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、安全和社會生產力進步的基本保證[1-3]，也是保證國家經濟持續發展，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、冶金等工業領域中，越來越具備規模化、集約化的趨勢，這些行業往往都具有高溫、高壓、有毒、有害、易燃、易爆，以及需要連續生產等特點，生產安全尤其重要，一旦發生事故，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，提出了未來的發展趨勢，以期為同行提供參考。

1 電磁閥工作狀態

1.1 電磁閥線纜壓降與距離

目前現場多用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境溫度有關，所以室溫下低于20V也能工作。環境溫度較高時，應該將溫度因素考慮在內，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，如果考慮系統中的其他損耗，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口聯通，2-3口斷開，儀表風通過B電磁閥進入氣動執行機構，閥門打開。

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

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

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聯通，此時氣動執行機構內的壓縮空氣通過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 電磁閥并聯應用示意圖Fig.2 A diagram of the parallel application of solenoid valves

圖3 電磁閥串聯應用示意圖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 兩臺電磁閥串聯應用之一

兩臺電磁閥串聯實現控制氣缸動作：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口聯接，而B電磁閥的1-3口處于聯通狀態，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，即為聯鎖狀態。

1.4 兩臺電磁閥串聯應用之二

圖4為兩臺電磁閥串聯控制氣動執行機構動作。

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，切斷閥的氣動執行機構沒有壓縮空氣進入，切斷閥處于打開狀態。

當A電磁閥線圈失電，1-3口斷開，2-3口聯通，因為B電磁閥線圈狀態是帶電，B電磁閥的1-3口聯通。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，也為出現打架、傷害他人、自殺等現象；②有效：偶爾產生過激行為，生活基本上恢復正常，偶爾發生打架、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口聯通，壓縮空氣通過B電磁閥的2口進入氣動執行機構，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工程的理論和原理來解決安全系統的功能安全問題。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]。

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

如果工藝生產過程中需要優先考慮可靠性，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，傳統控制方式中采用兩臺電磁閥并聯（與邏輯），這樣可保證任一電磁閥線圈故障，閥門不會出現誤動作，系統的可靠性大大增強[9]。

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

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

選擇串聯還是并聯，基本參照標準還是“聯鎖狀態不帶電、執行機構排氣”的基本原則，用戶現場和設備廠家可根據整體安全等級來選擇采用哪種聯接方式。

2 結論與展望

上述幾種用不銹鋼管把電磁閥串聯或者并聯的聯接方式的弊端近年來表現的越來越多，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，有時甚至無法實現真正的冗余。

因此，電磁閥冗余將來發展的趨勢會是模塊化和緊湊化。IMI的HERION已經設計出了模塊化的安全冗余電磁閥系統，并整體通過了SIL3認證。EMERSON的新加坡團隊也做了相關產品。緊湊化的集成設計可以使整體外形較小，節約安裝空間，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生產的 2oo2閥組，通過壓力表在線顯示故障狀態。

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