GE Fanuc GMR在海上石油平臺的應(yīng)用
摘要：GMR是一套基于Genius總線模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)，為石油平臺的緊急停車系統(tǒng)和火災(zāi)氣體保護(hù)系統(tǒng)提供了完善的解決方案。本文詳述了GMR 系統(tǒng)的三重表決機(jī)制，輸入輸出I/O子系統(tǒng)的連接方式，全局監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： GMR ; 三重表決 ; Genius總線 ; 火災(zāi)和氣體保護(hù)系統(tǒng) ; 緊急停車系統(tǒng)
GE Fanuc公司使用標(biāo)準(zhǔn)的PLC系統(tǒng)，面向緊急停車系統(tǒng)ESD和火災(zāi)氣體保護(hù)系統(tǒng)F&G開發(fā)了一套三重化的冗余控制系統(tǒng)解決方案，被稱為Genius模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)（GMR）。它有90-70系列CPU和Genius輸入輸出模塊及其他系列的部分模塊構(gòu)成。其配置方案可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，它允許用戶根據(jù)希望得到的流程風(fēng)險(xiǎn)降低的程度來改變系統(tǒng)的冗余級別。TUV根據(jù)DIN19250/DINVVDE0801標(biāo)準(zhǔn)，給予了GMR系統(tǒng)三取二系統(tǒng)，二選一系統(tǒng)，六級認(rèn)證。所以海洋石油鉆井平臺選擇了GMR系統(tǒng)作為整個(gè)平臺的緊急停車系統(tǒng)和火災(zāi)氣體保護(hù)系統(tǒng)。
1． Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)（GMR）
GMR系統(tǒng)的靈活性體現(xiàn)在，它可以提供從輸入模塊通過兩個(gè)或三個(gè)CPU處理器到輸出模塊的各種冗余組合。這種靈活性意味著當(dāng)單重化系統(tǒng)或雙重化系統(tǒng)操作時(shí)，可以配置使用較少的輸入和輸出信號但同時(shí)保證系統(tǒng)的三重化配置特性。
以GMR系統(tǒng)的三重化配置TMR為例（見圖1）。它包含了三個(gè)獨(dú)立的PLC以及運(yùn)行在每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)中的診斷程序。
在TMR配置中，三個(gè)CPU 中的每一個(gè)CPU通過三重化的Genius總線將邏輯狀態(tài)送至輸出子系統(tǒng)，Genius輸出模塊對三重化的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行表決。開關(guān)輸出電路集成提供輸出和負(fù)載狀態(tài)診斷的電流、電壓傳感器信號，并做出綜合分析。
目前90-70系列支持表決機(jī)制的CPU有789、790。他們才能用于GMR系統(tǒng)中，且支持高達(dá)2000個(gè)表決點(diǎn)。Genius網(wǎng)絡(luò)具有如下的特點(diǎn)：
三個(gè)CPU之間有三條總線并行互連，保持通訊的安全。
有三組不同的輸入，可接到不同的現(xiàn)場設(shè)備上，或接到一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備上。
三組輸入數(shù)據(jù)都傳到同一個(gè)CPU上，有系統(tǒng)的表決機(jī)制。
GMR系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)的“H”型輸出系統(tǒng)。
四個(gè)輸出模塊中，兩個(gè)采用正邏輯輸出，另外兩個(gè)采用負(fù)邏輯輸出模塊。
每個(gè)輸出模塊均接受來自三個(gè)PLC的輸出數(shù)據(jù)，在輸出子系統(tǒng)中進(jìn)行三取二表決。
GMR系統(tǒng)通過TUV認(rèn)證，Class6，可以滿足真正的無單點(diǎn)故障的系統(tǒng)。
2． GMR系統(tǒng)擴(kuò)展與I/O模塊連接
對于GMR系統(tǒng)而言，BTM/BRM模塊可提供本地?cái)U(kuò)展方式，它能夠提供機(jī)架之間的高速數(shù)據(jù)通訊，最大通訊速率500KBPS。而通過基于Genius網(wǎng)絡(luò)的總線控制器GBC，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程機(jī)架擴(kuò)展，在這個(gè)Genius網(wǎng)絡(luò)上可以帶多至30個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)架，最大速率為153.6KBPS，最大距離2286米。遠(yuǎn)程機(jī)架可以直接掛Genius的I/O 模塊，或者通過遠(yuǎn)程掃描模板與VersaMax I/O模塊或FieldControl系列I/O模塊相連。在鉆井平臺的井頭控制柜中，都采用了遠(yuǎn)程+本地機(jī)架混合方式進(jìn)行擴(kuò)展，因?yàn)槠脚_控制裝置非常分散，采用GMR的靈活擴(kuò)展方式可以在保證足夠安全的同時(shí)，降低集成成本。
下面來介紹I/O的具體連接方式，
（1）數(shù)字量輸出子系統(tǒng)：
Genius的數(shù)字量輸出模塊DO直接可以掛在Genius網(wǎng)絡(luò)上，即直接和總線控制器模塊GBC相連，DO模塊提供了一類特有的輸出組方式，其典型的一種為“H”型接法，連接方式如下，
A、B、C三條Genius網(wǎng)絡(luò)，如果在C網(wǎng)因故障斷掉后，其他的Genius網(wǎng)絡(luò)正常仍能保證指令的有效輸出1，系統(tǒng)自動(dòng)診斷故障并記錄下來，提供故障解決的依據(jù)。上圖的H型接法，每路輸出需要四個(gè)輸出模塊，分別是兩塊正邏輯輸出模塊（Source模塊，輸出+12V），兩塊負(fù)邏輯輸出模塊（Sink模塊，輸出-12V）。從節(jié)省成本的角度出發(fā)，系統(tǒng)輸出還提供另外兩種簡化的輸出方式，分別是：（1）I型接法，需要一塊正邏輯輸出模塊，一塊負(fù)邏輯輸出模塊。（2）T型接法，需要兩個(gè)正邏輯模塊，一個(gè)負(fù)邏輯輸出模塊。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的重要性可選擇相應(yīng)的輸出方式，在平臺輸出模塊中，這幾種連接方式混合采用，且都能滿足TUV的認(rèn)證。
?。?）數(shù)字量輸入子系統(tǒng)：
和其它的連鎖系統(tǒng)一樣，采用三路Genius DI模塊接入，通過Genius網(wǎng)絡(luò)將每路采集信號傳送到每個(gè)CPU，然后由CPU進(jìn)行表決，按照3-2-0原則決定系統(tǒng)輸入，即在三路信號均有效情況下，至少需保證兩路輸入信號一致，輸出按其一致輸出。若一路信號故障或者僅有兩路輸入時(shí)，系統(tǒng)將引入一路Duplex狀態(tài)信號，然后再對這三種信號進(jìn)行三取二表決。如果僅一路信號有效，則系統(tǒng)取默認(rèn)狀態(tài)輸入。
其三取二的表決機(jī)制示意圖：
?。?）模擬量輸入子系統(tǒng)：
GMR系統(tǒng)的模擬量輸入模塊，可以采用多種Fanuc公司旗下的產(chǎn)品系列，如Genius的AI模塊、VersaMax AI模塊、FieldControl AI模塊。三個(gè)系列的產(chǎn)品根據(jù)一系列與PES技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如：ANSI/ISA，IEC61508，DIN V19520，DIN/VDE 801，均能滿足SIL3和DIN5/6級認(rèn)證。充分體現(xiàn)了GMR系統(tǒng)的配置是相當(dāng)靈活的，在這里我們采用了VersaMax的AI模塊提供模擬輸入信號。
VersaMax AI通過一塊遠(yuǎn)程掃描模塊（Genius Interface Unit）接入Genius總線網(wǎng)絡(luò)，表決機(jī)制與DI模塊相似，在三路Genius信號正常情況下，直接進(jìn)行三選二表決，如果其中一路發(fā)生故障，則引入Duplex狀態(tài)信號參與三選二表決，Duplex信號可以設(shè)為保持、最大或最小值。
每個(gè)CPU 模塊執(zhí)行同樣的應(yīng)用程序，并送出輸出數(shù)據(jù)到Genius總線網(wǎng)上，從而控制現(xiàn)場設(shè)備。下圖是GMR 系統(tǒng)CPU處理機(jī)制示意圖，
在GMR系統(tǒng)中，PLC之間借助于Genius網(wǎng)絡(luò)，可以直接通過全局?jǐn)?shù)據(jù)交換（bbbbbb dada Messages）方式傳輸64個(gè)字長的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)邏輯需要時(shí)，采用此種方式可以實(shí)現(xiàn)跨石油平臺的相關(guān)數(shù)據(jù)交換。因?yàn)樵谑推脚_之間的距離往往是個(gè)問題，Genius 專用OZD模塊實(shí)現(xiàn)Genius信號與光纖信號的轉(zhuǎn)換，從而利用光通訊擴(kuò)大Genius信號傳輸?shù)木嚯x。
3． GMR系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)
3.1 與DeltaV系統(tǒng)通訊
如圖5所示，90-70系列CPU可外掛CMM 模塊，CMM提供兩個(gè)485的接口，其支持四種串行串行協(xié)議，分別是SNP、SNP-X、CCM和RTU。RTU是一種支持Modbus的遠(yuǎn)程終端單元協(xié)議，GMR方僅能作為從方。DeltaV系統(tǒng)作為主方，通過一對冗余的串卡和GMR系統(tǒng)相連。
DeltaV系統(tǒng)通過兩臺控制站，分別是工程師站和應(yīng)用站對GMR系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。
3.2 HMI人機(jī)界面
通過擴(kuò)展以太網(wǎng)通訊模塊，將GMR系統(tǒng)與CIMPLICITY HMI人機(jī)接面相連。HMI提供了對GMR系統(tǒng)的全面監(jiān)控。CIMPLICITY HMI支持雙重化和三重化配置，可以處理來自所有PLC的數(shù)據(jù)，并且仿真實(shí)際的PLC執(zhí)行的表決過程。
4． 總結(jié)
GMR系統(tǒng)為海上石油平臺提供了緊急停車系統(tǒng)（ESD）和火災(zāi)氣體保護(hù)系統(tǒng)（F&G）。ESD系統(tǒng)需要常使能信號，而F&G系統(tǒng)，通常是常閉合信號。
以F&G系統(tǒng)為例，GMR系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控包括熱度，煙塵以及突變氣體警報(bào)在內(nèi)的環(huán)境變量還包括UV/IR火警探測器和易燃及有毒氣體探測器，可以提供失效安全或容錯(cuò)技術(shù)來采集報(bào)警信息，并通過表決機(jī)制來處理它。在任意一個(gè)可變的值輸出報(bào)警時(shí)，輸出子系統(tǒng)會自動(dòng)關(guān)斷操作閥門和風(fēng)門，切斷電源，釋放處理氣體并激活滅火釋放系統(tǒng)。
GMR I/O模塊的電壓和電流傳感器不斷的提供輸出和負(fù)載診斷，GMR能自動(dòng)地識別系統(tǒng)故障，并自動(dòng)的進(jìn)行補(bǔ)償。允許在不停車的情況下對其實(shí)施維修和更換。故障由軟件報(bào)警器輸出，可以提供系統(tǒng)故障報(bào)告，并記錄于故障表中，提交到HMI界面顯示。
GMR完善的表決機(jī)制和靈活的系統(tǒng)擴(kuò)展功能為石油平臺的ESD系統(tǒng)和F&G系統(tǒng)提供了完善的解決方案，保證了石油平臺的安全高效運(yùn)行。
關(guān)鍵詞： GMR ; 三重表決 ; Genius總線 ; 火災(zāi)和氣體保護(hù)系統(tǒng) ; 緊急停車系統(tǒng)
GE Fanuc公司使用標(biāo)準(zhǔn)的PLC系統(tǒng)，面向緊急停車系統(tǒng)ESD和火災(zāi)氣體保護(hù)系統(tǒng)F&G開發(fā)了一套三重化的冗余控制系統(tǒng)解決方案，被稱為Genius模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)（GMR）。它有90-70系列CPU和Genius輸入輸出模塊及其他系列的部分模塊構(gòu)成。其配置方案可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，它允許用戶根據(jù)希望得到的流程風(fēng)險(xiǎn)降低的程度來改變系統(tǒng)的冗余級別。TUV根據(jù)DIN19250/DINVVDE0801標(biāo)準(zhǔn)，給予了GMR系統(tǒng)三取二系統(tǒng)，二選一系統(tǒng)，六級認(rèn)證。所以海洋石油鉆井平臺選擇了GMR系統(tǒng)作為整個(gè)平臺的緊急停車系統(tǒng)和火災(zāi)氣體保護(hù)系統(tǒng)。
1． Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)（GMR）
GMR系統(tǒng)的靈活性體現(xiàn)在，它可以提供從輸入模塊通過兩個(gè)或三個(gè)CPU處理器到輸出模塊的各種冗余組合。這種靈活性意味著當(dāng)單重化系統(tǒng)或雙重化系統(tǒng)操作時(shí)，可以配置使用較少的輸入和輸出信號但同時(shí)保證系統(tǒng)的三重化配置特性。
以GMR系統(tǒng)的三重化配置TMR為例（見圖1）。它包含了三個(gè)獨(dú)立的PLC以及運(yùn)行在每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)中的診斷程序。
在TMR配置中，三個(gè)CPU 中的每一個(gè)CPU通過三重化的Genius總線將邏輯狀態(tài)送至輸出子系統(tǒng)，Genius輸出模塊對三重化的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行表決。開關(guān)輸出電路集成提供輸出和負(fù)載狀態(tài)診斷的電流、電壓傳感器信號，并做出綜合分析。
目前90-70系列支持表決機(jī)制的CPU有789、790。他們才能用于GMR系統(tǒng)中，且支持高達(dá)2000個(gè)表決點(diǎn)。Genius網(wǎng)絡(luò)具有如下的特點(diǎn)：
三個(gè)CPU之間有三條總線并行互連，保持通訊的安全。
有三組不同的輸入，可接到不同的現(xiàn)場設(shè)備上，或接到一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備上。
三組輸入數(shù)據(jù)都傳到同一個(gè)CPU上，有系統(tǒng)的表決機(jī)制。
GMR系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)的“H”型輸出系統(tǒng)。
四個(gè)輸出模塊中，兩個(gè)采用正邏輯輸出，另外兩個(gè)采用負(fù)邏輯輸出模塊。
每個(gè)輸出模塊均接受來自三個(gè)PLC的輸出數(shù)據(jù)，在輸出子系統(tǒng)中進(jìn)行三取二表決。
GMR系統(tǒng)通過TUV認(rèn)證，Class6，可以滿足真正的無單點(diǎn)故障的系統(tǒng)。
2． GMR系統(tǒng)擴(kuò)展與I/O模塊連接
對于GMR系統(tǒng)而言，BTM/BRM模塊可提供本地?cái)U(kuò)展方式，它能夠提供機(jī)架之間的高速數(shù)據(jù)通訊，最大通訊速率500KBPS。而通過基于Genius網(wǎng)絡(luò)的總線控制器GBC，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程機(jī)架擴(kuò)展，在這個(gè)Genius網(wǎng)絡(luò)上可以帶多至30個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)架，最大速率為153.6KBPS，最大距離2286米。遠(yuǎn)程機(jī)架可以直接掛Genius的I/O 模塊，或者通過遠(yuǎn)程掃描模板與VersaMax I/O模塊或FieldControl系列I/O模塊相連。在鉆井平臺的井頭控制柜中，都采用了遠(yuǎn)程+本地機(jī)架混合方式進(jìn)行擴(kuò)展，因?yàn)槠脚_控制裝置非常分散，采用GMR的靈活擴(kuò)展方式可以在保證足夠安全的同時(shí)，降低集成成本。
下面來介紹I/O的具體連接方式，
（1）數(shù)字量輸出子系統(tǒng)：
Genius的數(shù)字量輸出模塊DO直接可以掛在Genius網(wǎng)絡(luò)上，即直接和總線控制器模塊GBC相連，DO模塊提供了一類特有的輸出組方式，其典型的一種為“H”型接法，連接方式如下，
A、B、C三條Genius網(wǎng)絡(luò)，如果在C網(wǎng)因故障斷掉后，其他的Genius網(wǎng)絡(luò)正常仍能保證指令的有效輸出1，系統(tǒng)自動(dòng)診斷故障并記錄下來，提供故障解決的依據(jù)。上圖的H型接法，每路輸出需要四個(gè)輸出模塊，分別是兩塊正邏輯輸出模塊（Source模塊，輸出+12V），兩塊負(fù)邏輯輸出模塊（Sink模塊，輸出-12V）。從節(jié)省成本的角度出發(fā)，系統(tǒng)輸出還提供另外兩種簡化的輸出方式，分別是：（1）I型接法，需要一塊正邏輯輸出模塊，一塊負(fù)邏輯輸出模塊。（2）T型接法，需要兩個(gè)正邏輯模塊，一個(gè)負(fù)邏輯輸出模塊。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的重要性可選擇相應(yīng)的輸出方式，在平臺輸出模塊中，這幾種連接方式混合采用，且都能滿足TUV的認(rèn)證。
?。?）數(shù)字量輸入子系統(tǒng)：
和其它的連鎖系統(tǒng)一樣，采用三路Genius DI模塊接入，通過Genius網(wǎng)絡(luò)將每路采集信號傳送到每個(gè)CPU，然后由CPU進(jìn)行表決，按照3-2-0原則決定系統(tǒng)輸入，即在三路信號均有效情況下，至少需保證兩路輸入信號一致，輸出按其一致輸出。若一路信號故障或者僅有兩路輸入時(shí)，系統(tǒng)將引入一路Duplex狀態(tài)信號，然后再對這三種信號進(jìn)行三取二表決。如果僅一路信號有效，則系統(tǒng)取默認(rèn)狀態(tài)輸入。
其三取二的表決機(jī)制示意圖：
?。?）模擬量輸入子系統(tǒng)：
GMR系統(tǒng)的模擬量輸入模塊，可以采用多種Fanuc公司旗下的產(chǎn)品系列，如Genius的AI模塊、VersaMax AI模塊、FieldControl AI模塊。三個(gè)系列的產(chǎn)品根據(jù)一系列與PES技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如：ANSI/ISA，IEC61508，DIN V19520，DIN/VDE 801，均能滿足SIL3和DIN5/6級認(rèn)證。充分體現(xiàn)了GMR系統(tǒng)的配置是相當(dāng)靈活的，在這里我們采用了VersaMax的AI模塊提供模擬輸入信號。
VersaMax AI通過一塊遠(yuǎn)程掃描模塊（Genius Interface Unit）接入Genius總線網(wǎng)絡(luò)，表決機(jī)制與DI模塊相似，在三路Genius信號正常情況下，直接進(jìn)行三選二表決，如果其中一路發(fā)生故障，則引入Duplex狀態(tài)信號參與三選二表決，Duplex信號可以設(shè)為保持、最大或最小值。
每個(gè)CPU 模塊執(zhí)行同樣的應(yīng)用程序，并送出輸出數(shù)據(jù)到Genius總線網(wǎng)上，從而控制現(xiàn)場設(shè)備。下圖是GMR 系統(tǒng)CPU處理機(jī)制示意圖，
在GMR系統(tǒng)中，PLC之間借助于Genius網(wǎng)絡(luò)，可以直接通過全局?jǐn)?shù)據(jù)交換（bbbbbb dada Messages）方式傳輸64個(gè)字長的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)邏輯需要時(shí)，采用此種方式可以實(shí)現(xiàn)跨石油平臺的相關(guān)數(shù)據(jù)交換。因?yàn)樵谑推脚_之間的距離往往是個(gè)問題，Genius 專用OZD模塊實(shí)現(xiàn)Genius信號與光纖信號的轉(zhuǎn)換，從而利用光通訊擴(kuò)大Genius信號傳輸?shù)木嚯x。
3． GMR系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)
3.1 與DeltaV系統(tǒng)通訊
如圖5所示，90-70系列CPU可外掛CMM 模塊，CMM提供兩個(gè)485的接口，其支持四種串行串行協(xié)議，分別是SNP、SNP-X、CCM和RTU。RTU是一種支持Modbus的遠(yuǎn)程終端單元協(xié)議，GMR方僅能作為從方。DeltaV系統(tǒng)作為主方，通過一對冗余的串卡和GMR系統(tǒng)相連。
DeltaV系統(tǒng)通過兩臺控制站，分別是工程師站和應(yīng)用站對GMR系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。
3.2 HMI人機(jī)界面
通過擴(kuò)展以太網(wǎng)通訊模塊，將GMR系統(tǒng)與CIMPLICITY HMI人機(jī)接面相連。HMI提供了對GMR系統(tǒng)的全面監(jiān)控。CIMPLICITY HMI支持雙重化和三重化配置，可以處理來自所有PLC的數(shù)據(jù)，并且仿真實(shí)際的PLC執(zhí)行的表決過程。
4． 總結(jié)
GMR系統(tǒng)為海上石油平臺提供了緊急停車系統(tǒng)（ESD）和火災(zāi)氣體保護(hù)系統(tǒng)（F&G）。ESD系統(tǒng)需要常使能信號，而F&G系統(tǒng)，通常是常閉合信號。
以F&G系統(tǒng)為例，GMR系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控包括熱度，煙塵以及突變氣體警報(bào)在內(nèi)的環(huán)境變量還包括UV/IR火警探測器和易燃及有毒氣體探測器，可以提供失效安全或容錯(cuò)技術(shù)來采集報(bào)警信息，并通過表決機(jī)制來處理它。在任意一個(gè)可變的值輸出報(bào)警時(shí)，輸出子系統(tǒng)會自動(dòng)關(guān)斷操作閥門和風(fēng)門，切斷電源，釋放處理氣體并激活滅火釋放系統(tǒng)。
GMR I/O模塊的電壓和電流傳感器不斷的提供輸出和負(fù)載診斷，GMR能自動(dòng)地識別系統(tǒng)故障，并自動(dòng)的進(jìn)行補(bǔ)償。允許在不停車的情況下對其實(shí)施維修和更換。故障由軟件報(bào)警器輸出，可以提供系統(tǒng)故障報(bào)告，并記錄于故障表中，提交到HMI界面顯示。
GMR完善的表決機(jī)制和靈活的系統(tǒng)擴(kuò)展功能為石油平臺的ESD系統(tǒng)和F&G系統(tǒng)提供了完善的解決方案，保證了石油平臺的安全高效運(yùn)行。
本文標(biāo)簽：GE Fanuc GMR在海上石油平臺的應(yīng)用
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