基于冗余配置的双电磁阀回路设计与研究
2020-06-03沈雪东
沈雪东
（1.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，杭州 310000；2.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310000）
0 引言
目前，工业自动化已经得到高速的发展，特别是近几年随着智能制造的提出，在自动控制领域担当重要角色的自动化仪器及自动化设备正朝着数字化、智能化、集成化的方向不断发展。
图1 ESD阀电磁阀气路原理图Fig.1 ESD Valve solenoid valve circuit diagram
图2 双电磁阀回路原理图Fig.2 Schematic diagram of double solenoid valve circuit
图3 双电磁阀回路开阀动作原理图Fig.3 Double solenoid valve circuit opening operation principle diagram
两位三通单控电磁阀在工业控制领域有着广泛的应用，然而两位三通单控电磁阀不具有失电保位功能，在一些重要的工业控制领域，尤其是电力、石油、天然气等行业，电磁阀的误动作都将引起某个设备乃至整个系统停车事件的发生。双电磁阀回路设计基于此问题，提出了一种双电磁阀冗余设计的控制装置，提高了设备运行的可靠性。
1 现存问题分析
某调压站ESD 阀（ESD 是紧急切断阀）要求在紧急情况下迅速关闭，所以必须选择单缸进气的气缸，而电磁阀的单控还是双控的选择取决于阀门气缸是单缸进气，还是双缸进气，因此ESD 阀现场采用的是两位三通单控电磁阀，ESD 阀电磁阀气路原理图如图1 所示。
两位三通单控电磁阀[1]，进气开阀，关闭时靠弹簧可以满足迅速关闭阀门的要求，与之对应的双控电磁阀虽然具有保位功能，但是不能满足迅速关闭阀门的要求。两位三通单控电磁阀不具备线圈失电保位功能，当电磁阀线圈故障时，会导致阀门误动关阀，最终导致机组停机。
2 双电磁阀回路设计与动作分析
2.1 双电磁阀回路设计
双电磁阀回路由两个两位三通单控电磁阀、连接接头及连接管路等组成、实现双电磁阀冗余[2]设计的控制装置，其特征在于所述控制装置中电磁阀A 和电磁阀B 的输入气源1 端口共用一路仪用气源，电磁阀A 的控制气输出端口2 连着电磁阀B 的排气端口3，电磁阀A 的排气端口3 排大气，电磁阀B 的控制气输出端口2 作为整个控制装置的控制气输出端口，双电磁阀回路原理图如图2 所示。
所述的双电磁阀冗余设计的控制装置，其特征在于电磁阀A 的控制气输出端口连着电磁阀B 的排气端口，实现两电磁阀冗余控制。两个电磁阀中任意一个电磁阀得电或者两个电磁阀都得电该控制装置控制气输出有气，只有当两个电磁阀同时失电时才会导致该控制装置控制气输出失气。
2.2 双电磁阀回路动作分析
当双电磁回路中的电磁阀A 和电磁阀B 两个电磁阀都得电，该控制装置控制气输出有气，处于开阀动作状态。双电磁阀回路开阀动作原理图如图3 所示。
当双电磁回路中的电磁阀A 和电磁阀B 两个电磁阀都失电，该控制装置控制气输出失气，处于关阀动作状态。双电磁阀回路关阀动作原理图如图4 所示。
3 双电磁阀冗余配置后误动与拒动分析
3.1 误动分析
图4 双电磁阀回路关阀动作原理图Fig.4 Double solenoid valve circuit closing action principle
图5 双电磁阀冗余配置后单个电磁阀故障失电动作原理图Fig.5 Schematic diagram of single solenoid valve failure and power failure after dual solenoid valve redundancy configuration
图6 电磁阀拒动原因及所占百分比例示意图Fig.6 Example of reasons and percentage of solenoid valve refusal
当双电磁回路中的电磁阀A 和电磁阀B 两个电磁阀都得电，该控制装置控制气输出有气，处于开阀动作状态；当双电磁回路中的电磁阀A 和电磁阀B 两个电磁阀都失电，该控制装置控制气输出失气，处于关阀动作状态。所以误动的情况只可能发生在阀门处于开阀动作状态时。当双电磁回路中的电磁阀A 和电磁阀B 两个电磁阀中任意一个电磁阀故障失电时，由于电磁阀A 的控制气输出端口连着电磁阀B 的排气端口，控制气输出有气，仍然处于开阀动作状态，可以成功地防止单个电磁阀故障导致阀门误动的出现。双电磁阀冗余配置后单个电磁阀故障失电动作原理图如图5 所示。
3.2 拒动分析
双电磁阀冗余配置后，拒动情况在阀门开阀状态和关阀状态时都有可能发生。查找双电磁阀回路设计中采用的两位三通单控电磁阀的相关统计数据，电磁阀拒动原因及所占百分比例如图6 所示。
电磁阀拒动原因中占比最高的为异物失效[3]（22%）：为来自外部无关的物质（主要是灰尘）进入到电磁阀阀芯内部，出现阀芯卡涩或密封不严现象，影响电磁阀正常动作；除此之外还有，密封失效[4]（15%）：电磁阀内部弹性橡胶垫圈老化变硬或者腐蚀分解；工作压差超标（13%）：电磁阀在系统上使用时，不满足厂家要求的最大（小）介质进出口的压差设计要求；电气失效[5]（9%）：电磁阀线圈绝缘降级、物理损坏导致的短路现象和焊接头、接线端子不牢固导致的开路现象等。
4 结语
双电磁阀冗余设计配置后，理论上来说，双电磁阀回路设计在防误动方面的可靠性提高了一倍，同时双电磁阀回路设计发生拒动的可能性也相应地增加了。然而，通过对双电磁阀回路设计发生误动和拒动的原因分析，结合自身使用场景，从中取长补短，可以在防拒动和防误动这对矛盾体中寻找新的平衡点。
