基于冗余配置的雙電磁閥回路設計與研究

沈雪東

（1.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，杭州 310000；2.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310000）

0 引言

目前，工業自動化已經得到高速的發展，特別是近幾年隨著智能制造的提出，在自動控制領域擔當重要角色的自動化儀器及自動化設備正朝著數字化、智能化、集成化的方向不斷發展。

圖1 ESD閥電磁閥氣路原理圖Fig.1 ESD Valve solenoid valve circuit diagram

圖2 雙電磁閥回路原理圖Fig.2 Schematic diagram of double solenoid valve circuit

圖3 雙電磁閥回路開閥動作原理圖Fig.3 Double solenoid valve circuit opening operation principle diagram

兩位三通單控電磁閥在工業控制領域有著廣泛的應用，然而兩位三通單控電磁閥不具有失電保位功能，在一些重要的工業控制領域，尤其是電力、石油、天然氣等行業，電磁閥的誤動作都將引起某個設備乃至整個系統停車事件的發生。雙電磁閥回路設計基于此問題，提出了一種雙電磁閥冗余設計的控制裝置，提高了設備運行的可靠性。

1 現存問題分析

某調壓站ESD 閥（ESD 是緊急切斷閥）要求在緊急情況下迅速關閉，所以必須選擇單缸進氣的氣缸，而電磁閥的單控還是雙控的選擇取決于閥門氣缸是單缸進氣，還是雙缸進氣，因此ESD 閥現場采用的是兩位三通單控電磁閥，ESD 閥電磁閥氣路原理圖如圖1 所示。

兩位三通單控電磁閥[1]，進氣開閥，關閉時靠彈簧可以滿足迅速關閉閥門的要求，與之對應的雙控電磁閥雖然具有保位功能，但是不能滿足迅速關閉閥門的要求。兩位三通單控電磁閥不具備線圈失電保位功能，當電磁閥線圈故障時，會導致閥門誤動關閥，最終導致機組停機。

2 雙電磁閥回路設計與動作分析

2.1 雙電磁閥回路設計

雙電磁閥回路由兩個兩位三通單控電磁閥、連接接頭及連接管路等組成、實現雙電磁閥冗余[2]設計的控制裝置，其特征在于所述控制裝置中電磁閥A 和電磁閥B 的輸入氣源1 端口共用一路儀用氣源，電磁閥A 的控制氣輸出端口2 連著電磁閥B 的排氣端口3，電磁閥A 的排氣端口3 排大氣，電磁閥B 的控制氣輸出端口2 作為整個控制裝置的控制氣輸出端口，雙電磁閥回路原理圖如圖2 所示。

所述的雙電磁閥冗余設計的控制裝置，其特征在于電磁閥A 的控制氣輸出端口連著電磁閥B 的排氣端口，實現兩電磁閥冗余控制。兩個電磁閥中任意一個電磁閥得電或者兩個電磁閥都得電該控制裝置控制氣輸出有氣，只有當兩個電磁閥同時失電時才會導致該控制裝置控制氣輸出失氣。

2.2 雙電磁閥回路動作分析

當雙電磁回路中的電磁閥A 和電磁閥B 兩個電磁閥都得電，該控制裝置控制氣輸出有氣，處于開閥動作狀態。雙電磁閥回路開閥動作原理圖如圖3 所示。

當雙電磁回路中的電磁閥A 和電磁閥B 兩個電磁閥都失電，該控制裝置控制氣輸出失氣，處于關閥動作狀態。雙電磁閥回路關閥動作原理圖如圖4 所示。

3 雙電磁閥冗余配置后誤動與拒動分析

3.1 誤動分析

圖4 雙電磁閥回路關閥動作原理圖Fig.4 Double solenoid valve circuit closing action principle

圖5 雙電磁閥冗余配置后單個電磁閥故障失電動作原理圖Fig.5 Schematic diagram of single solenoid valve failure and power failure after dual solenoid valve redundancy configuration

圖6 電磁閥拒動原因及所占百分比例示意圖Fig.6 Example of reasons and percentage of solenoid valve refusal

當雙電磁回路中的電磁閥A 和電磁閥B 兩個電磁閥都得電，該控制裝置控制氣輸出有氣，處于開閥動作狀態；當雙電磁回路中的電磁閥A 和電磁閥B 兩個電磁閥都失電，該控制裝置控制氣輸出失氣，處于關閥動作狀態。所以誤動的情況只可能發生在閥門處于開閥動作狀態時。當雙電磁回路中的電磁閥A 和電磁閥B 兩個電磁閥中任意一個電磁閥故障失電時，由于電磁閥A 的控制氣輸出端口連著電磁閥B 的排氣端口，控制氣輸出有氣，仍然處于開閥動作狀態，可以成功地防止單個電磁閥故障導致閥門誤動的出現。雙電磁閥冗余配置后單個電磁閥故障失電動作原理圖如圖5 所示。

3.2 拒動分析

雙電磁閥冗余配置后，拒動情況在閥門開閥狀態和關閥狀態時都有可能發生。查找雙電磁閥回路設計中采用的兩位三通單控電磁閥的相關統計數據，電磁閥拒動原因及所占百分比例如圖6 所示。

電磁閥拒動原因中占比最高的為異物失效[3]（22%）：為來自外部無關的物質（主要是灰塵）進入到電磁閥閥芯內部，出現閥芯卡澀或密封不嚴現象，影響電磁閥正常動作；除此之外還有，密封失效[4]（15%）：電磁閥內部彈性橡膠墊圈老化變硬或者腐蝕分解；工作壓差超標（13%）：電磁閥在系統上使用時，不滿足廠家要求的最大（小）介質進出口的壓差設計要求；電氣失效[5]（9%）：電磁閥線圈絕緣降級、物理損壞導致的短路現象和焊接頭、接線端子不牢固導致的開路現象等。

4 結語

雙電磁閥冗余設計配置后，理論上來說，雙電磁閥回路設計在防誤動方面的可靠性提高了一倍，同時雙電磁閥回路設計發生拒動的可能性也相應地增加了。然而，通過對雙電磁閥回路設計發生誤動和拒動的原因分析，結合自身使用場景，從中取長補短，可以在防拒動和防誤動這對矛盾體中尋找新的平衡點。