有时安全保护联锁的发生不是由于工艺过程异常造成的，而是由仪表本身的故障引起的。这种情况下会造成误停车，对于某些特定的工艺过程，误停车也会引起较大的经济损失。为了降低误停车率，可以考虑引入冗余的配置，例如由2oo2代替1oo1，由2oo3(对于检测单元而言)或者2oo4(对于阀门而言)代替1oo2，但这需要做ALARP(As Low As Reasonably Practicable)经济分析评估，用来评估由于引入冗余配置所带来的额外投资能否带来一定的投资回报率。该文主要讨论采用双电磁阀配置实现切断阀电磁阀信号线路的冗余配置，以减少因电缆断线引起的误停车。
1、单电磁阀配置
石油化工装置仪表联锁一般按故障安全型设计，切断阀配置的电磁阀一般设计成正常得电励磁、失电联锁方式。有时电磁阀信号电缆断线引起的误联锁会引起较大的经济损失，这时也可以考虑设计成电磁阀正常失电、得电联锁方式。这种情况下一般需要设置信号电路检测功能，即如果发生电磁阀信号电缆断线时可以及时由SIS DO断线检测并报警，提示及时检查线路并维修至正常，如果维修更换线路需要较长周期，则可以考虑改接备用电缆，最大限度地减少电磁阀控制线路非正常中断的时间，减少因电磁阀线路断线而不能执行联锁的可能性。图1～3所示为几种应用示例，其中图3为一种得电联锁示例。
图1 切断阀(FC)、单电磁阀、失电联锁FC关闭
注: 正常“1”时，1-2通；联锁“0”时，1-3通
图2 FC、单电磁阀、失电联锁FC打开
注: 正常“1”时，1-3通；连锁“0”时，1-2通；NE-正常励磁
图3 FC、单电磁阀、得电联锁FC打开
注: 正常“0”时，1-3通；联锁“1”时，1-2通；NDE-正常失电
图2和图3的区别在于图2是失电联锁，电磁阀信号电缆断线时，电磁阀失电，1-2通，仪表净化风通FC膜头，FC打开(即联锁要求的FC位置)；图3是得电联锁，电磁阀信号电缆断线时，电磁阀失电，1-3通，FC膜头放空，FC关闭(即FC气源故障时对应的阀位)。两种配置各有优缺点，图2在无联锁情况下电磁阀信号电缆断线时会出现误动作；图3在电磁阀信号电缆断线且需要联锁触发时会出现联锁不能执行。
2、双电磁阀配置
某些因误停车而引起较大经济损失的工艺过程，可以采用双电磁阀配置实现切断阀电磁阀信号线路的冗余配置，以减少因电缆断线引起的误停车。气路的设计原则有以下几方面。
①双电磁阀失电联锁配置
一个电磁阀失电，而另外一个电磁阀仍然励磁时，失电电磁阀的失电被认为是由于信号电缆断线引起，切断阀仍然维持正常状态，避免了因单根信号电缆断线引起的误停车。两个电磁阀都失电时，失电被认为是由于联锁发生而引起的，联锁动作被执行(说明: 如果有一个电磁阀故障，停留在励磁时对应的气路，不能在失电时切换到对应的气路，则联锁不能被执行，但出现这种故障的可能性较小，参见文中第5部分“电磁阀工作原理及故障分析”中的相关描述)。
②双电磁阀得电联锁配置
只要有一个电磁阀得电即被认为得电是由于联锁发生而引起的，联锁动作被执行。有一路信号电缆断线时，信号电缆没有断线的电磁阀在联锁发生时仍然可以得电励磁执行联锁动作，避免了因单根信号电缆断线引起的联锁不能被执行的问题(说明: 只要有一个电磁阀在励磁时可以切换到对应气路，联锁发生时即可被顺利执行，改善了单电磁阀得电联锁配置中因电磁阀故障，得电不能切换到励磁对应气路而引起联锁不能被执行的问题)。
双电磁阀状态和切断阀状态对应真值表见表1所列。
表1双电磁阀状态和切断阀状态对应值
开双电磁阀配置中，两路信号电缆宜采用独立路径敷设。得电联锁配置中，联锁控制系统对信号电缆宜设置“Line Monitoring”，及时监测到信号电缆断线故障，并提示维护人员及时维修，一定程度上降低了因信号电缆断线而不能执行联锁的可能性。储气罐配置中，宜设置远传压力指示报警。切断阀宜采用弹簧复位型。双电磁阀配置如图4～9所示。
图4 切断阀FC、双电磁阀、失电联锁FC关闭
注: 正常“1”时，1-2通；联锁“0”时，1-3通
图5 切断阀FC、双电磁阀、得电联锁FC关闭
注: 正常“0”时，1-2通；联锁“1”时，1-3通
图6 切断阀FO、双电磁阀、失电联锁FC打开
注: 正常“1”时，1-2通；联锁“0”时，1-3通
图7 切断阀FO、双电磁阀、得电联锁FC打开
注: 正常“0”时，1-3通；联锁“1”时，1-2通
图8 切断阀FC、双电磁阀、失电联锁FC打开
注: 正常“1”时，1-2通；联锁“0”时，1-3通
图9 切断阀FC、双电磁阀、得电联锁FC打开
注: 正常“0”时，1-3通；联锁“1”时，1-2通
3、逻辑图
逻辑图需要根据不同的工艺过程、工艺联锁和操作要求及不同的仪表配置做具体分析设计，图10仅作示例性说明。该例为失电联锁，切断阀关闭。现场设手动关/开阀按钮，DCS或SIS设软手动关/开阀按钮，操作员可以根据需要在现场或控制室执行关/开阀指令，其中开阀指令只有在没有联锁条件存在或发生过联锁但已经复位时才有效。
图10 单/双电磁阀、失电联锁，FC关闭
双电磁阀状态和FC状态对应关系见表1所列。如果没有工艺过程参数参与联锁，只有现场和控制室手动关/开阀按钮，可以取消RS触发器。根据操作岗位划分和不同工艺要求，也可以考虑将手动开阀指令和复位指令做“OR”运算后，接入RS触发器的复位端R端或不单设复位按钮，这样可以取消一个RS触发器。
4、方案选择中应考虑的问题
方案的选择需要综合考虑各方面的因素，主要包括逻辑不能执行的可能性、误停车的可能性、故障安全性、硬件投资费用等，并充分考虑逻辑不能执行而产生的经济、人身、环境方面的影响和误停车造成的经济损失。
实际方案需要考虑到HAZOP，IPF Study，SIL评级，ALARP经济分析评估等方面，需要考虑监测单元、执行元件、SIS等的总体配置。
表2对图1～9的不同方案在不同的侧面做了示意性的比较，每个方案都按高、中、低三个等级做示意性比较。表3以图4为例示意性地说明了高、中、低三个等级划分的依据。
表2 不同方案的比较方案故障
表3以图4方案示例的等级划分依据
5、电磁阀工作原理及故障分析
电磁阀一般选用直动式低功耗通用型。工作原理: 通电时，电磁线圈产生电磁力克服弹簧力，使得对应气路导通，比如电磁阀进气口和工作口相通；断电时，电磁力消失，在弹簧力的作用下转换气路，比如电磁阀放空口和工作口相通。
①电磁阀励磁时无法对应相应气路的原因: 电源接线是否不良；电源电压是否在工作范围；线圈是否脱焊；线圈是否烧坏；有杂质使电磁阀阀芯卡死。
②电磁阀失电时无法对应相应气路的原因: 阀芯密封件已损坏；有杂质进入电磁阀阀芯；弹簧寿命已到或变形；节流孔平衡孔堵塞。通常情况下，电磁阀励磁时无法对应相应气路的故障概率要大于电磁阀失电类的故障概率。
③对于单电磁阀配置而言，失电联锁在故障安全性方面要远好于得电联锁。
1)失电联锁不能执行联锁的因素: 电磁阀失电时不能处在相对应的气路。
2)得电联锁不能执行联锁的因素: 信号电缆断线；控制室电源故障；电磁阀励磁时不能处在相对应的气路。
④双电磁阀配置失电联锁和得电联锁在故障安全性方面比较。
1)失电联锁不能执行联锁的因素: 两个电磁阀中任何一个电磁阀失电时不能处在相对应的气路。
2)得电联锁不能执行联锁的因素: 两路信号电缆全部断线；两路联锁信号控制室电源全部故障；两个电磁阀励磁时都不能处在相对应的气路。
6、应用举例
电磁阀配置图4方案在UOP项目燃料气线、长明灯线等场合和雪佛龙项目防止BACKFLOW等场合有应用实例；图6方案在UOP项目紧急泄压和雪佛龙项目紧急泄压等场合有应用实例；图7方案在壳牌项目紧急泄压及某些工艺过程等场合有应用实例；图8方案在UOP项目紧急泄压等场合有应用实例；图9方案在壳牌项目紧急泄压等场合有应用实例。
7、结束语
提高装置安全性和有效防止误停车在石油化工装置中起着重要的作用，设计中需要综合考虑，按照ALARP原则采用合理的工程设计。采用双电磁阀配置实现切断阀电磁阀信号线路的冗余配置，以减少因电缆断线引起误停车的设计模式在很多石油化工装置中有着很好的应用实例，为一种有效的设计。
作者：范咏峰
