安全系统电磁阀的应用基础知识 - We Focus on Fluid Control Solutions

这些看似简单的电磁机械设备的正确设计和规范指南，文章摘自https://www.controlglobal.com/
By William (Bill) L. Mostia, Jr., P.E.

电磁阀是安全系统最常见的部件之一。它们通常用于切换阀门执行器，将相关阀门移动到安全状态。大多数是相对简单的机电设备，具有成熟、经过验证的设计，可在正确选择和应用时在安全仪器或安全联锁系统中提供可靠的服务。技术的进步也给我们带来了智能设备，它可以提供电磁阀功能，但具有增强的测试和通信能力。

为简单起见，本文将“SIS”用作安全仪表系统和安全联锁系统的通用术语;“solenoid”还指'电磁阀'和“SIS 阀”或“阀门”，用作通用术语，可指 SIS 中使用的任何阀门。此外，还有三种典型的电磁阀信号和动力（电气、气动和液压），但为了简单起见，本文仅提及电信号和气动动力，即使其他信号和动力可以替代。

SIS 电磁阀通常在使用失电动作（DTT）电路时排放压力，或在使用通电动作（ETT）电路时施加压力，将阀门移到安全状态。最常见的 SIS 电磁阀是2位3通（3/2），用于 DTT 电路的常闭（NC）品种将阀门的驱动力从 SIS 阀的执行器上排出，使阀门提供所需的安全操作。图 1 中左侧显示了带有手动重置的电磁阀的 DTT 示例，该符号为 3/2 NC 电磁阀。图 1 中的右侧图显示了通常用于滑阀类型电磁阀的备用 3/2 电磁阀符号。

电磁速记
图 1：左侧左侧显示了带有手动重置的电磁阀的 DTT 示例，左侧带有 3/2 NC 电磁阀的常用符号。右图显示了通常用于滑阀型电磁阀的备用 3/2 电磁阀符号。

有多种电磁阀结构风格。三种一般类型是柱塞或锥形，其中柱塞直接移动使用电磁力来控制通过电磁阀的气流。第二种类型使用隔膜来控制通过电磁阀的空气流量。第三种类型具有圆柱形滑阀，端口移动以控制通过电磁阀的空气流量。电控电磁阀是迄今为止最常见的。气控或液压电磁阀有时用于移动阀门，但通常由 SIS 逻辑解算器使用单独的电气电磁阀进行驱动。

电磁阀安全/风险计算

当用作安全系统中的组件时，电磁阀组件按需平均故障概率（PFDavg）和杂散跳闸率（STR）是关键设计参数。表一给出了用于普通电磁阀安排的低需求PFDavg方程的简化方程版本，该方程显示了对PFDavg和电磁阀STR的主要贡献者（有关更详细的PFDavg\/STR方程，请参阅参考参考6）。

电磁阀故障计算
表一：此表显示了常见冗余配置中使用的电磁阀的按需平均（PFDavg）值和杂散跳闸率失败的概率，从一分之一开始，等等。其他关键参数包括λ_DU危险的未检测到的故障率、λ_SU = 安全未检测到的故障率、TI = 校对测试间隔和 β = 常见原因因子。

包括 beta （β）或常见原因因子的贡献，因为它可以显著有助于冗余配置的 PFDavg 计算。例如，Asco 为其电磁阀推荐一个 5%的值，计算参数的不确定性也是确定 PFDavg 计算中置信度的关键因素。

对于简单的电磁阀安排，通常假定在测试证据时将检测到电磁阀故障，平均修复/恢复时间（MTTR）不会显著有助于 PFDavg/STR。更复杂的电磁阀安排与在线测试和维修可能会增加考虑MTTR的贡献。由于测试电磁阀的校样测试覆盖率（PTC）通常接近 99%，因此 PTC 通常不会对 PFDavg 做出显著贡献。

电磁阀故障率
表二：电磁阀的危险未被发现和安全未检测故障率，在故障中及时报告，或 FITS（每十亿小时），可能差别很大。

如表二所示，电磁阀的危险未被发现和安全未检测到的故障率可能有很大差异。一些失败率的说法扩展了一个人的想象力，所以要小心你接受的东西。工厂应用的故障率应符合电磁阀的工厂维护和实际行业经验，一旦投入使用，应视为经过验证的设备。表二中还提供了电磁阀的 exida SILSafe 故障率。这些速率是 exida 的数据指示的是工艺行业应用中电磁阀故障率的预期范围。

还应指出，表二中的值是随机故障率，在电磁阀的使用寿命内被认为是恒定的。这种故障率是图2“使用寿命”区域中所示的“浴缸”曲线底部的故障率。

然而，电磁阀同时具有电气和机械部件。恒定故障率假设可能适用于电气部件，但不适用于机械部件（弹簧、柱塞、隔膜、o 形环、密封件、滑阀、表面接触等）。从实际经验中提出，包含机械部件的设备的危险故障率是故障率实际上包含随机因子和时间相关因素：

λ_Dtotal = λ_Drandom + λ_{Dtime dependent}

一旦时间相关的故障开始增加故障率，标准的 PFDavg 计算可能不如服务时间增加有效。然而，目前的行业实践是在计算PFDavg时使用恒定的随机故障率来设计机电（例如电磁阀）和机械设备（如阀门）。其要点是，由于缺乏依赖于时间的故障数据，在设计长测试间隔 SIS 系统时应格外小心。

电磁阀故障'浴缸'曲线
图2：表2所列的失败率是随机故障率，在电磁阀使用寿命期间，在早期失效率升高后和因磨损导致故障开始升级之前，随机失败率被认为是恒定的。

IEC 61511，第11.9.3和16.2.2节，要求收集可靠性数据来验证用于设计SIS的数据。在这里，收集电磁阀的故障数据发挥作用，这可以让我们更好地了解我们的故障率，以及用于不同应用程序的计算中使用的数字。

遗憾的是，在测试间隔内收集故障率数据通常不执行，而且可能很困难，尽管根据长测试间隔与较短的测试间隔中的故障以及在线测试检测到的故障，可能存在某种相关性。这有可能提供有用的数据，使我们能够设计更好的SIS系统，尤其是对于长测试间隔系统。任何 SIS 故障都应被视为等效于接近误失和故障机制进行法证调查。

因此，目前很难确定电磁阀的故障率会因使用寿命长而增加多少，只是传闻证据表明，机械设备在使用寿命的时间越长，故障频率往往更高。

exida2的研究人员指出，静摩擦力随着接触表面彼此静止的时间增长而增加，达到最大值约为275小时（+11.5天）。鉴于这个数字，人们可能会期望在任何正常的校样测试间隔级别出现大量电磁阀故障，这似乎并非如此。作者还建议定期测试电磁阀，以提高电磁阀系统的可靠性，每周开始，并根据测试数据调整测试间隔。由于静摩擦力和其他原因往往随着服务时间而增加，因此，电磁阀和 SIS 阀的在线测试和部分行程测试（PST）应被视为良好的工程实践。

相当数量的电磁阀制造商采用第三方合格（通过 exida、TÜV 等）进行 SIS 服务认证的型号。虽然 IEC 61511-1 不需要批准，但最好指定经批准满足 IEC 61508 的电磁阀，尤其是在无法获得足够级别的本地故障数据和工厂维护经验来鉴定经验证的可用电磁阀的情况下。批准的设备有几个重要文档，在选择和设计电磁阀组件之前，应对其进行审查。这些是批准证书、批准报告、设备安全手册，如果可用，则提供电磁阀故障模式和效果诊断分析（FMEDA）。批准证书通常具有故障率、系统功能（SC）和硬件容错（HFT），而批准报告、安全手册和 FMEDA 通常包括使用寿命、建议的证据测试以及可能影响设计的任何限制。有时，这些文档中可能存在一些“陷阱”，它们可能会严重影响设计，操作和维护要求以满足批准要求，因此强烈建议仔细检查它们。

SIS电磁阀被认为是简单的A型设备，通常被批准用于三个SC，并且具有完整的安全完整性等级（SIL）3，能够满足SIL 2，HFT = 0所需的体系结构约束；对于SIL 3，HFT = 1。在评估满足SIL 3要求的单个设备的任何索赔时，应小心谨慎。另外，请注意，某些认证仅适用于电磁阀的NC版本，不适用于常开（NO）版本。

其他设计注意事项

选择电磁阀时，关键参数包括电磁阀的上下环境温度规格、电磁阀Cv值（影响阀门响应时间）、面积分类、功率、装配材料、故障率和使用寿命。

设计师有时担心高温环境，但没有考虑到较低的温度额定值会给他们带来麻烦。必须选择电磁阀以满足工厂最坏环境温度的极端要求，并且某些电磁阀的温度规格较低，在某些位置的预期环境范围内。

应选择具有足够余量的较高工作温度。一个常见的经验法则是，电气/电子设备的使用寿命每升高10 ºC，其使用寿命就会减半。而且，电气/电子设备运行的冷却器越长，其使用寿命越长。较低的瓦数通常在低温下工作，使用寿命可能更长，并且不易出现虚假行程。然而，他们可能没有足够的力量来克服静摩擦力。有关此区域的其他信息，请参阅参考 5。

在昆虫可能在电磁阀的排气口中筑巢的区域，应安装一个防虫屏幕，这通常是一种好的做法。

线圈电压为 24 VDC 和 120 VAC。 120 VAC 通常用于需要更多功率时，但可能具有更高的感应冲击，如果浪涌保护不足，可能会缩短电磁阀线圈和 PLC 输出寿命。许多 SIS 逻辑解算器配置为使用 24 VDC，并且可能需要额外的互交继电器才能使用 120 VAC。

阀门装配材料应适合所用动力和外部腐蚀性环境。电磁阀排气能力也是一个问题，尤其是对于大型阀门。大多数标准电磁阀具有各种尺寸和容量，并且可提供具有较大通流容量的型号。但是，数字阀控制器、智能电磁阀和智能定位器尺寸有限，应验证排气能力以实现所需的响应时间，因为它们并不总是在其规格文献中明确说明。

使用寿命是任何设备的关键参数，因为它认为随机故障率是恒定的，并且标准 PFDavg 计算被视为有效。在使用寿命结束时，磨损阶段被视为开始，并且故障率不再被视为恒定。SIS 中电磁阀的 Asco 手册将电磁阀的使用寿命列为 3 到 10 年。 1 对电磁阀的几种 FMEDA 的回顾，使电磁阀的使用寿命为线圈 30，000 小时，电磁阀组件为 10 年。DTT 系统线圈故障通常会导致安全故障，但是，在虚假行程后启动可能会增加工厂的风险。

精心设计的电磁阀系统可以延长电磁阀的使用寿命，并提供长期可靠的服务。在这里，本地收集故障率和故障机制/模式数据非常重要，这对于确定螺线管和其他设备在指定使用寿命结束时的更换策略非常重要。 FMEDA使用寿命的预测通常基于清洁的空气和40ºC（101ºF）的环境温度。电磁阀还必须符合区域分类；有足够的外壳来保护环境（通常至少为NEMA 4）；当使用固态逻辑求解器输出时，应考虑对较大的电磁阀进行电涌保护。

在两种联锁原理中，断电动作比通电动作配置更为普遍，通常更安全，更容易设计。但是，如果您希望使用ETT系统，则必须遵守61511-1中的11.6.2条，该条要求ETT电路应具有确保电路（线圈）和电源完整性的方法。还应注意，双作用安全阀是ETT系统，因为它们需要在阀的一侧施加动力以将阀移动到安全状态，并且这些系统中的电磁阀可能必须满足ETT的要求。

冗余也是设计考虑因素，常见的冗余方案是1oo2、2oo2和2oo3。在液压系统中，有时会使用2oo4冗余方案。

2oo2D（用于诊断）/ 1oo1HS（用于热备用），2oo2、1oo2和2oo3电磁阀冗余方案可作为具有在线测试功能的打包或OEM设备在工业上使用。

冗余电磁阀装置的另一个示例是Norgren IMI-Herion RVM（冗余阀歧管），它提供了安装在一个歧管（1oo2、2oo2、2oo3）上的可配置冗余方案。这些系统通常额定为SIL 3，并具有压力传感器和手动旁路，可以进行在线测试和维护。该系统并不便宜，通常比简单的电磁阀需要更高的支持水平，但可以提供增强的测试能力，并且比手动系统更易于应用。应仔细审核批准文件及其安全手册，以确保正确应用它们并满足批准要求。

更智能的电磁阀系统

基本的电磁阀是简单的，哑的设备，但业界已经提出了几种类型的智能设备，可以提供电磁阀功能和/或电磁阀在线测试。这些设备通常提供一系列增强的在线测试功能（例如，部分行程测试），以及收集和存储电磁阀和相关阀门组件的测试数据的能力。例如，艾默生的 DVC-6200SIS 数字阀控制器、Neles 的 ValvGuard VG9000 智能安全电磁阀、诺冠的 IMI 精密工程 ICO4-PST/SIS 智能电磁阀、Westlock的 Epic-2 智能阀位置发射器、Samson的 3730-3 系列智能定位器以及施耐德电气的Foxboro PST 智能定位器。

需要注意的是排气容量和下游使用快速排气阀和 SIS 阀以外的其他设备。下游设备的潜在使用应与智能设备的供应商一起审查。虽然这些智能设备并不便宜，但它们带来了很多，尤其是在长测试间隔 SIS 中。但是，它们需要比标准电磁阀更高的支持级别。如果您拥有许多智能设备，则对所有 SIL 1 系统使用这些智能设备的成本可能有些高昂。对于 SIL 2 和 SIL 3 系统，这些智能设备可能非常适合应用。

使用这些智能设备，尤其是长时间的校样测试间隔，可以通过定期循环电磁阀和从部分和全行程测试中收集测试数据来提高 SIS 的可靠性。这可以让用户更好地了解其电磁阀和 SIS 阀组件中发生的情况，从而验证当前的 SIS 设计实践，并根据需要改进设计。

手动重置也是常见选项。在 SIS 逻辑解算器为电磁阀信号通电之前，手动重置通常不允许重置电磁阀，这表明 SIS 认为手动重置电磁阀是安全的。此选项通常用于炉子和其他应用，要求操作员在重置之前验证现场条件是否安全。

电磁阀是简单的设备，但在 SIS 及其可靠性中起着重要作用，因此正确的选择和设计对 SIS 的成功非常重要。智能技术使更先进的设备能够在线测试电磁阀，这在长测试间隔 SIS 和其他应用中可能更有利。智能设备是否会取代标准电磁阀还有待观察，但我相信标准电磁阀将长期与我们同在，因为它简单、设计成熟、支持方便、尺寸灵活、成本低。正确应用后，它们可以提供可靠的服务。