摘要：在管道裝置的設(shè)計和應(yīng)用中，其安全性和可靠性至關(guān)重要，如何設(shè)計滿足SIL（安全完整性等級）評級要求的管道裝置控制系統(tǒng)，使其能滿足在較高安全要求或較苛刻環(huán)境場合中的應(yīng)用，是值得深入研究和解決的問題。文章探討并聯(lián)冗余的防爆直動式電磁閥系統(tǒng)在特殊或苛刻環(huán)境下應(yīng)用的優(yōu)勢，通過配置應(yīng)用實例，闡述該控制系統(tǒng)如何規(guī)避誤操作、如何合理地設(shè)計監(jiān)測報警系統(tǒng)，并且提出氣路系統(tǒng)模塊化設(shè)計理念，以進一步提高管道系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電磁閥；防爆；并聯(lián)冗余；管道裝置；模塊化氣路

中圖分類號：TQ056"""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）01-0110-04

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)的管道體系中，切斷閥是安全過程控制最終的執(zhí)行者。在整個安全生產(chǎn)過程中，安全、可靠、穩(wěn)定地執(zhí)行生產(chǎn)過程中的指令，是管道系統(tǒng)設(shè)計的目標。為了提高管道控制系統(tǒng)中管道裝置運行的安全性、可靠性，我國技術(shù)人員在此方面展開了堅持不懈的研究，其中冗余控制系統(tǒng)的各種應(yīng)用是研究的重點。范詠峰［1］研究如何采用雙電磁閥配置實現(xiàn)切斷閥電磁閥信號線路的冗余配置，解決因電纜斷線引起的誤停車問題。沈加明［2］討論如何采用冗余的雙電磁閥，配合表決邏輯和雙CPU（中央處理器）等技術(shù)提高安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。唐丹蓉［3］利用實例說明電磁閥冗余結(jié)構(gòu)是如何有效地保證裝置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性，研究其設(shè)計方法和應(yīng)注意的問題。我國工業(yè)領(lǐng)域的劃分越來越精細化，同時對生命安全和財產(chǎn)安全的要求越來越嚴格，因此對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其選配控制附件的參數(shù)設(shè)計要求越來越高。在一些重要或特殊的工作環(huán)境中，需要隔離、限制存在的點火源，工作氣路具有的真空或零負壓狀況，都對工作裝置提出了一些苛刻的條件，例如必須達到SIL（安全完整性等級）評級要求。在切斷閥上采用并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)，是提高管道系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的必要手段。在一些重要或特殊的環(huán)境中，防爆電磁閥是必需的，而高頻率的生產(chǎn)動作要求使直動式電磁閥成為管道系統(tǒng)的優(yōu)先級選擇。因此，設(shè)計合理的并聯(lián)冗余的防爆直動式電磁閥控制系統(tǒng)并將其應(yīng)用到管道裝置系統(tǒng)中成為該領(lǐng)域研究人員重要的研究課題。本文主要探討如何設(shè)計配置并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)及其相關(guān)氣路連接，提高管道裝置的安全性和可靠性。

1 并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)介紹

隨著生產(chǎn)要求和安全作業(yè)標準的不斷提高，生產(chǎn)管道系統(tǒng)必須有效地解決安全失效和危險失效的問題。安全失效指控制系統(tǒng)產(chǎn)生顯性故障時，觸發(fā)控制系統(tǒng)動作引起生產(chǎn)系統(tǒng)緊急停車；危險失效指控制系統(tǒng)存在隱性故障時，生產(chǎn)系統(tǒng)不能動作。并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)的配置比單一控制系統(tǒng)的配置優(yōu)勢更明顯，因此在解決控制系統(tǒng)失效問題時，并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)成為工程設(shè)計技術(shù)人員的首選方案。

雙電磁閥并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)是常規(guī)的并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)配置，能很好地解決因電纜斷線引起的切斷閥誤停車問題，避免引起較大規(guī)模的經(jīng)濟損失；其氣路設(shè)計一般采用雙電磁閥失電聯(lián)鎖配置，即只有雙電磁閥都失電時，控制聯(lián)鎖動作才啟動，切斷閥被執(zhí)行FC（故障關(guān)閉型）或FO（故障開啟型）操作。但是，以上情況發(fā)生的概率極低，比較常見的情況是一個電磁閥失電，另一個電磁閥得電，由于仍然有一個控制氣路正常工作，因此整個控制系統(tǒng)仍能保持執(zhí)行原命令，避免切斷閥因聯(lián)鎖而誤停車。對于失電的電磁閥氣路，系統(tǒng)會將報警信號傳到控制中心，通知工作人員及時安排檢修。常規(guī)的并聯(lián)冗余電磁閥無論是直動式的還是先導式的，電磁閥上都有手動切換開關(guān)，操作人員可根據(jù)需要在現(xiàn)場或控制室執(zhí)行關(guān)閥或開閥指令（開閥指令只有在不存在聯(lián)鎖條件或沒有發(fā)生過聯(lián)鎖但已經(jīng)復位的情況下才有效）。圖1為并聯(lián)冗余系統(tǒng)應(yīng)用圖例；圖2為雙電磁閥并聯(lián)冗余配置氣路圖。

2 并聯(lián)冗余防爆直動式電磁閥控制系統(tǒng)方案

要綜合考慮各方面的因素確定并聯(lián)冗余防爆直動式電磁閥控制系統(tǒng)方案，主要包括邏輯不能執(zhí)行的可能性、誤停車的可能性、執(zhí)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性、工作環(huán)境的安全等級、硬件的投資費用等；還需充分考慮邏輯不能執(zhí)行而產(chǎn)生的對經(jīng)濟、人身安全、環(huán)境方面的影響以及發(fā)生安全失效或危險失效時造成的經(jīng)濟損失。還需要注意方案中的各個問題點，例如HAZOP（危險與可操作性研究）分析，執(zhí)行元件的材質(zhì)、壓力等級、流通能力、工藝連接方式和防爆等級、防護等級，SIL評級，以及SIS（安全儀表系統(tǒng)）系統(tǒng)、監(jiān)控檢測單元、氣路設(shè)計和連接等總體配置因素。其中，SIL評級按安全完整性等級由低到高分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。

本項目最終選定并聯(lián)冗余防爆直動式電磁閥控制系統(tǒng)的原因如下：①項目設(shè)計對執(zhí)行元器件具有SIL評級要求；②直動式電磁閥不但可以在真空、負壓時正常工作，而且特別適用于切斷閥進行快速切斷的場合，極大地提高了控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度；③應(yīng)用防爆功能的電磁閥可以提升控制系統(tǒng)的阻燃性和抗爆性、抗沖擊性及耐候性；④并聯(lián)冗余聯(lián)鎖設(shè)計可以極大地保證控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。因此，該控制系統(tǒng)適用于苛刻環(huán)境下有特殊要求和極高安全要求的管道。

3 配置應(yīng)用實例

3.1 系統(tǒng)的配置

由于本項目的應(yīng)用環(huán)境有防爆等級和防護等級的要求，因此對管道裝置有SIL評級要求。電磁閥選擇防爆的直動式低功耗電磁閥，得電時電磁閥開啟，失電時電磁閥聯(lián)鎖切換排空。由于管道裝置有SIL評級要求，因此執(zhí)行元件首先要滿足SIL認證要求，控制系統(tǒng)采用并聯(lián)冗余控制配置。為了滿足SIL認證要求，電磁閥的閥體上一般沒有設(shè)計手動切換功能，本案例中的電磁閥選擇的是美國ASCO品牌電磁閥的WSNF系列。如果只采用雙電磁閥并聯(lián)冗余控制結(jié)構(gòu)，操作人員無法進行現(xiàn)場操作指令，即使執(zhí)行元件暫時滿足SIL認證要求，但管道裝置系統(tǒng)在這種控制方案下，依然不能滿足SIL評級的要求。因此，本案例在每個電磁閥氣路中分別串聯(lián)一個常開的、具備防止誤操作功能的手動切換閥，本案例選擇的是鑰匙型手動切換閥。這樣的配置即可以滿足操作人員進行遠程控制的要求，又可以讓操作人員在現(xiàn)場執(zhí)行指令。同時，為了讓檢測單元對并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)進行完整的監(jiān)測，將監(jiān)控檢測報警單元由常規(guī)的對雙電磁的監(jiān)測改為分別對單個氣路的監(jiān)測。并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)如圖3所示。

3.2 應(yīng)用分析

如圖3所示，并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)的應(yīng)用連接如下：系統(tǒng)由2組單控制系統(tǒng)并聯(lián)組合而成，每個單控系統(tǒng)用一套防爆直動式電磁閥和一套鑰匙型手動換向閥串聯(lián)；為了讓監(jiān)測報警系統(tǒng)既可以監(jiān)測電磁閥，又可以監(jiān)測手動閥，把監(jiān)測信號接口A和B分別串入2個單控系統(tǒng)中［4］；通過一套梭閥［5］將2個單控系統(tǒng)并聯(lián)冗余到一起。在設(shè)計并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)時，為了讓監(jiān)測報警系統(tǒng)準確無誤地監(jiān)測到其所在串聯(lián)氣路的運行情況而又不被其他系統(tǒng)的問題影響，對其中一個電磁閥不能采用常規(guī)并聯(lián)冗余的氣路連接方式直接連接到另一個電磁閥的排氣口處；否則，后面的一路監(jiān)測報警系統(tǒng)就不能獨立監(jiān)測本路系統(tǒng)，而是共同監(jiān)測2路系統(tǒng)，違反了直接反饋報警信息的原則。為了讓2個單控制系統(tǒng)很好地并聯(lián)，必須尋找新的氣路連接方案。本案例采用梭閥，根據(jù)梭閥的“或門”（OR gate，又稱邏輯和電路）的工作原理，它既能保證監(jiān)控系統(tǒng)的準確性和獨立性，又可以使2個單控制系統(tǒng)很好地并聯(lián)冗余。

3.3 可行性分析

為了確認以上并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)方案的可行性，必須從技術(shù)層面對該方案進行理論分析（結(jié)果見表1）和型式試驗。

從表1可以看出，在此配置的并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)中，只有在所有控制系統(tǒng)和執(zhí)行元器件正常運作的情況下，監(jiān)測報警系統(tǒng)才能保持正常運行，一旦控制氣路出現(xiàn)異常，對應(yīng)的監(jiān)測報警系統(tǒng)會立即做出警示?？刂葡到y(tǒng)只有在2個手動換向閥同時被操作或2個電磁閥同時失電、失效的情況下，才有可能導致控制閥系統(tǒng)安全失效，出現(xiàn)生產(chǎn)緊急停車的危險事故。因此，鑰匙型手動換向閥被誤操作的可能性非常低。正常情況下，鑰匙型手動換向閥是被鑰匙鎖定的，其他工作人員在沒有鑰匙的情況下無法對手動換向閥執(zhí)行命令操作，只有本工位負有鑰匙保管職責的操作人員才能根據(jù)實際工作或維修情況，對鑰匙型手動換向閥進行現(xiàn)場指令操作。進行手動操作時，遠程監(jiān)控檢測報警系統(tǒng)進入非正常狀態(tài)，持續(xù)提醒操作人員此控制系統(tǒng)有異常。鑰匙型手動換向閥的配置不僅可以保證操作人員順利執(zhí)行現(xiàn)場操作命令，當遠程控制系統(tǒng)出現(xiàn)操作失效時，還能通過它規(guī)避管道裝置發(fā)生危險失效的狀況。

電磁閥一旦失效，就會出現(xiàn)失電現(xiàn)象，它所在的串聯(lián)氣路將執(zhí)行斷路動作，相應(yīng)的監(jiān)測報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，但另一組電磁閥仍然可以正常工作，不受影響。任意一組控制系統(tǒng)出現(xiàn)失效時，并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)可以正常工作，避免發(fā)生安全失效，同時可以將相應(yīng)的失效問題立即通過A或B監(jiān)測端口將報警信息反饋到監(jiān)測總服務(wù)器，促使工作人員做出應(yīng)急處置，盡快將并聯(lián)冗余控制系恢復到正常的作業(yè)狀態(tài)。

3.4 安全性及可靠性分析

并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)作為控制閥的控制系統(tǒng)，其安全性和可靠性是保證管道系統(tǒng)安全生產(chǎn)的必要條件。由上述分析可知，只有配置的2個電磁閥均發(fā)生失效時，管道切斷閥才會發(fā)生最終失效，引發(fā)生產(chǎn)緊急停車的危險事故。配置電磁閥發(fā)生失效的概率由電磁閥本身的制造性能和使用環(huán)境決定。假設(shè)單一電磁閥工作時的失效概率為K1，那么單一電磁閥的安全可靠性就是Φ1計算公式如下：

Φ1=1-K1

由于并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)由2個獨立的電磁閥組合構(gòu)成，所以2組電磁閥同時發(fā)生失效的概率為K，計算公式如下：

K=K1×K2"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （1）

那么，并聯(lián)冗余系統(tǒng)的安全可靠性Φ計算公式如下：

Φ=1-K=1-（K1×K2）""""""""""""""""""""" （2）

假設(shè)單一電磁閥在使用時發(fā)生失效的概率為10%，那么單控系統(tǒng)的可靠性就是90%，而并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)發(fā)生失效的概率僅有1%，安全可靠性高達99%，增加一套冗余控制系統(tǒng)，使管道生產(chǎn)系統(tǒng)控制閥門的安全性和可靠性整體有了很大的提升。

3.5 氣路模塊化

通過以上并聯(lián)冗余氣路的理論分析可知，本案例中的控制元器件配置合理，連接氣路設(shè)計符合要求，可以進行下一步的型式試驗驗證。在進行樣機連接裝配的過程中發(fā)現(xiàn)，使用的接頭較多、漏氣點較多，在維修某處漏氣點時，相鄰非漏氣接頭處出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。此外，控制元器件安裝支撐板體積過大，使其難以被固定，甚至使氣路的接管更加困難。最終樣機型式試驗的結(jié)果雖然達到設(shè)計要求，但是不適合商品化，因此需要重新設(shè)計安裝氣路。

由于本案例中的并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)需要使用防爆直動式電磁閥，而且項目的應(yīng)用環(huán)境對管道裝置有SIL評級要求，對使用的控制元器件也有相應(yīng)的SIL認證要求，因此在滿足該并聯(lián)冗余系統(tǒng)安全性和可靠性要求的同時，氣路安裝不可避免地具有復雜性和存在多泄漏點的問題。為此，本案例采取對氣路進行模塊化的方式解決該問題。模塊化氣路的優(yōu)點是安裝簡單、運行可靠、泄漏點少、后期維修和維護方便等，但其劣勢也很明顯，即一次性投入成本大。對氣路模塊方案進行多次優(yōu)化，并與客戶充分溝通后，模塊化的氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然使項目早期的氣路成本有所增加，但是可以使控制系統(tǒng)內(nèi)的電磁閥等控制元器件通過緊固件直接貼裝到模塊的相應(yīng)位置上，這樣的設(shè)計理念與傳統(tǒng)氣路裝配理念相比，既減少了管接頭的使用數(shù)量，防止產(chǎn)生泄露點位，又降低了管路連接的復雜性、安裝難度及成本，最重要的是后期的維護會更簡單、方便、安全，實現(xiàn)了更大的經(jīng)濟利益和更高的系統(tǒng)安全性及可靠性。最終設(shè)計的模塊化氣路如圖4所示。

4 結(jié)語

綜上所述，并聯(lián)冗余的防爆直動式電磁閥在工業(yè)生產(chǎn)管道系統(tǒng)中雖然應(yīng)用比例不大，但是在特殊的環(huán)境下，可顯著提高管道裝置運行的可靠性、安全性。該系統(tǒng)設(shè)計雖然會增加前期投入成本，但是不僅能降低控制管路裝配的復雜性，還能極大地提高控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并且該控制系統(tǒng)的后期維修、養(yǎng)護難度和維護成本顯著的降低。

5 參考文獻

［1］范詠峰.雙電磁閥配置在石油化工裝置中的應(yīng)用［J］.石油化工自動化，2011，47（3）：6-10.

［2］沈加明.采用冗余的雙電磁閥來提高安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的可靠性［J］.石油化工自動化，1994（1）：8-10.

［3］唐丹蓉.電磁閥在石油化工裝置安全聯(lián)鎖保護過程中的設(shè)計與應(yīng)用［J］.石油化工自動化，2003（4）：12-15.

［4］國家石油化工和化工工業(yè)局.HG/T20511—2000：2001信號報警、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定［S］.

［5］劉延俊.液壓與氣壓傳動（第4版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2019：229-230.

【作者簡介】趙東，男，河南開封人，機械工程師，主要從事產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)、方案解決等機械類、自動化類技術(shù)性工作。

【引用本文】趙東.并聯(lián)冗余的防爆直動式電磁閥在管道裝置中的應(yīng)用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（1）：110-112，124.