隨著科學技術的飛速發展，工業化生產對過程控制系統可靠性的要求越來越高，控制系統通過電源、控制器、服務器、通信網絡及IO卡件等部件級冗余將系統的可靠性大大提高。聯鎖系統作為過程控制的保護屏障，對控制系統之外的執行環節的可靠性要求尤其突出。作為過程控制的最終執行者的控制閥，其聯鎖動作的可靠性，必將影響整個聯鎖系統的可靠性。在實際生產過程中，SIL1和SIL2安全度等級的聯鎖系統采用單一的控制閥，并根據需要配套電磁閥，常采用冗余方式將關鍵控制閥的聯鎖可靠性顯著提高，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(fa)配(pei)置(zhi)兩位三通單電(dian)控型電(dian)磁閥(fa)，電(dian)磁閥(fa)有3種類型：常閉(bi)型———失電(dian)時壓力(li)(li)(li)口(kou)(kou)(kou)(kou)關閉(bi)、排氣(qi)口(kou)(kou)(kou)(kou)連到(dao)氣(qi)缸(gang)(gang)口(kou)(kou)(kou)(kou)，得電(dian)時壓力(li)(li)(li)口(kou)(kou)(kou)(kou)連到(dao)氣(qi)缸(gang)(gang)口(kou)(kou)(kou)(kou)而排氣(qi)口(kou)(kou)(kou)(kou)關閉(bi)；常開型———失電(dian)時壓力(li)(li)(li)口(kou)(kou)(kou)(kou)連到(dao)缸(gang)(gang)口(kou)(kou)(kou)(kou)、排氣(qi)口(kou)(kou)(kou)(kou)關閉(bi)，得電(dian)時壓力(li)(li)(li)口(kou)(kou)(kou)(kou)關閉(bi)而氣(qi)缸(gang)(gang)口(kou)(kou)(kou)(kou)連到(dao)而排氣(qi)口(kou)(kou)(kou)(kou)；通用型———允許閥(fa)連接(jie)成常閉(bi)或常開位置(zhi)的其(qi)中之一，或由一個口(kou)(kou)(kou)(kou)轉換流到(dao)另一個口(kou)(kou)(kou)(kou)。
控制閥依據開度控制是否連續變化分為調節閥和切斷閥兩大類。調節閥根據過程控制要求，用AO信號實現0%和100%行程之間的定位，配置閥門定位器。聯鎖調節閥在閥門定位(wei)(wei)器(qi)和執行(xing)機構之間配(pei)置(zhi)(zhi)電(dian)(dian)磁閥(fa)，用DO信(xin)號實現聯鎖(suo)控(kong)(kong)制，電(dian)(dian)磁閥(fa)一般(ban)選用單(dan)電(dian)(dian)控(kong)(kong)型電(dian)(dian)磁閥(fa)，實現控(kong)(kong)制閥(fa)執行(xing)機構儀表(biao)空(kong)氣(qi)的供給與排放，實現聯鎖(suo)目標(biao)； 切(qie)斷(duan)(duan)閥(fa)開度僅有全開和全關(guan)兩個位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，必須配(pei)置(zhi)(zhi)電(dian)(dian)磁閥(fa)進行(xing)氣(qi)路導通和切(qie)斷(duan)(duan)控(kong)(kong)制，用DO信(xin)號使切(qie)斷(duan)(duan)閥(fa)在全開和全關(guan)兩個狀(zhuang)態(tai)切(qie)換。控(kong)(kong)制閥(fa)單(dan)電(dian)(dian)磁閥(fa)常用配(pei)置(zhi)(zhi)方案有4種，如圖1所示。
IA———儀表空氣；QF———過濾減壓閥；SV1———電(dian)磁閥；IP———閥門定位(wei)器(qi)；
V1———切斷閥；V2———調節閥；SH———梭閥
圖1 控制閥單電磁閥常(chang)用配置(zhi)方案
氣動(dong)控制閥(fa)(fa)根據儀表(biao)空氣故障(zhang)時閥(fa)(fa)門所處的(de)安全(quan)位置分(fen)為氣開(kai)（FC）和氣關（FO）兩(liang)種，選(xuan)擇(ze)氣開(kai)還是氣關在設(she)計選(xuan)型時根據工藝(yi)過程安全(quan)生(sheng)產要(yao)求決定。控制閥(fa)(fa)聯(lian)鎖由電磁(ci)閥(fa)(fa)實現(xian)，石油化工裝(zhuang)置中電磁(ci)閥(fa)(fa)一般按失(shi)效安全(quan)的(de)原則設(she)計為：正常得電勵(li)磁(ci)（圖1a），失(shi)電聯(lian)鎖方式NE（圖1d） 。同時火(huo)氣系統(tong)負(fu)載(zai)設(she)計為： 正常失(shi)電（圖1b），得電聯(lian)鎖方式NDE（圖1c）。
根(gen)據失(shi)效安全原則(ze)，圖(tu)1a～ d在不同狀態(tai)時閥門處于(yu)全開、全關或(huo)調節狀態(tai)，詳見表1。由于(yu)調節閥在正(zheng)常(chang)工(gong)作時，只有定位器輸出儀表空(kong)氣到(dao)達膜(mo)頭才能(neng)實現閥門的精(jing)確(que)定位，要求(qiu)氣路不能(neng)切(qie)斷，所以(yi)(yi)圖(tu)1c不適(shi)(shi)于(yu)設計為“正(zheng)常(chang)失(shi)電、聯鎖(suo)得電勵磁”方式(shi)，圖(tu)1d不適(shi)(shi)于(yu)設計為“正(zheng)常(chang)得電勵磁、失(shi)電聯鎖(suo)”方式(shi)。現以(yi)(yi)通用(yong)型兩位三(san)通電磁閥為例(li)進(jin)行說明(ming)。
表1 單電(dian)磁閥配置(zhi)控(kong)制閥狀(zhuang)態
♂
2 控制閥冗余電磁閥配置方案
安(an)(an)全(quan)聯鎖系統(tong)(tong)有(you)安(an)(an)全(quan)失效和危險(xian)失效兩(liang)(liang)(liang)種(zhong)方式(shi)。安(an)(an)全(quan)失效即當系統(tong)(tong)產生(sheng)顯(xian)性(xing)故障(zhang)時(shi)觸發安(an)(an)全(quan)聯鎖系統(tong)(tong)動(dong)作，導(dao)致(zhi)(zhi)誤停車； 危險(xian)失效則指(zhi)系統(tong)(tong)存在(zai)隱性(xing)故障(zhang)時(shi)導(dao)致(zhi)(zhi)系統(tong)(tong)在(zai)需要時(shi)不能產生(sheng)動(dong)作。非冗(rong)余單電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)使(shi)用(yong)過程中，電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)故障(zhang)、線(xian)路或(huo)電(dian)源故障(zhang)及DCS故障(zhang)等都(dou)會導(dao)致(zhi)(zhi)控制(zhi)閥(fa)(fa)誤動(dong)作聯鎖，即安(an)(an)全(quan)失效，需采取容錯措(cuo)施，為提高(gao)可靠性(xing)一般采用(yong)兩(liang)(liang)(liang)個(ge)兩(liang)(liang)(liang)位三(san)通電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)冗(rong)余配(pei)(pei)置(zhi)(zhi)(zhi)實現(xian)功(gong)能熱(re)備。兩(liang)(liang)(liang)個(ge)電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)冗(rong)余適用(yong)于SIL1和SIL2安(an)(an)全(quan)度等級聯鎖系統(tong)(tong)，采用(yong)單一的(de)控制(zhi)閥(fa)(fa)，配(pei)(pei)套電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)冗(rong)余配(pei)(pei)置(zhi)(zhi)(zhi)。電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)安(an)(an)裝在(zai)閥(fa)(fa)門定位器(qi)與執行機構之間，或(huo)者(zhe)單獨配(pei)(pei)置(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)控制(zhi)切斷閥(fa)(fa)，具體配(pei)(pei)置(zhi)(zhi)(zhi)為： 兩(liang)(liang)(liang)個(ge)獨立電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)(fa)，兩(liang)(liang)(liang)條分開敷設的(de)信(xin)號(hao)線(xian)路，兩(liang)(liang)(liang)個(ge)不在(zai)同一DCS卡件但完全(quan)相(xiang)同的(de)控制(zhi)信(xin)號(hao)。實現(xian)方案有(you)6種(zhong)，如(ru)圖2所示。
圖2 控(kong)制閥(fa)冗(rong)余(yu)電磁閥(fa)配置方(fang)案
圖2e、f 采用或門型梭閥，不論哪(na)條氣(qi)路(lu)(lu)單獨通(tong)(tong)氣(qi)，都(dou)能導通(tong)(tong)與(yu)其膜(mo)頭(tou)的通(tong)(tong)路(lu)(lu)； 當兩路(lu)(lu)氣(qi)路(lu)(lu)同時通(tong)(tong)氣(qi)時，哪(na)端(duan)壓力高膜(mo)頭(tou)就(jiu)與(yu)該路(lu)(lu)相通(tong)(tong)，同時另(ling)一(yi)端(duan)關閉，用“或”邏輯關系實現(xian)冗余。
在冗(rong)余雙電磁(ci)閥配置(zhi)方(fang)案中，由于(yu)失(shi)效安全原則設(she)計不(bu)同(tong)，圖2中所有(you)設(she)計方(fang)案在不(bu)同(tong)狀態時(shi)控制閥處(chu)于(yu)全開、全關或調節狀態，詳(xiang)見表2。同(tong)樣存在圖2c、f 不(bu)適于(yu)設(she)計為“正常(chang)失(shi)電、聯鎖(suo)得電勵磁(ci)”方(fang)式(shi)，圖2d不(bu)適于(yu)設(she)計為“正常(chang)得電勵磁(ci)、失(shi)電聯鎖(suo)”方(fang)式(shi)。
表2 冗余雙電磁閥配置(zhi)控制閥狀態(tai)
♂
2.1 冗余雙電磁閥配置特點
在如(ru)圖2所示的6種(zhong)冗余雙(shuang)電磁閥配置方案中(zhong)，存在3類情(qing)況：
a．圖2a、c中，電(dian)磁閥SV1和(he)SV2工作(zuo)在得電(dian)狀(zhuang)態時，SV2的(de)氣(qi)(qi)路(lu)(lu)3-2導通(tong)(tong)，1、2截止(zhi)，儀(yi)表(biao)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)進(jin)入膜頭(tou)，控(kong)制(zhi)閥動(dong)(dong)作(zuo)，SV1的(de)1-2截止(zhi)，氣(qi)(qi)路(lu)(lu)3-2導通(tong)(tong)，儀(yi)表(biao)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)到(dao)達SV2的(de)口1截止(zhi)，在SV2出現故障而翻轉時，儀(yi)表(biao)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)經SV1氣(qi)(qi)路(lu)(lu)3-2和(he)SV2氣(qi)(qi)路(lu)(lu)1-2到(dao)達膜頭(tou)，控(kong)制(zhi)閥動(dong)(dong)作(zuo)。SV1 和(he)SV2失(shi)電(dian)時，控(kong)制(zhi)閥膜頭(tou)內儀(yi)表(biao)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)經由(you)SV2氣(qi)(qi)路(lu)(lu)2-1和(he)SV1氣(qi)(qi)路(lu)(lu)2-1放(fang)空(kong)(kong)，控(kong)制(zhi)閥動(dong)(dong)作(zuo)。
b．圖2b、d中，工(gong)作狀態(tai)時SV1和SV2失(shi)電，SV1和SV2氣路(lu)1-2導通、3-2截止(zhi)，儀(yi)(yi)表(biao)空(kong)氣進入(ru)膜頭(tou)，控(kong)(kong)制(zhi)閥(fa)(fa)動(dong)作。聯(lian)(lian)鎖時，SV1 和SV2得電，控(kong)(kong)制(zhi)閥(fa)(fa)膜頭(tou)內儀(yi)(yi)表(biao)空(kong)氣經(jing)由(you)SV2氣路(lu)2-3放空(kong)，控(kong)(kong)制(zhi)閥(fa)(fa)動(dong)作。若(ruo)SV1故障，儀(yi)(yi)表(biao)空(kong)氣經(jing)由(you)SV2氣路(lu)2-1和SV1氣路(lu)2-3放空(kong)，控(kong)(kong)制(zhi)閥(fa)(fa)聯(lian)(lian)鎖動(dong)作。
c．圖2e、f中，SV1和SV2工作在得電(dian)(dian)狀態時(shi)，SV2和SV1的(de)氣路3-2導通(tong)，1、2截止(zhi)，儀(yi)表空(kong)氣兩端中那一端的(de)壓力高，膜頭就與其(qi)相通(tong)，另(ling)一端關閉，儀(yi)表空(kong)氣進入膜頭，控制(zhi)閥(fa)動作。當任意電(dian)(dian)磁閥(fa)故(gu)障而翻(fan)轉時(shi)，該電(dian)(dian)磁閥(fa)的(de)1-2導通(tong)放氣，另(ling)一電(dian)(dian)磁閥(fa)的(de)3-2繼(ji)續導通(tong)，儀(yi)表空(kong)氣進入氣室(shi)，調節(jie)閥(fa)繼(ji)續工作。實現(xian)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(rong)余雙電磁(ci)閥配置方(fang)案中(zhong)，電磁(ci)閥處于得電或失電狀態，以及(ji)一個電磁(ci)閥回(hui)路故(gu)障時，儀表空(kong)氣流動方(fang)向不同(tong)，對電磁(ci)閥的要求也(ye)不相同(tong)，具體見(jian)表3。
表3 冗(rong)余雙電磁(ci)閥類型要求
2.3 可靠性分析
冗(rong)(rong)余電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)配置在(zai)形(xing)式上有(you)串聯和并聯兩種，其功能等效于系(xi)(xi)統并聯，任何(he)一個(ge)冗(rong)(rong)余電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)失(shi)效都(dou)不會影(ying)響系(xi)(xi)統的(de)功能，只有(you)在(zai)兩個(ge)電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)均失(shi)效時系(xi)(xi)統才不能正(zheng)常工作。冗(rong)(rong)余電(dian)磁(ci)(ci)閥(fa)配置的(de)可(ke)靠性數學關系(xi)(xi)如下(xia)：
故障概率F=F1·F2
可靠性R=1－F=1－[F1·F2］
式中F———冗余電磁(ci)閥配(pei)置系統的(de)故障率；
F1、F2———SV1、SV2的故障率；
R———冗余電磁閥配置系(xi)統的可靠度。
假(jia)設兩個冗余電(dian)磁(ci)閥的(de)故(gu)障率(lv)均為(wei)0.10（電(dian)磁(ci)閥的(de)可靠性(xing)(xing)為(wei)0.90），則組成冗余電(dian)磁(ci)閥配置(zhi)系統的(de)故(gu)障率(lv)為(wei)0.01，系統可靠性(xing)(xing)為(wei)0.99，較單個電(dian)磁(ci)閥的(de)可靠性(xing)(xing)有明顯(xian)提高。
3 結束語
過(guo)程控制(zhi)系統(tong)的(de)(de)執行終結者———安全(quan)聯鎖控制(zhi)閥(fa)(fa)的(de)(de)附件，在采用冗余(yu)(yu)電(dian)磁閥(fa)(fa)配(pei)(pei)置后，其可靠性(xing)顯著提高。實現電(dian)磁閥(fa)(fa)冗余(yu)(yu)配(pei)(pei)置需(xu)(xu)要兩(liang)個(ge)獨立(li)的(de)(de)電(dian)磁閥(fa)(fa)，兩(liang)條分開敷(fu)設的(de)(de)信號(hao)線路，兩(liang)個(ge)不(bu)在同一DCS卡件但完(wan)全(quan)相(xiang)同的(de)(de)控制(zhi)信號(hao)，冗余(yu)(yu)配(pei)(pei)置導致項(xiang)目投(tou)(tou)資(zi)(zi)成倍增加，需(xu)(xu)做ALARP（AsLowAsRea-sonablyPracticable）經濟分析，用來評估引入(ru)冗余(yu)(yu)配(pei)(pei)置而額外投(tou)(tou)資(zi)(zi)帶來的(de)(de)投(tou)(tou)資(zi)(zi)回報率。
