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———失電時壓力口關閉、排氣口連到氣缸口，得電時壓力口連到氣缸口而排氣口關閉；常開型———失電時壓力口連到缸口、排氣口關閉，得電時壓力口關閉而氣缸口連到而排氣口；通用型———允許閥連接成常閉或常開位置的其中之一，或由一個口轉換流到另一個口。

    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器和執行機構之間配置電磁閥，用DO信號實現聯鎖控制，電磁閥一般選用單電控型電磁閥，實現控制閥執行機構儀表空氣的供給與排放，實現聯鎖目標； 切斷閥開度僅有全開和全關兩個位置，必須配置電磁閥進行氣路導通和切斷控制，用DO信號使切斷閥在全開和全關兩個狀態切換。控制閥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———調節閥；SH———梭閥

圖1 控制閥單電磁閥常用配置方案

    氣動控制閥根據儀表空氣故障時閥門所處的安全位置分為氣開（FC）和氣關（FO）兩種，選擇氣開還是氣關在設計選型時根據工藝過程安全生產要求決定。控制閥聯鎖由電磁閥實現，石油化工裝置中電磁閥一般按失效安全的原則設計為：正常得電勵磁（圖1a），失電聯鎖方式NE（圖1d） 。同時火氣系統負載設計為： 正常失電（圖1b），得電聯鎖方式NDE（圖1c）。

    根據失效安全原則，圖1a～ d在不同狀態時閥門處于全開、全關或調節狀態，詳見表1。由于調節閥在正常工作時，只有定位器輸出儀表空氣到達膜頭才能實現閥門的精確定位，要求氣路不能切斷，所以圖1c不適于設計為“正常失電、聯鎖得電勵磁”方式，圖1d不適于設計為“正常得電勵磁、失電聯鎖”方式。現以通用型兩位三通電磁閥為例進行說明。

表1 單電磁閥配置控制閥狀態

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    2 控制閥冗余電磁閥配置方案

    安全聯鎖系統有安全失效和危險失效兩種方式。安全失效即當系統產生顯性故障時觸發安全聯鎖系統動作，導致誤停車； 危險失效則指系統存在隱性故障時導致系統在需要時不能產生動作。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故障等都會導致控制閥誤動作聯鎖，即安全失效，需采取容錯措施，為提高可靠性一般采用兩個兩位三通電磁閥冗余配置實現功能熱備。兩個電磁閥冗余適用于SIL1和SIL2安全度等級聯鎖系統，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行機構之間，或者單獨配置電磁閥控制切斷閥，具體配置為： 兩個獨立電磁閥，兩條分開敷設的信號線路，兩個不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號。實現方案有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，不論哪條氣路單獨通氣，都能導通與其膜頭的通路； 當兩路氣路同時通氣時，哪端壓力高膜頭就與該路相通，同時另一端關閉，用“或”邏輯關系實現冗余。

    在冗余雙電磁閥配置方案中，由于失效安全原則設計不同，圖2中所有設計方案在不同狀態時控制閥處于全開、全關或調節狀態，詳見表2。同樣存在圖2c、f 不適于設計為“正常失電、聯鎖得電勵磁”方式，圖2d不適于設計為“正常得電勵磁、失電聯鎖”方式。

表2 冗余雙電磁閥配置控制閥狀態

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    2.1 冗余雙電磁閥配置特點

    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工作在得電狀態時，SV2的氣路3-2導通，1、2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作，SV1的1-2截止，氣路3-2導通，儀表空氣到達SV2的口1截止，在SV2出現故障而翻轉時，儀表空氣經SV1氣路3-2和SV2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經由SV2氣路2-1和SV1氣路2-1放空，控制閥動作。

    b．圖2b、d中，工作狀態時SV1和SV2失電，SV1和SV2氣路1-2導通、3-2截止，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。聯鎖時，SV1 和SV2得電，控制閥膜頭內儀表空氣經由SV2氣路2-3放空，控制閥動作。若SV1故障，儀表空氣經由SV2氣路2-1和SV1氣路2-3放空，控制閥聯鎖動作。

    c．圖2e、f中，SV1和SV2工作在得電狀態時，SV2和SV1的氣路3-2導通，1、2截止，儀表空氣兩端中那一端的壓力高，膜頭就與其相通，另一端關閉，儀表空氣進入膜頭，控制閥動作。當任意電磁閥故障而翻轉時，該電磁閥的1-2導通放氣，另一電磁閥的3-2繼續導通，儀表空氣進入氣室，調節閥繼續工作。實現正常工作冗余。

    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，電磁閥處于得電或失電狀態，以及一個電磁閥回路故障時，儀表空氣流動方向不同，對電磁閥的要求也不相同，具體見表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和并聯兩種，其功能等效于系統并聯，任何一個冗余電磁閥失效都不會影響系統的功能，只有在兩個電磁閥均失效時系統才不能正常工作。冗余電磁閥配置的可靠性數學關系如下：

    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的故障率；

    F1、F2———SV1、SV2的故障率；

    R———冗余電磁閥配置系統的可靠度。

    假設兩個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的故障率為0.01，系統可靠性為0.99，較單個電磁閥的可靠性有明顯提高。

    3 結束語

    過程控制系統的執行終結者———安全聯鎖控制閥的附件，在采用冗余電磁閥配置后，其可靠性顯著提高。實現電磁閥冗余配置需要兩個獨立的電磁閥，兩條分開敷設的信號線路，兩個不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號，冗余配置導致項目投資成倍增加，需做ALARP（AsLowAsRea-sonablyPracticable）經濟分析，用來評估引入冗余配置而額外投資帶來的投資回報率。