GE 智能平台 GMR在海上石油平台的应用

摘要：GMR是一套基于Genius总线模块式冗余容错系统，为石油平台的紧急停车系统和火灾气体保护系统提供了完善的解决方案。本文详述了GMR 系统的三重表决机制，输入输出I/O子系统的连接方式，全局监控系统的实现。 关键词： GMR ; 三重表决 ; Genius总线 ; 火灾和气体保护系统 ; 紧急停车系统 GE Fanuc公司使用标准的PLC系统，面向紧急停车系统ESD和火灾气体保护系统F&G开发了一套三重化的冗余控制系统解决方案，被称为Genius模块式冗余容错系统（GMR）。它有90-70系列CPU和Genius输入输出模块及其他系列的部分模块构成。其配置方案可根据系统规模，进行灵活的扩展，它允许用户根据希望得到的流程风险降低的程度来改变系统的冗余级别。TUV根据DIN19250/DINVVDE0801标准，给予了GMR系统三取二系统，二选一系统，六级认证。所以海洋石油钻井平台选择了GMR系统作为整个平台的紧急停车系统和火灾气体保护系统。 1． Fanuc Genius模块式冗余容错系统（GMR） GMR系统的灵活性体现在，它可以提供从输入模块通过两个或三个CPU处理器到输出模块的各种冗余组合。这种灵活性意味着当单重化系统或双重化系统操作时，可以配置使用较少的输入和输出信号但同时保证系统的三重化配置特性。 以GMR系统的三重化配置TMR为例（见图1）。它包含了三个独立的PLC以及运行在每个单独系统中的诊断程序。 在TMR配置中，三个CPU 中的每一个CPU通过三重化的Genius总线将逻辑状态送至输出子系统，Genius输出模块对三重化的输出数据进行表决。开关输出电路集成提供输出和负载状态诊断的电流、电压传感器信号，并做出综合分析。 目前90-70系列支持表决机制的CPU有789、790。他们才能用于GMR系统中，且支持高达2000个表决点。Genius网络具有如下的特点：  三个CPU之间有三条总线并行互连，保持通讯的安全。  有三组不同的输入，可接到不同的现场设备上，或接到一个现场设备上。  三组输入数据都传到同一个CPU上，有系统的表决机制。  GMR系统中采用标准的“H”型输出系统。  四个输出模块中，两个采用正逻辑输出，另外两个采用负逻辑输出模块。  每个输出模块均接受来自三个PLC的输出数据，在输出子系统中进行三取二表决。  GMR系统通过TUV认证，Class6，可以满足真正的无单点故障的系统。 2． GMR系统扩展与I/O模块连接 对于GMR系统而言，BTM/BRM模块可提供本地扩展方式，它能够提供机架之间的高速数据通讯，最大通讯速率500KBPS。而通过基于Genius网络的总线控制器GBC，可以进行远程机架扩展，在这个Genius网络上可以带多至30个远程机架，最大速率为153.6KBPS，最大距离2286米。远程机架可以直接挂Genius的I/O 模块，或者通过远程扫描模板与VersaMax I/O模块或FieldControl系列I/O模块相连。在钻井平台的井头控制柜中，都采用了远程+本地机架混合方式进行扩展，因为平台控制装置非常分散，采用GMR的灵活扩展方式可以在保证足够安全的同时，降低集成成本。 下面来介绍I/O的具体连接方式， （1）数字量输出子系统： Genius的数字量输出模块DO直接可以挂在Genius网络上，即直接和总线控制器模块GBC相连，DO模块提供了一类特有的输出组方式，其典型的一种为“H”型接法，连接方式如下， A、B、C三条Genius网络，如果在C网因故障断掉后，其他的Genius网络正常仍能保证指令的有效输出1，系统自动诊断故障并记录下来，提供故障解决的依据。上图的H型接法，每路输出需要四个输出模块，分别是两块正逻辑输出模块（Source模块，输出+12V），两块负逻辑输出模块（Sink模块，输出-12V）。从节省成本的角度出发，系统输出还提供另外两种简化的输出方式，分别是：（1）I型接法，需要一块正逻辑输出模块，一块负逻辑输出模块。（2）T型接法，需要两个正逻辑模块，一个负逻辑输出模块。根据系统设备的重要性可选择相应的输出方式，在平台输出模块中，这几种连接方式混合采用，且都能满足TUV的认证。 （2）数字量输入子系统： 和其它的连锁系统一样，采用三路Genius DI模块接入，通过Genius网络将每路采集信号传送到每个CPU，然后由CPU进行表决，按照3-2-0原则决定系统输入，即在三路信号均有效情况下，至少需保证两路输入信号一致，输出按其一致输出。若一路信号故障或者仅有两路输入时，系统将引入一路Duplex状态信号，然后再对这三种信号进行三取二表决。如果仅一路信号有效，则系统取默认状态输入。 其三取二的表决机制示意图： （3）模拟量输入子系统： GMR系统的模拟量输入模块，可以采用多种Fanuc公司旗下的产品系列，如Genius的AI模块、VersaMax AI模块、FieldControl AI模块。三个系列的产品根据一系列与PES技术相关标准，如：ANSI/ISA，IEC61508，DIN V19520，DIN/VDE 801，均能满足SIL3和DIN5/6级认证。充分体现了GMR系统的配置是相当灵活的，在这里我们采用了VersaMax的AI模块提供模拟输入信号。 VersaMax AI通过一块远程扫描模块（Genius Interface Unit）接入Genius总线网络，表决机制与DI模块相似，在三路Genius信号正常情况下，直接进行三选二表决，如果其中一路发生故障，则引入Duplex状态信号参与三选二表决，Duplex信号可以设为保持、最大或最小值。 每个CPU 模块执行同样的应用程序，并送出输出数据到Genius总线网上，从而控制现场设备。下图是GMR 系统CPU处理机制示意图， 在GMR系统中，PLC之间借助于Genius网络，可以直接通过全局数据交换（Global dada Messages）方式传输64个字长的数据，在系统逻辑需要时，采用此种方式可以实现跨石油平台的相关数据交换。因为在石油平台之间的距离往往是个问题，Genius 专用OZD模块实现Genius信号与光纤信号的转换，从而利用光通讯扩大Genius信号传输的距离。 3． GMR系统监控实现 3.1 与DeltaV系统通讯 如图5所示，90-70系列CPU可外挂CMM 模块，CMM提供两个485的接口，其支持四种串行串行协议，分别是SNP、SNP-X、CCM和RTU。RTU是一种支持Modbus的远程终端单元协议，GMR方仅能作为从方。DeltaV系统作为主方，通过一对冗余的串卡和GMR系统相连。 DeltaV系统通过两台控制站，分别是工程师站和应用站对GMR系统传输过来的数据进行监视和控制。 3.2 HMI人机界面 通过扩展以太网通讯模块，将GMR系统与CIMPLICITY HMI人机接面相连。HMI提供了对GMR系统的全面监控。CIMPLICITY HMI支持双重化和三重化配置，可以处理来自所有PLC的数据，并且仿真实际的PLC执行的表决过程。 4． 总结 GMR系统为海上石油平台提供了紧急停车系统（ESD）和火灾气体保护系统（F&G）。ESD系统需要常使能信号，而F&G系统，通常是常闭合信号。 以F&G系统为例，GMR系统持续监控包括热度，烟尘以及突变气体警报在内的环境变量还包括UV/IR火警探测器和易燃及有毒气体探测器，可以提供失效安全或容错技术来采集报警信息，并通过表决机制来处理它。在任意一个可变的值输出报警时，输出子系统会自动关断操作阀门和风门，切断电源，释放处理气体并激活灭火释放系统。 GMR I/O模块的电压和电流传感器不断的提供输出和负载诊断，GMR能自动地识别系统故障，并自动的进行补偿。允许在不停车的情况下对其实施维修和更换。故障由软件报警器输出，可以提供系统故障报告，并记录于故障表中，提交到HMI界面显示。 GMR完善的表决机制和灵活的系统扩展功能为石油平台的ESD系统和F&G系统提供了完善的解决方案，保证了石油平台的安全高效运行。 Application of Fanuc GMR system In Offshore Oil Platform Abstract: Genius modular Redundancy System is based on Genius buses model, for using in platform ESD System and Fire & Gas System, triplex voting of GMR system linking type of output and input I/O subsystem and the realization of the global monitor system are presented in detail. Keyword: GMR ; Triplex voting ; Genius buses ; F&G ; ESD ; （张继承 赵士城 石红瑞）