加倍提高电磁阀的安全性

在整个生产设施(如炼油厂)的背景下，使用电磁阀可能不是您优先考虑的问题(见图1)。但现实情况是，如果所有阀门长时间处于非活动状态，都会出现堵塞。(注:摩擦力是指阻止静止表面运动的摩擦力。)

尽管对任何阀门来说，定期的锻炼都是至关重要的，但对于电磁阀来说，风险更大:如果这个阀门出现与粘性有关的故障，紧急关闭阀将无法阻止易燃甚至易爆流体的流动，这可能会导致灾难。

虽然对阀门维护至关重要，但使用电磁阀的问题是它可能需要停机。幸运的是，有一个简单易行的解决方案。

考虑双螺线管安全方法，允许在线操作电磁阀，保护工厂，提高正常运行时间，并遵守功能安全要求。

电磁阀的作用

紧急关闭(ESD)截止阀是安全仪表系统(SIS)中最后一个元件的一部分，法律规定任何处理危险化学品的设备都需要紧急关闭(ESD)截止阀。虽然基本的过程控制系统旨在通过过程报警和操作员干预的方式来防止事故，但SIS提供了额外的保护层来防止和减轻潜在的危险(见图2)。

SIS通常由以下组件组成:

• 传感器，用于测量过程参数，包括压力、温度、流量、液位和气体浓度。
• 逻辑解算器，或从传感器读取信号并执行预编程动作以防止或减轻过程危险的控制器。
• 最后的元素，使过程达到安全状态。除防静电阀外，还可以包括气动、电动或液压执行器和电磁阀。

在许多SIS应用中，电磁阀在正常运行期间保持通电处于打开位置。(注意:这间接地承认激活到跳闸应用程序。)但是，如果系统检测到超压或其他危险情况，则阀门将移动到关闭位置，激活ESD阀以停止工艺流程。但是，尽管电磁阀在确保设施、设备和附近人员的安全方面起着至关重要的作用，但它很少被使用。事实上，它可以保持相同的位置数月甚至数年，这增加了它无法按指令关闭的可能性。这种失败最普遍的原因是僵化。

忽视的危险

SIS-TECH Solutions公司总裁安吉拉·萨默斯(Angela Summers)博士说:“机械设备，就像人体一样，在经常锻炼的情况下会运转良好。”“当你不锻炼瓣膜时，你就增加了它粘附的可能性，这可能会阻止瓣膜在需要关闭时关闭。(参见侧栏“与安吉拉·萨默斯博士的对话”)。

在典型的电磁阀中，o形环与腔室壁直接接触，在柱塞运动时形成密封。柱塞必须首先克服o形圈和壁面之间的拉力才能移动。如果阀门长时间处于静止状态，则拉力会超过正常水平，直到电磁线圈产生的力不再能够克服它，从而使阀门无法正常关闭。此外，水或油的存在会导致阀内的粘性残留物。

由于粘滞的可能性随着时间的推移而逐渐增加，不频繁的测试增加了阀门按需失效(PFD)的可能性。即使不改变阀门的结构，更频繁的测试也会减少粘滞，降低平均PFD(见图3)。

除了潜在的危及生命的安全问题，包括火灾或爆炸的风险，电磁阀故障是一个具有巨大生产力影响的条件-特别是如果它导致工厂关闭。停机不仅会中断正常运行时间，还会产生巨大的成本。

Double-solenoid冗余

定期测试电磁阀有两个机械目的:它可以防止粘连，并证明它一开始就不存在。只需要让阀门通过一个循环就可以了。断开电磁线圈的电源，使阀门完全关闭，然后重新接通线圈的电源，使阀门回到开启位置。但是，尽管简单，循环螺线管需要使SIS脱机，这会造成停机时间。对于许多工厂所有者来说，这种对生产力的破坏超过了假想灾难的威胁。

幸运的是，解决方案很简单:通过在ESD阀的设计中添加第二个电磁阀，每个电磁阀都可以单独测试。您甚至可以对控制器进行编程，自动运行定期测试，防止阀门卡住，降低平均PFD并避免工厂事故，而无需使系统脱机。

安装第二个电磁阀并不耗时。它在机械上也不复杂。在预先封装的解决方案中，冗余控制系统(RCS)是一种经过验证的先导阀配置，没有单点故障，并提供内置冗余和诊断，以优化工厂的安全性和可靠性，同时最大限度地延长正常运行时间(见图4)。RCS采用了202d架构，整合了许多组件，包括维护旁路开关、压力开关和冗余电磁阀。变成一个易于配置的包，满足关键的安全需求(参见“体系结构约束和注意事项”)。

这种冗余系统的一些好处包括:

• 自动化在线测试可检测98%的危险故障点，包括电磁阀和部分行程测试，以及压力开关的连续监测和诊断反馈;不需要旁路。
• 易于在线维护允许快速，轻松地更换电磁阀，线圈和压力开关，而不会中断过程。
• 没有烦人的旅行。由于其容错冗余电磁阀结构，RCS没有可能导致过程阀意外关闭的单点故障。
• 不锈钢结构,例如，该系统的可选316L不锈钢阀门和压力开关适用于腐蚀性环境，例如墨西哥湾沿岸，在这些环境中，石油和天然气设备经常暴露在盐、湿度和波动的温度下。
• 高安全可用性， RCS通过SIL 3认证，满足IEC 61508:2010功能安全要求(参见“遵循功能安全指南”)。

边栏:与安吉拉·萨默斯博士的对话

安吉拉·萨默斯博士设计了冗余控制系统(RCS)背后的技术。她在仪表和控制，过程设计和环境污染控制方面拥有近30年的经验，目前是SIS-TECH(一家专门从事安全仪表系统的咨询和工程公司)的总裁。

Summers说:“在我设计的时候，你实际上只有两种选择，即使用螺线管来驱动块阀。“你要么使用单一架构，这为你提供了良好的安全性，但它本质上不太可靠，因为你依赖于一个螺线管。你的第二种选择——二配二(20002)——不太安全，因为它需要两台设备才能工作，但它要可靠得多。我设计的产品是两者的结合:你可以获得极高的安全性和高可靠性。

Summers说:“艾默生花了很多时间来最大化歧管的流动路径，以实现最快的关闭时间，同时生产最小、最轻的安装箱。“公司改进了制造工艺，使我设计的产品占地面积、成本和重量降到最低。”

侧栏:架构约束和注意事项

多年来，安全集成系统(SIS)架构已经发展到提高整体安全性和提高过程可靠性，但是每种新兴的解决方案都有其优点和缺点(见图5):

• One-out-of-one (1 oo1)。这个基本的建筑设计只有一个特点。
• 这种设计增加了冗余以提高安全性。虽然它降低了按需设计故障(PFD)的平均概率，但它确实增加了假脱扣率(STR)，其中任何一个电磁阀的故障都将导致系统脱扣。
• 该体系结构增加了冗余，以提高流程可靠性。虽然降低了STR，但增加了平均PFD。
• 这种设计增加了先进的冗余，提高了安全性和工艺可靠性，同时降低了STR和平均PFD。但是，由于此体系结构涉及更多组件，因此会导致更高的输入/输出(I/O)需求，增加了功耗，同时增加了复杂性。
• RCS的特点是2002d，这是一种较新的体系结构，它集成了诊断功能，以提高安全性和高过程可用性。它的容错设计没有单点故障，并且提供比1002和30003架构低得多的STR。

侧栏:遵循功能安全指南

包括石油和天然气在内的许多行业都依赖于IEC 61508标准所概述的功能安全。设备不仅要正确地响应其输入，而且必须能够检测潜在的危险情况，并激活纠正机制，以防止火灾、爆炸或其他危险事件的发生。对于IEC 61508标准，定义了四个安全完整性级别(SILs)，其中SIL 1是最不可靠的，SIL 4是最可靠的。根据该标准，评估的两个方面包括系统能力和随机失效能力，随机失效能力基于元件的类型、按需失效的平均概率(PFD)和体系结构。

冗余控制系统(RCS)具有较低的误脱扣率(STR)和平均PFD，是满足关键应用中功能安全要求的解决方案，因为它在一个封装中提供了高安全性和可靠性(见图6)。由于其自动诊断测试功能，其平均PFD值在SIL 3范围内，使系统即使在最严格的安全应用中也能使用。

原创内容可在设备工程．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。