基于電磁閥使用過程中的若干安全問題研究

劉艷剛，賈永攀

（1.上海河圖工程股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266061；2.定州宇飛電子科技有限公司，河北 定州 071000）

0 引言

安全生產(chǎn)是中國的一項基本國策，是保障勞動者健康、安全和社會生產(chǎn)力進步的基本保證[1-3]，也是保證國家經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，進一步實行改革開放的安全基礎。同時，在油氣開采與煉制、化工、能源、冶金等工業(yè)領域中，越來越具備規(guī)模化、集約化的趨勢，這些行業(yè)往往都具有高溫、高壓、有毒、有害、易燃、易爆，以及需要連續(xù)生產(chǎn)等特點，生產(chǎn)安全尤其重要，一旦發(fā)生事故，將帶來不可估量的負面影響[4-6]。

為了保障電磁閥在過程控制等應用中的安全問題，本文選取了電磁閥應用的幾個角度，從線纜壓降與線纜長度和電磁閥的串并聯(lián)應用等方面，介紹了電磁閥正確使用的相關要點，提出了未來的發(fā)展趨勢，以期為同行提供參考。

1 電磁閥工作狀態(tài)

1.1 電磁閥線纜壓降與距離

目前現(xiàn)場多用24V DC電磁閥居多，閥芯通徑大多為5.7mm～12mm，假設電磁閥線圈選用基本功耗型，額定功率10W，與DCS聯(lián)接的電纜2×1.5mm2，電纜電導率約為12Ω/km，同時設電磁閥最低工作電壓為20V。因為電磁閥的啟動電壓與環(huán)境溫度有關，所以室溫下低于20V也能工作。環(huán)境溫度較高時，應該將溫度因素考慮在內(nèi)，另行計算。因此，設定電磁閥的啟動電壓為20V，壓降為4V。則線纜長度L為

圖1 低功耗直動式NC/NO兼容型電磁閥Fig.1 Low-power, straight-motion NC/NO-compatible solenoid valve

上述計算結果是理想狀態(tài)，如果考慮系統(tǒng)中的其他損耗，保守一點 L約為350 m。否則，供電電源的電壓等級就要提高（48 V DC）或電纜電線的線徑要加粗（采用2.5 mm2電纜，其傳輸距離可達700m左右）或兩者兼用之。過去很多現(xiàn)場采用加大線纜線徑的方式，線徑越大，線纜電阻越小，可使有效傳輸距離變大。

1.2 兩臺電磁閥并聯(lián)應用之一

如圖2所示，正常情況下A、B電磁閥線圈帶電，兩個電磁閥都是1-3口聯(lián)通，2-3口斷開，儀表風通過B電磁閥進入氣動執(zhí)行機構，閥門打開。

當A電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯(lián)通，此時B電磁閥狀態(tài)不變，儀表風依然通過B電磁閥的3口進入氣動執(zhí)行機構，所以閥門狀態(tài)不變。

當B電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯(lián)通，此時A電磁閥狀態(tài)不變，儀表風通過A電磁閥的3口—B電磁閥2口—B電磁閥3口，進入氣動執(zhí)行機構，此時閥門狀態(tài)不變，依然是打開狀態(tài)。

當A、B兩個電磁閥的線圈同時失電，兩只電磁閥都是1-3斷開，2-3聯(lián)通，此時氣動執(zhí)行機構內(nèi)的壓縮空氣通過B電磁閥3口—B電磁閥2口—A電磁閥3口—A電磁閥2口—排空。此時閥門關閉。

圖2 電磁閥并聯(lián)應用示意圖Fig.2 A diagram of the parallel application of solenoid valves

圖3 電磁閥串聯(lián)應用示意圖Fig.3 A diagram of the series application of solenoid valves

氣關式（FO）閥門與上述相反。

實現(xiàn)上述功能，電磁閥需選擇NC/NO雙功能兼容型電磁閥。

1.3 兩臺電磁閥串聯(lián)應用之一

兩臺電磁閥串聯(lián)實現(xiàn)控制氣缸動作：正常工作情況下，A、B電磁閥線圈均帶電，1-3聯(lián)通，切斷閥供氣正常。若為氣開式切斷閥，則閥門打開。

當A電磁閥線圈失電時，1-3斷開，2-3聯(lián)通，此時切斷閥氣源被切斷，同時A電磁閥的3口與B電磁1口聯(lián)接，而B電磁閥的1-3口處于聯(lián)通狀態(tài)，則氣缸通過A電磁閥的2口排氣，閥門關閉。

同理，當B電磁閥線圈失電時，B電磁閥的2-3口聯(lián)通，1-3口斷開，氣缸通過B電磁閥2口排氣，閥門關閉。

當A、B電磁閥同時失電時，則氣缸氣體會通過B電磁閥2口排出，閥門關閉。如果閥門為氣關式（FO），則動作與上述相反。其中：電磁閥線圈失電狀態(tài)，即為聯(lián)鎖狀態(tài)。

1.4 兩臺電磁閥串聯(lián)應用之二

圖4為兩臺電磁閥串聯(lián)控制氣動執(zhí)行機構動作。

正常情況下，即A、B線圈都帶電時，兩個電磁閥都是1-3口通，2-3斷開，切斷閥的氣動執(zhí)行機構沒有壓縮空氣進入，切斷閥處于打開狀態(tài)。

當A電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯(lián)通，因為B電磁閥線圈狀態(tài)是帶電，B電磁閥的1-3口聯(lián)通。所以氣缸開始進氣，切斷閥關閉。

參照韓紅梅研究[1] 結論，對兩組患者臨床效果進行評價：①治愈：不存在過激行為，生活方式同正常人相一致，也為出現(xiàn)打架、傷害他人、自殺等現(xiàn)象；②有效：偶爾產(chǎn)生過激行為，生活基本上恢復正常，偶爾發(fā)生打架、傷害他人、自殺事件；③無效：上述事項并未任何改變。

當B電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯(lián)通，壓縮空氣通過B電磁閥的2口進入氣動執(zhí)行機構，閥門關閉。

當A、B 兩個電磁閥的線圈都失電，則儀表風依然是通過B電磁閥的2口進入氣動執(zhí)行機構，閥門關閉。

對氣開式（FC）切斷閥，動作與上述相反。

其中：電磁閥需要選用NC/NO雙功能型直動式兩位三通電磁閥。

圖4 電磁閥串聯(lián)應用示意圖Fig.4 A diagram of the series application of solenoid valves

1.5 1oo2與2oo2-2oo3的選擇

隨著化工類企業(yè)所導致的事故如火災、爆炸、有毒介質泄漏等逐漸增多，很多公司開始用系統(tǒng)工程的理論和原理來解決安全系統(tǒng)的功能安全問題。希望把技術缺陷和人為錯誤所造成的危險降到最低。從電磁閥角度，提出了冗余化的要求[7-8]。

冗余配置已經(jīng)逐步成為儀表安全系統(tǒng)的重要組成部分，當系統(tǒng)安全作為優(yōu)先考慮時，電磁閥配置應采用1oo2的冗余模式。當需要優(yōu)先考慮可靠性時，2oo3冗余模式是把1oo2和2oo2的優(yōu)勢集合到一起，在保證可靠性的同時，也實現(xiàn)系統(tǒng)的安全性需求。

如果工藝生產(chǎn)過程中需要優(yōu)先考慮可靠性，電磁閥配置應該采用2oo2的冗余模式。即使用同一信號驅動兩臺電磁閥，傳統(tǒng)控制方式中采用兩臺電磁閥并聯(lián)（與邏輯），這樣可保證任一電磁閥線圈故障，閥門不會出現(xiàn)誤動作，系統(tǒng)的可靠性大大增強[9]。

如果工藝生產(chǎn)需要優(yōu)先考慮安全性，電磁閥配置應該采用1oo2的冗余模式，傳統(tǒng)多采用兩臺電磁閥串聯(lián)（或邏輯），即任一電磁閥動作都可以實現(xiàn)閥門動作，保證了工藝生產(chǎn)的安全。

圖5 宇飛電子2oo2冗余閥組Fig.5 Yufei Electronics 2oo2 redundant valve block

圖6 直動式NC/NO兼容型電磁閥Fig.6 Direct NC/NO-compatible solenoid valve

選擇串聯(lián)還是并聯(lián)，基本參照標準還是“聯(lián)鎖狀態(tài)不帶電、執(zhí)行機構排氣”的基本原則，用戶現(xiàn)場和設備廠家可根據(jù)整體安全等級來選擇采用哪種聯(lián)接方式。

2 結論與展望

上述幾種用不銹鋼管把電磁閥串聯(lián)或者并聯(lián)的聯(lián)接方式的弊端近年來表現(xiàn)的越來越多，如泄漏點多、故障點多、安裝占用空間也比較大，維護、維修更換也比較麻煩，也有不能實現(xiàn)在線維護、更換等的不足，給應用過程帶來了不確定性，有時甚至無法實現(xiàn)真正的冗余。

因此，電磁閥冗余將來發(fā)展的趨勢會是模塊化和緊湊化。IMI的HERION已經(jīng)設計出了模塊化的安全冗余電磁閥系統(tǒng)，并整體通過了SIL3認證。EMERSON的新加坡團隊也做了相關產(chǎn)品。緊湊化的集成設計可以使整體外形較小，節(jié)約安裝空間，減少潛在的泄漏點，并能快速拆卸單獨部件，便于維護。國內(nèi)也有公司做了相關研究，如JHJ valve（宇飛電子）。

圖7 宇飛電子2oo2冗余閥組Fig.7 Yufei Electronics 2oo2 redundant valve block

同時，隨著石油化工及海上平臺等對安全生產(chǎn)的進一步需要，開始對冗余電磁閥提出了在線維修、在線故障診斷的要求。圖7是JHJ valve生產(chǎn)的 2oo2閥組，通過壓力表在線顯示故障狀態(tài)。

在化工生產(chǎn)越來越趨于規(guī)?；?、集約化和連續(xù)化的今天，要求減少停車次數(shù)、停車檢修時間等，以保持工藝的連續(xù)無事故運行。在這個大趨勢下，冗余結構的閥塊設計會得到更多的應用，并可能成為對連續(xù)生產(chǎn)有要求的工藝流程的新需求。