翻倍，需要做ALARP（AsLowAsRea-sonablyPracticable）經濟分析用于評估引入冗余配置和額外投資帶來的投資回報。