電磁閥的原理及其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

王敏

（遼中縣遼河化工廠，遼寧遼中110200）

1 引言

電磁閥在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，在石油化學(xué)工業(yè)中尤為普遍。它既可用于水、空氣和中性氣體以及其它與電磁閥材質(zhì)相適宜的氣體、液體的開關(guān)控制（二通），又可作為安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)中不可缺少的一部分（三通、四通、五通）。

電磁閥由電磁部件、閥體組成。電磁部件由固定鐵芯、動(dòng)鐵芯、線圈等部件組成；閥體部分由滑閥芯、滑閥套、彈簧底座等組成。當(dāng)線圈通電或斷電時(shí)，磁芯的運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致流體通過閥體或被切斷，以達(dá)到開關(guān)或改變流體方向的目的。在安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用的電磁閥主要有二位三通、二位四通和二位五通，二位的含義為：對于電磁閥來說是帶電或失電，對于所控制的閥來說就是打開或關(guān)閉。

二位三通電磁閥由閥體、閥罩、電磁組件、彈簧及密封結(jié)構(gòu)等部件組成，動(dòng)鐵芯底部的密封塊借助彈簧的壓力將閥體進(jìn)氣口關(guān)閉。得電時(shí)，線圈勵(lì)磁，電磁鐵吸合，動(dòng)鐵芯上部帶彈簧的密封塊把排氣口關(guān)閉，氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入閥門，起到控制作用；失電時(shí)，電磁力消失，動(dòng)鐵芯在彈簧力作用下離開固定鐵芯向下移動(dòng)，將排氣口打開，堵住進(jìn)氣口，閥門因失氣而改變開關(guān)狀態(tài)。

二位四通和五通電磁閥的原理相同，只是四通有1個(gè)排氣口，五通有2個(gè)排氣口。它們的工作原理：當(dāng)有電流通過線圈時(shí)，產(chǎn)生勵(lì)磁作用，固定鐵芯吸合動(dòng)鐵芯，動(dòng)鐵芯帶動(dòng)滑閥芯并壓縮彈簧，改變了滑閥芯的位置，從而改變了流體的方向；當(dāng)線圈失電時(shí)，依靠彈簧的彈力推動(dòng)滑閥芯，頂回動(dòng)鐵芯，使流體按原來的方向流動(dòng)。

下面結(jié)合藍(lán)星100kt/a有機(jī)硅單體工程的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，介紹電磁閥在該項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2 電磁閥的功耗及允許傳輸距離

在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，電磁閥有兩種供電形式：220VAC或24VDC。如果選用220VAC供電形式，因?yàn)楣╇婋妷焊?，傳輸電纜造成的電壓降不會(huì)影響到電磁閥能否正常工作，不必考慮電纜電阻損失的電壓，所以可以遠(yuǎn)距離傳輸。如果電磁閥的供電電壓為24VDC，就必須根據(jù)電磁閥的最低工作電壓來進(jìn)行電纜的最大允許長度計(jì)算。

如果24VDC供電電磁閥的最小工作電壓為20V，那么線路上的最大允許壓降為4V。假設(shè)所選電磁閥的額定功率為12W，采用二芯2.5mm2的聚氯乙烯絕緣護(hù)套控制電纜，從電纜樣本可以查到電纜的最大直流電阻為7.41Ω/km，由此可以計(jì)算出電纜的最大允許長度如下：

（1）電磁閥的工作電流

式中：I為電磁閥工作電流，A；

P為電磁閥額定功率，W；

V為電磁閥工作電壓，V。

（2）允許電纜長度的計(jì)算

式中：R為電纜電阻，Ω；

Ll為電纜單芯距離，km；

L2為電纜雙芯距離，m。

綜上所述，對于大功率且供電電壓為24VDC的電磁閥，為了保證電磁閥在不低于正常工作電壓（假設(shè)為20VDC）的條件下動(dòng)作，可以通過選用較粗線徑電纜（2.5mm2）來降低線路上的壓降，這樣信號(hào)允許的傳輸距離可以到達(dá)約500m。

3 電磁閥的聯(lián)鎖控制

為了避免因電源故障而導(dǎo)致電磁閥在聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)動(dòng)作失敗，通常電磁閥都為常閉型（NC），即正常時(shí)帶電，聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)失電：另外還有一種為通用型（可以連成常閉或常開的任意一種）。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工藝過程的安全保護(hù)需要，確定哪種形式能夠滿足最安全的條件選用NC（常閉）或通用。下面以該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中電磁閥的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行說明。

3.1 電磁閥在氣動(dòng)切斷閥參與聯(lián)鎖時(shí)的應(yīng)用

圖1應(yīng)用在單作用氣開式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉及單作用氣關(guān)式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)打開的場合。聯(lián)鎖過程：正常狀態(tài)下，電磁閥得電，進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1、3接通，切斷閥正常供氣，氣開式切斷閥打開，氣關(guān)式切斷閥則為關(guān)閉；聯(lián)鎖狀態(tài)下，電磁閥失電，進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2，3接通，切斷閥供氣中斷，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧復(fù)位，氣開式切斷閥關(guān)閉，氣關(guān)式切斷閥則為打開。

圖1二位三通常閉型電磁閥的應(yīng)用

圖2應(yīng)用在單作用氣開式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)打開及單作用氣關(guān)式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉的場合。聯(lián)鎖過程：正常狀態(tài)下，電磁閥得電，進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，切斷閥不被供氣，氣開式切斷閥關(guān)閉，氣關(guān)式切斷閥則為打開；聯(lián)鎖狀態(tài)下，電磁閥失電，電磁閥進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1、3接通，切斷閥供氣，氣開式切斷閥打開，氣關(guān)式切斷閥則為關(guān)閉。

圖2 二位三通通用型電磁閥的應(yīng)用

由于通用型可以連成常開或常閉的任意一種，而且價(jià)格差別不大，所以為了方便起見，可以將上述兩種應(yīng)用中的電磁閥均選為通用型。

如圖3所示為二位五通單線圈電磁閥應(yīng)用在切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙作用氣缸式的場合。

圖3 二位五能單線電磁閥的應(yīng)用

如果聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)需要關(guān)閉切斷閥，則在正常操作時(shí)儀表空氣走向?yàn)?-4，切斷閥B氣缸進(jìn)氣，A氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥2m3端口放空；當(dāng)聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，儀表空氣走向?yàn)?-2，切斷閥A氣缸進(jìn)氣，B氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥4-5端口放空，切斷閥達(dá)到關(guān)閉的目的。

如果聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)需要打開切斷閥，則在正常操作時(shí)儀表空氣走向?yàn)?-2，切斷閥A氣缸進(jìn)氣，B氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥4-5端口放空；聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，儀表空氣走向?yàn)?-4，切斷閥B氣缸進(jìn)氣，A氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥2-3端口放空，切斷閥達(dá)到打開的目的。

如圖4所示為二位五通雙線圈電磁閥應(yīng)用在切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙作用氣缸式的場合。

通常可以根據(jù)聯(lián)鎖要求通過切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)A、B氣缸的進(jìn)氣、排氣達(dá)到閥門的通斷，但是在一些工藝要求電源故障保持閥位EFL（Electrical Failure Last）的場合，可以選用雙線圈電磁閥來實(shí)現(xiàn)在電源故障情況下閥位的保持。此類電磁閥磁芯的運(yùn)轉(zhuǎn)所導(dǎo)致閥門的通斷分別由兩個(gè)線圈來完成，故稱為雙線圈。

圖4 二位五通雙線圈電磁閥的應(yīng)用

如圖4所示，當(dāng)電磁閥線圈S1接收聯(lián)鎖信號(hào)1時(shí)儀表空氣走向?yàn)?-4，切斷閥B氣缸進(jìn)氣，A、B氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥2-3端口放空，切斷閥達(dá)到打開的目的，如果此時(shí)發(fā)生電源故障，只要電磁閥線圈S2未收到聯(lián)鎖信號(hào)2，切斷閥依然保持打開位置，直到S2接收到聯(lián)鎖信號(hào)2時(shí)，儀表空氣走向?yàn)?-2，切斷閥A氣缸進(jìn)氣，B氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥4-5端口放空，切斷閥達(dá)到關(guān)閉的目的。

總而言之，雙線圈電磁閥可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)電源故障時(shí)切斷閥不會(huì)因?yàn)槭щ姸鴦?dòng)作，仍然保持在電源故障前的位置，在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，單線圈或雙線圈電磁閥的選用必須根據(jù)工藝流程的需要，滿足聯(lián)鎖要求。

3.2 電磁閥在控制閥參與聯(lián)鎖時(shí)的應(yīng)用

圖5中2臺(tái)電磁閥分別接收同一個(gè)工藝參數(shù)（壓力）的不同值（高和低）引起的聯(lián)鎖信號(hào)。控制閥在正常狀態(tài)下為打開狀態(tài)，電磁閥S1、S2都處于得電狀態(tài)，電磁閥S1進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，電磁閥S2進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1、3接通，控制閥不被供氣，氣關(guān)式控制閥打開；當(dāng)電磁閥S1接收到聯(lián)鎖信號(hào)1（壓力低聯(lián)鎖）時(shí)，電磁閥S1失電，此時(shí)由于聯(lián)鎖信號(hào)2（壓力高聯(lián)鎖）不發(fā)生，電磁閥S2仍處于得電狀態(tài)，電磁閥S2的進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1、3接通，電磁閥S2仍然為進(jìn)氣口1打開，旁通口2關(guān)閉，氣路1，3接通，即電磁閥S1、S2的1-3均為通路，控制閥由電氣閥門定位器調(diào)節(jié)；當(dāng)電磁閥S2接收到聯(lián)鎖信號(hào)2（壓力高聯(lián)鎖）時(shí)，電磁閥S2失電，此時(shí)由于聯(lián)鎖信號(hào)1（壓力低聯(lián)鎖）不發(fā)生，電磁閥S1處于得電狀態(tài)，電磁閥S1的進(jìn)氣VI 1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，電磁閥S2的進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，氣關(guān)式控制閥關(guān)閉。

圖5 雙電磁閥的應(yīng)用

4 電磁閥應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

在應(yīng)用電磁閥的過程中，電磁閥的故障將直接影響到切斷閥或控制閥的動(dòng)作，常見的故障為電磁閥發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象，遇到此類問題時(shí)，應(yīng)從以下幾方面排查。

①電磁閥接線頭松動(dòng)或線頭脫落，電磁閥不得電，應(yīng)緊固線頭。

②電磁閥線圈燒壞，可拆下電磁閥的接線，用萬用表測量，如果開路，則電磁閥燒壞；可能因線圈受潮引起絕緣不好而漏磁，造成線圈內(nèi)電流過大而燒毀，因此要防止雨水進(jìn)入電磁閥。此外，彈簧過硬、反作用力過大、線圈匝數(shù)太少、吸力不夠也可使得線圈燒毀。

③電磁閥卡住。電磁閥的滑閥套與閥芯的配合間隙很小（小于8μm），一般都是單件裝配，當(dāng)有機(jī)械雜質(zhì)帶人或潤滑油太少時(shí)，很容易卡住?？捎娩摻z從頭部小孔插入，使其彈回。根本的解決方法是將電磁閥拆下，取出閥芯及閥芯套進(jìn)行清洗，使得閥芯在閥套內(nèi)動(dòng)作靈活。

此外在選用電磁閥時(shí)還應(yīng)考慮溫度、壓力、防爆區(qū)域劃分等。

總之在設(shè)計(jì)選用電磁閥時(shí)一方面應(yīng)根據(jù)工藝的實(shí)際聯(lián)鎖保護(hù)需要，另一方面還需從電磁閥的可靠性及經(jīng)濟(jì)性考慮。經(jīng)濟(jì)性必須建立在安全、適用、可靠的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)性不單是考慮產(chǎn)品的售價(jià)，更要優(yōu)先考慮其功能和質(zhì)量以及安裝維修等費(fèi)用，是產(chǎn)品的性能價(jià)格比。