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(xiàng)基本國策，是保障勞動(dòng)者健康、安全和社會(huì)生產(chǎn)力進(jìn)步的基本保證[1-3]，也是保證國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步實(shí)行改革開放的安全基礎(chǔ)。同時(shí)，在油氣開采與煉制、化工、能源、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中，越來越具備規(guī)?；?、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(diǎn)，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(fù)面影響[4-6]。

為了保障電磁閥在過程控制等應(yīng)用中的安全問題，本文選取了電磁閥應(yīng)用的幾個(gè)角度，從線纜壓降與線纜長度和電磁閥的串并聯(lián)應(yīng)用等方面，介紹了電磁閥正確使用的相關(guān)要點(diǎn)，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(shè)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(dǎo)率約為12Ω/km，同時(shí)設(shè)電磁閥最低工作電壓為20V。因?yàn)殡姶砰y的啟動(dòng)電壓與環(huán)境溫度有關(guān)，所以室溫下低于20V也能工作。環(huán)境溫度較高時(shí)，應(yīng)該將溫度因素考慮在內(nèi)，另行計(jì)算。因此，設(shè)定電磁閥的啟動(dòng)電壓為20V，壓降為4V。則線纜長度L為

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

上述計(jì)算結(jié)果是理想狀態(tài)，如果考慮系統(tǒng)中的其他損耗，保守一點(diǎn) L約為350 m。否則，供電電源的電壓等級(jí)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(dá)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(tái)電磁閥并聯(lián)應(yīng)用之一

如圖2所示，正常情況下A、B電磁閥線圈帶電，兩個(gè)電磁閥都是1-3口聯(lián)通，2-3口斷開，儀表風(fēng)通過B電磁閥進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門打開。

當(dāng)A電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯(lián)通，此時(shí)B電磁閥狀態(tài)不變，儀表風(fēng)依然通過B電磁閥的3口進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以閥門狀態(tài)不變。

當(dāng)B電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯(lián)通，此時(shí)A電磁閥狀態(tài)不變，儀表風(fēng)通過A電磁閥的3口—B電磁閥2口—B電磁閥3口，進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此時(shí)閥門狀態(tài)不變，依然是打開狀態(tài)。

當(dāng)A、B兩個(gè)電磁閥的線圈同時(shí)失電，兩只電磁閥都是1-3斷開，2-3聯(lián)通，此時(shí)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shí)閥門關(guān)閉。

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

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

氣關(guān)式（FO）閥門與上述相反。

實(shí)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(tái)電磁閥串聯(lián)應(yīng)用之一

兩臺(tái)電磁閥串聯(lián)實(shí)現(xiàn)控制氣缸動(dòng)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(dāng)A電磁閥線圈失電時(shí)，1-3斷開，2-3聯(lián)通，此時(shí)切斷閥氣源被切斷，同時(shí)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(guān)閉。

同理，當(dāng)B電磁閥線圈失電時(shí)，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(guān)閉。

當(dāng)A、B電磁閥同時(shí)失電時(shí)，則氣缸氣體會(huì)通過B電磁閥2口排出，閥門關(guān)閉。如果閥門為氣關(guān)式（FO），則動(dòng)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(tái)電磁閥串聯(lián)應(yīng)用之二

圖4為兩臺(tái)電磁閥串聯(lián)控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

正常情況下，即A、B線圈都帶電時(shí)，兩個(gè)電磁閥都是1-3口通，2-3斷開，切斷閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有壓縮空氣進(jìn)入，切斷閥處于打開狀態(tài)。

當(dāng)A電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯(lián)通，因?yàn)锽電磁閥線圈狀態(tài)是帶電，B電磁閥的1-3口聯(lián)通。所以氣缸開始進(jìn)氣，切斷閥關(guān)閉。

參照韓紅梅研究[1] 結(jié)論，對(duì)兩組患者臨床效果進(jìn)行評(píng)價(jià)：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(fù)正常，偶爾發(fā)生打架、傷害他人、自殺事件；③無效：上述事項(xiàng)并未任何改變。

當(dāng)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(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門關(guān)閉。

當(dāng)A、B 兩個(gè)電磁閥的線圈都失電，則儀表風(fēng)依然是通過B電磁閥的2口進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門關(guān)閉。

對(duì)氣開式（FC）切斷閥，動(dòng)作與上述相反。

其中：電磁閥需要選用NC/NO雙功能型直動(dòng)式兩位三通電磁閥。

圖4 電磁閥串聯(lián)應(yīng)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(dǎo)致的事故如火災(zāi)、爆炸、有毒介質(zhì)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(shù)缺陷和人為錯(cuò)誤所造成的危險(xiǎn)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(dāng)系統(tǒng)安全作為優(yōu)先考慮時(shí)，電磁閥配置應(yīng)采用1oo2的冗余模式。當(dāng)需要優(yōu)先考慮可靠性時(shí)，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(shí)，也實(shí)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(yīng)該采用2oo2的冗余模式。即使用同一信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電磁閥，傳統(tǒng)控制方式中采用兩臺(tái)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(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)[9]。

如果工藝生產(chǎn)需要優(yōu)先考慮安全性，電磁閥配置應(yīng)該采用1oo2的冗余模式，傳統(tǒng)多采用兩臺(tái)電磁閥串聯(lián)（或邏輯），即任一電磁閥動(dòng)作都可以實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)還是“聯(lián)鎖狀態(tài)不帶電、執(zhí)行機(jī)構(gòu)排氣”的基本原則，用戶現(xiàn)場和設(shè)備廠家可根據(jù)整體安全等級(jí)來選擇采用哪種聯(lián)接方式。

2 結(jié)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(diǎn)多、故障點(diǎn)多、安裝占用空間也比較大，維護(hù)、維修更換也比較麻煩，也有不能實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)、更換等的不足，給應(yīng)用過程帶來了不確定性，有時(shí)甚至無法實(shí)現(xiàn)真正的冗余。

因此，電磁閥冗余將來發(fā)展的趨勢會(huì)是模塊化和緊湊化。IMI的HERION已經(jīng)設(shè)計(jì)出了模塊化的安全冗余電磁閥系統(tǒng)，并整體通過了SIL3認(rèn)證。EMERSON的新加坡團(tuán)隊(duì)也做了相關(guān)產(chǎn)品。緊湊化的集成設(shè)計(jì)可以使整體外形較小，節(jié)約安裝空間，減少潛在的泄漏點(diǎn)，并能快速拆卸單獨(dú)部件，便于維護(hù)。國內(nèi)也有公司做了相關(guān)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(shí)，隨著石油化工及海上平臺(tái)等對(duì)安全生產(chǎn)的進(jìn)一步需要，開始對(duì)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)?；⒓s化和連續(xù)化的今天，要求減少停車次數(shù)、停車檢修時(shí)間等，以保持工藝的連續(xù)無事故運(yùn)行。在這個(gè)大趨勢下，冗余結(jié)構(gòu)的閥塊設(shè)計(jì)會(huì)得到更多的應(yīng)用，并可能成為對(duì)連續(xù)生產(chǎn)有要求的工藝流程的新需求。