在線檢測電磁閥控制回路方法探究與應用

朱志星,高明,胡林紅,黃松源,向陽

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

電磁閥在石油化工行業應用廣泛,對于應急關斷系統的電磁閥,其安全可靠性直接影響系統是否正常運行。近年來由電磁閥故障引起的生產關停事件時有發生,而電磁閥的誤動作存在不確定性,傳統的維保方法不能及時發現問題,因此,有必要監測關鍵系統電磁閥控制回路狀態,特別是線圈的老化現象,在其出現異常之前及時干預,避免造成重大經濟損失事件。

1 電磁閥控制回路故障分析

電磁閥控制回路故障主要包括: 電纜破損、接線松動、腐蝕、進水、線圈老化、通道故障等原因。由于電纜破損、接線松動、腐蝕、進水等原因都可以通過外觀檢查發現,而通道故障屬于系統內部故障,不可預估。線圈老化無法通過外觀檢查,只能通過檢測發現,因此可以從線圈老化入手,提前進行干預。

電磁閥由電磁線圈、閥芯、閥座組成。當線圈通電或斷電時,閥芯的運動將導致流體通過閥體或被切斷,以達到改變流體方向的目的。電磁閥內部結構如圖1所示。

圖1 電磁閥內部結構示意

根據電磁閥線圈的結構及工作環境,導致線圈老化的主要因素有: 高溫環境、長時間勵磁、電涌沖擊、振動疲勞[2]。線圈老化會導致線圈漆包線的直流電阻呈現趨勢性變化。

2 傳統維保方法

目前,對于電磁閥現場維保的方法有兩種:

1)周期性維保。根據現場設備的重要性,制定對電磁閥的檢查周期,主要以半年檢或者年檢為主。檢查內容主要是對電磁閥進行功能性測試,同時檢查電磁閥接線、電纜狀態以及電磁閥線圈阻值等。但該方法需要對電磁閥進行隔離斷電,如果無法隔離或隔離后容易對生產造成影響的,則需要在停產檢修期間對其進行維保。

2)定期更換。考慮到現場電磁閥老化因素,對于關鍵系統設備的電磁閥進行定期更換,為了避免誤動作,采用保守維保,利用停產檢修機會統一更換。但是該方案費用高、不能精準判斷故障,更換新的電磁閥也會由于質量原因導致誤動作。

對于故障安全型電磁閥控制回路,隨著服役時間的增加,電磁閥線圈將出現老化降質,并且電磁閥質量存在不同的差異。因此,不管是周期性維保或者是定期更換,都存在電磁閥誤動作造成生產關停的風險。

3 在線檢測方法

3.1 創新思路

由于檢測電磁閥控制回路電阻必須要斷開回路進行測量,因此可以轉換思路,通過測量回路電流反算出回路電阻值,與理論數據比對,則可判斷回路狀態,在線檢測電磁閥控制回路流程如圖2所示。

圖2 在線檢測電磁閥控制回路流程示意

3.2 理論分析

根據歐姆定律,在同一電路中,通過某段導體的電流跟該段導體兩端的電壓成正比,跟該段導體的電阻成反比。因此通過測量回路的電流可以算出線圈的阻值。

以某電磁閥控制回路為例,直流電壓為恒定24 V,電磁閥線圈正常值為200 Ω。計算該電磁閥控制回路理論電流值,如式(1)所示:

I=U/R=24/200=0.120(A)

(1)

如果測量回路電流值約0.120 A,則可判斷回路狀態正常,線圈阻值正常。

3.3 檢測電流方法

3.3.1固定式檢測方法

使用電流互感器,檢測的信號通過轉換顯示,精度較低,一般用于工業生產、系統運行中,較笨重,成本較高,環境對其影響較小。由于生產流程中電磁閥數量很多,每個回路安裝互感器費用昂貴,因此行業內應用少。

3.3.2移動式檢測方法

使用直流鉗流表,直接測量回路中任意一根電線,則可以算出回路阻值,從而判斷回路狀態。直流鉗流表由鉗頭、霍爾傳感器、數據處理電路、顯示模塊組成。鉗流表工作時,當電流I流過1根長導線,在導線周圍將產生磁場,該磁場的大小與流過導線的電流成正比,產生的磁場聚集在磁環內,通過磁環間隙中霍爾傳感器進行測量放大后顯示數值,鉗流表測量原理如圖3所示。

圖3 鉗流表測量原理示意

從鉗流表的測量原理可知,精度高及鉗頭小的鉗流表可以完成回路在線檢測,具有費用低,簡單快捷的特點,但不宜在機柜接線排布密集的場合使用。

4 實驗測試

為了證實鉗流表的應用可靠性,專門搭建了實驗回路測試裝置,分別使用萬用表,普通鉗流表,小電流鉗流表進行測量。萬用表直接串聯到回路中,測量數值作為標準值;鉗流表是間接測量回路電流值,通過與標準值進行比對判斷鉗流表測量值的可靠性。

4.1 搭建測試回路

用直流24 V開關電源作為恒壓源供電,電磁閥及電阻箱作為負載搭建簡單的回路,萬用表串聯到回路中測量實際電流,鉗流表測量回路中任意一根電線。

4.2 不同鉗流表實測數據

通過使用萬用表、普通鉗流表和小電流鉗流表測量電磁閥控制回路,得到如圖4所示的電流測試曲線。

圖4 3種電流測量表測試曲線示意

由圖4可以看出,小電流鉗流表數值曲線平穩,與萬用表數值曲線接近,而普通鉗流表數值曲線波動大,并且精度低,不推薦使用。因此,選擇精度高的小電流鉗流表能夠測量電磁閥控制回路實際電流值。

5 現場應用

5.1 應用現狀及改進

雖然在實際應用中,可以直接測量電磁閥控制回路中的2根導線,但該方法適用于布線不密集的情況,2根導線一起測量相當于將測量數據放大了2倍,因此實際回路電流值為測量值的50%。

在I/O設備間機柜內進行電磁閥控制回路實際測量時,由于機柜接線端布線緊密,無法直接使用鉗流表測量,因此需要將線槽拆開后,才有空間進行測量。為了便于檢測,將其中1根回路線抽出做測量口,方便檢測。

5.2 優化維保

可根據生產運行實際情況,制定排查計劃,優化維保策略。對關鍵的電磁閥控制回路巡檢測量,并記錄參數,發現異常及時處理,降低電磁閥誤動作風險概率。

5.3 故障判斷

從圖4可以看出,電阻在200～400 Ω時,電流有明顯變化,降低約50%。考慮到電磁閥溫升引起的阻值變化,以及小電流鉗流表也會存在一定的誤差等因素,自定義一個故障判斷點。判斷規則為檢測電流與回路理論電流值誤差超過25%時,或者每次檢測數據都有趨勢性變化,或者檢測數據波動大,且不穩定等情況,則判斷回路阻值有變化,需要排查回路。

從現場測量記錄中選取3個有代表性的電磁閥控制回路測量電流數據,生成電磁閥控制回路電流趨勢如圖5所示。回路1曲線比較平穩,接近正常值,判斷回路狀態正常;回路2曲線回路電流不斷變小,可以判斷為電阻不斷在增加,超過報警值則需要進行回路排查;回路3曲線在9月份之前都處于正常狀態,突然回路電流變化很大,很有可能為回路有松動、損壞、進水等原因,需要排查回路。

圖5 電磁閥控制回路電流趨勢示意

5.4 應用效果

通過實驗測試裝置,比對3種在線檢測電磁閥回路電流的方法,效果如下:

1)經濟效益高。與傳統方式相比較,使用直流鉗流表測量電磁閥控制回路工作效率提高約98%。完成1個電磁閥控制回路排查,在傳統的測量方法中,需要隔離相關設備,然后才能對電磁閥線路脫開。檢查1個回路傳統方式需要2個人約30 min,而使用鉗流表測量,測量1個回路則需要1個人1 min。

2)有創新性。為長期不能開關動作的電磁閥提供一種有效的監控手段,改變傳統停產/斷電直接測電阻的方式,應用鉗流表移動式在線檢測提供了不需要停產/斷電就可以進行在線排查的方法,避免電磁閥誤動作的同時,提高了裝置的運行效率。

3)推廣性強。該方法原理簡單、可操作性好,可以推廣到其他設施及裝置。

6 結束語

經過理論分析及實驗測試,萬用表傳統方法檢測電磁閥回路需要斷開回路,不適用于長期處于運轉狀態的設備;而固定式在線監測系統,費用高,應用少;鉗流表移動式在線檢測方法更合適廣泛應用。基于霍爾傳感器在線檢測電磁閥回路方法簡單快捷,利用現有市場成熟產品,通過改造接線端布線方式,可隨時巡檢回路,及時發現并處理問題。為不具備在線檢修條件電磁閥提供一種有效的監控手段,不需要停產就可以進行在線排查,具有極強的推廣性。