上平台关断阀电磁阀控制回路设计为故障安全型,电磁阀线圈长时间处于通电状态,容易因老化而误动作,导致生产关停造成财产损失。现场控制系统没有监控电磁阀接线回路质量的手段，仅依靠在预防性维护时、通过手动测量的方式间路,该方法连续性差并且工作量大,因此传统监测方法进行改造创新迫在眉睫。

1. 关断阀电磁阀控制回路组成

气动关断阀在石油化工行业中应用广泛,在路情况下,关断阀可快速动作切断管路,起到隔韩用。关断阀的开关动作取决于电磁阀控制回.电磁阀控制回路由安全仪表系统(SIS)DO模快继电器、电磁阀、仪表气路组成。

电磁阀控制回路工作原理为当生产处于正常时,DO模块将输出逻辑信号“1”,继电器K强得电,其触点闭合,此时控制回路导通,电磁酸圈得电,电磁阀进气口与出气口连通,放空口关闭,仪表气将进人单作用关断阀,关断阀打开。管路导通。当生产发生紧急情况时,则反之,关断将会关闭,管路切断。

2.电磁阀控制回路在线监测单元设计

2.1设计要求

由于电磁阀控制回路的测量精度和控制质量直接影响在线监测的可靠性,所以在线监测单元毅设计必须满足现场实际需求,以提高关断阀电磁阀的可靠性。同时,该监测单元在设计时不能翔原有回路功能,避免对原系统改动过大,检测要稳定可靠,并要求实现回路故障预判功能。

2.2 硬件设计

电磁阀控制回路在线监测单元的硬件架构如1所示。由于该设计是基于原有控制系统基础进行,因此在硬件设计上只需要考虑电流采集模块及通信模块的相关设计。

电流采集模块由电流传感器及信号处理模块组成,电流传感器通过电流的直接或间接测量式,监测电磁阀控制回路的电流信号,然后将信号传输到信号处理模块,从而实现电流的采集。信号处理模块输出标准的信号到控制系统通信模块,经过控制系统数据处理单元处理,通过上位机以及声光报警反映回路状态。

2.2.1 电流传感器

电流传感器测量电流方式有直接测量和间接测量两种方式。直接测量方式是在电磁阀回路中直接串接电流检测模块,测量回路电流。由于该方式需要改变原有的电路设计,在回路中增加元件的同时，也增加了回路的故障率,因此不建议采用。间接测量方式是在电磁阀回路中增加电流互感线圈,通过互感方式测量回路电流。该方式技术应用成熟,而且没有改变原有回路结构,因此满足设计要求。

2.2.2 信号处理模块

信号处理模块输出标准信号有两种,一种是采用4~20mA信号输出,直接接人控制系统I/O模块。优点是控制系统回路配置简单,不需通信信号转换处理:缺点是需要占用更多的硬件资源1个电磁阀的信号需要占用1个I/O通道。另种是采用Modbus通信协议,信号接入控制系统通信卡件接口。优点是多个通信信号只占用1个通信接口:缺点是配置相对复杂,需要进行通信数据转换处理。

通过电流传感器和信号处理模块不同设计方法的比对,结合设计要求以及费用情况,最终采用电流间接测量、Modbus通信协议方式。

2.2.3电流采集模块结构设计

采用电流间接测量、Modbus通信协议方式的电流采集模块在结构上有以下设计方案,现场可以根据实际情况进行选择。

1)采用多路一体设计。多路检测线圈与监测模块一体化,优点是节约空间,节省成本;缺点是电磁阀线路需要重新布置,不便于维护,如果其中1个回路故障则需要检修模块,同时会影响其他回路监测,该方法不建议使用。

2)多路分体设计。多路检测线圈与监测模块分开安装,优点是电磁阀线路不需要重新布置,安装维护方便;缺点是安装线圈占用更多空间,成本偏高。该方法适合电磁阀回路集中且数量多的场合。

3)单路一体设计。单一回路独立安装的优点是适用性强,可根据现场电磁阀数量进行配置,各个电磁阀回路相互不受影响,价格便宜;缺点是电磁阀线路需要重新布置。适用于电磁阀回路分散、数量不多的场合。

2.3 软件设计

在硬件上实现了控制回路的电流采集,还需要在控制系统进行在线监测单元的组态,实现回路电流的实时显示,以及通过数据分析处理反映回路是否处于正常状态。软件设计主要包括程序组态和画面组态,程序组态主要完成输人信号处理、回路分析及报警信号处理功能;画面组态主要完成电流实时显示、电流趋势以及声光报警功能。

2.3.1 输入信号处理

通信模块接收电流采集模块输出的Modbus协议信号,该信号需要经过运算后才能反映真实的电流值。同时,为了避免信号干扰以及方便数据分析,增加滤波功能块、电流计算功能块及偏差设定功能块等。

2.3.2 回路分析及报警信号处理

电磁阀在线监测单元不仅能实时监测电磁阀回路电流,更重要的是还能实现故障预测功能通过将实际电流1与参考电流1。相减,得出偏差并将超出偏差范围的报警分为低报警、低低报警高报警、高高报警、断电状态。

2.3.3在线监测单元回路设计

在原电磁阀控制回路基础上,增加电流采集模块以及通信模块,电磁阀线路只是改变了布置,新增加的硬件回路完全不影响原有回路功能,多个电流采集模块采用RS-485通信并联方式,实现通信模块1个通道可以连接多个电磁阀监测模块,节约成本。电磁阀在线监测单元控制回路架构如图2所示。

每个电流采集模块对应1个电磁阀回路,同时通过 Modbus协议传输信号到通信模块,经过控制系统数据处理后,在上位机画面实时显示回路电流值以及历史曲线。控制系统可以组态程序,通过程序功能块分析回路电流数据,提前预测判断回路状态,例如回路松动、回路进水腐蚀、线圈老化等现象。

3 现场安装及调试

3.1 传感器模块安装

安装电流采集模块需要断开电磁阀控制回路,将其中1根电线穿到互感线圈内,由于电磁阀正常时是处于得电状态,为不影响正常生产,建议在停产检修时安装或者手动将关断阀强制打开后再安装。

3.2 电磁阀监测回路调试

由于现场电磁阀型号及使用年限不一,在改造应用中发现主要存在两个问题:未通电的电磁阀回路电流为10mA,同类型电磁阀回路电流有偏差。针对上述问题进行分析并提出解决措施:

1) 电磁阀内部电路会存在固定偏差。解决指施为增加修正程序,保证监测回路实际值的准确性。

2) 同类电磁阀回路工况不一,因此回路阻值有差异,从而导致回路电流不一致,属于正常现象。

4 应用效果

选取了6台电磁阀,通过在线监测单元监测到的电流值见表1所列。从表1可以看出,在失电状态下的电磁阀5和电磁阀6回路电流实际值趋向于0,判断为回路开路,与现场实际情况相符合:在得电状态下的电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3和电磁阀4回路电流实际值与参考电流值相近,因此判断回路电流监测功能正常。

控制系统实时分析回路及处理报警信号,以监测电磁阀4控制回路电流值为例,对比I与I。的趋势如图3所示,1与I。电流值相接近,并没有超出报警值范围,因此判断电磁阀回路处于正常状态。

基于原有控制系统设计的电磁阀控制回路在线监测单元应用后效果如下:

1) 经济效益高。目前市场现有的产品是基于立的软件平台设计,通用性不强,费用高,按每1海上平台增加20个回路计算,成本费用约为15万元人民币。采用该监测单元设计方案，每个海上平台增加20个回路的成本费用约1万元人民币,且简单实用。

2)有创性新。该在线监测单元是自主设计，可实现海上平台关断阀的电磁阀电流在线监测功能,提高生产运行效率。

3)推广性强。该监测单元设计简单,适用性强,可以推广到其他平台及装置。

5 结束语

通过增加电流采集、数据处理等模块及程序组态功能,设计的电磁阀控制回路在线监测单元解决了传统手动测量回路效率低的问题。经过数据分析、判断电流状态及现场实际应用,该监测单元为现场电磁阀控制回路测量精度、故障提前预知与诊断提供了更准确的判断依据,为进一步提升关键设备本质安全提供了智能保障。

文章来源：《石油化工自动化》