摘要：GMR是一套基于Genius總線模塊式冗余容錯系統，為石油平臺的緊急停車系統和火災氣體保護系統提供了完善的解決方案。本文詳述了GMR 系統的三重表決機制，輸入輸出I/O子系統的連接方式，全局監控系統的實現。
關鍵詞： GMR ; 三重表決 ; Genius總線 ; 火災和氣體保護系統 ; 緊急停車系統
GE Fanuc公司使用標準的PLC系統，面向緊急停車系統ESD和火災氣體保護系統F&G開發了一套三重化的冗余控制系統解決方案，被稱為Genius模塊式冗余容錯系統（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成。其配置方案可根據系統規模，進行靈活的擴展，它允許用戶根據希望得到的流程風險降低的程度來改變系統的冗余級別。TUV根據DIN19250/DINVVDE0801標準，給予了GMR系統三取二系統，二選一系統，六級認證。所以海洋石油鉆井平臺選擇了GMR系統作為整個平臺的緊急停車系統和火災氣體保護系統。
1． Fanuc Genius模塊式冗余容錯系統（GMR）
GMR系統的靈活性體現在，它可以提供從輸入模塊通過兩個或三個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單重化系統或雙重化系統操作時，可以配置使用較少的輸入和輸出信號但同時保證系統的三重化配置特性。
以GMR系統的三重化配置TMR為例（見圖1）。它包含了三個獨立的PLC以及運行在每個單獨系統中的診斷程序。
在TMR配置中，三個CPU 中的每一個CPU通過三重化的Genius總線將邏輯狀態送至輸出子系統，Genius輸出模塊對三重化的輸出數據進行表決。開關輸出電路集成提供輸出和負載狀態診斷的電流、電壓傳感器信號，并做出綜合分析。
目前90-70系列支持表決機制的CPU有789、790。他們才能用于GMR系統中，且支持高達2000個表決點。Genius網絡具有如下的特點：
三個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，可接到不同的現場設備上，或接到一個現場設備上。
三組輸入數據都傳到同一個CPU上，有系統的表決機制。
GMR系統中采用標準的“H”型輸出系統。
四個輸出模塊中，兩個采用正邏輯輸出，另外兩個采用負邏輯輸出模塊。
每個輸出模塊均接受來自三個PLC的輸出數據，在輸出子系統中進行三取二表決。
GMR系統通過TUV認證，Class6，可以滿足真正的無單點故障的系統。
2． GMR系統擴展與I/O模塊連接對于GMR系統而言，BTM/BRM模塊可提供本地擴展方式，它能夠提供機架之間的高速數據通訊，最大通訊速率500KBPS。而通過基于Genius網絡的總線控制器GBC，可以進行遠程機架擴展，在這個Genius網絡上可以帶多至30個遠程機架，最大速率為153.6KBPS，最大距離2286米。遠程機架可以直接掛Genius的I/O 模塊，或者通過遠程掃描模板與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，都采用了遠程+本地機架混合方式進行擴展，因為平臺控制裝置非常分散，采用GMR的靈活擴展方式可以在保證足夠安全的同時，降低集成成本。
下面來介紹I/O的具體連接方式，
（1）數字量輸出子系統：
Genius的數字量輸出模塊DO直接可以掛在Genius網絡上，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網絡，如果在C網因故障斷掉后，其他的Genius網絡正常仍能保證指令的有效輸出1，系統自動診斷故障并記錄下來，提供故障解決的依據。上圖的H型接法，每路輸出需要四個輸出模塊，分別是兩塊正邏輯輸出模塊（Source模塊，輸出+12V），兩塊負邏輯輸出模塊（Sink模塊，輸出-12V）。從節省成本的角度出發，系統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，一塊負邏輯輸出模塊。（2）T型接法，需要兩個正邏輯模塊，一個負邏輯輸出模塊。根據系統設備的重要性可選擇相應的輸出方式，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的認證。
（2）數字量輸入子系統：
和其它的連鎖系統一樣，采用三路Genius DI模塊接入，通過Genius網絡將每路采集信號傳送到每個CPU，然后由CPU進行表決，按照3-2-0原則決定系統輸入，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，系統將引入一路Duplex狀態信號，然后再對這三種信號進行三取二表決。如果僅一路信號有效，則系統取默認狀態輸入。
其三取二的表決機制示意圖：
（3）模擬量輸入子系統：
GMR系統的模擬量輸入模塊，可以采用多種Fanuc公司旗下的產品系列，如Genius的AI模塊、VersaMax AI模塊、FieldControl AI模塊。三個系列的產品根據一系列與PES技術相關標準，如：ANSI/ISA，IEC61508，DIN V19520，DIN/VDE 801，均能滿足SIL3和DIN5/6級認證。充分體現了GMR系統的配置是相當靈活的，在這里我們采用了VersaMax的AI模塊提供模擬輸入信號。
VersaMax AI通過一塊遠程掃描模塊（Genius Interface Unit）接入Genius總線網絡，表決機制與DI模塊相似，在三路Genius信號正常情況下，直接進行三選二表決，如果其中一路發生故障，則引入Duplex狀態信號參與三選二表決，Duplex信號可以設為保持、最大或最小值。
每個CPU 模塊執行同樣的應用程序，并送出輸出數據到Genius總線網上，從而控制現場設備。下圖是GMR 系統CPU處理機制示意圖，
在GMR系統中，PLC之間借助于Genius網絡，可以直接通過全局數據交換（Global dada Messages）方式傳輸64個字長的數據，在系統邏輯需要時，采用此種方式可以實現跨石油平臺的相關數據交換。因為在石油平臺之間的距離往往是個問題，Genius 專用OZD模塊實現Genius信號與光纖信號的轉換，從而利用光通訊擴大Genius信號傳輸的距離。
3． GMR系統監控實現3.1 與DeltaV系統通訊
如圖5所示，90-70系列CPU可外掛CMM 模塊，CMM提供兩個485的接口，其支持四種串行串行協議，分別是SNP、SNP-X、CCM和RTU。RTU是一種支持Modbus的遠程終端單元協議，GMR方僅能作為從方。DeltaV系統作為主方，通過一對冗余的串卡和GMR系統相連。
DeltaV系統通過兩臺控制站，分別是工程師站和應用站對GMR系統傳輸過來的數據進行監視和控制。
3.2 HMI人機界面
通過擴展以太網通訊模塊，將GMR系統與CIMPLICITY HMI人機接面相連。HMI提供了對GMR系統的全面監控。CIMPLICITY HMI支持雙重化和三重化配置，可以處理來自所有PLC的數據，并且仿真實際的PLC執行的表決過程。
4． 總結GMR系統為海上石油平臺提供了緊急停車系統（ESD）和火災氣體保護系統（F&G）。ESD系統需要常使能信號，而F&G系統，通常是常閉合信號。
以F&G系統為例，GMR系統持續監控包括熱度，煙塵以及突變氣體警報在內的環境變量還包括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技術來采集報警信息，并通過表決機制來處理它。在任意一個可變的值輸出報警時，輸出子系統會自動關斷操作閥門和風門，切斷電源，釋放處理氣體并激活滅火釋放系統。
GMR I/O模塊的電壓和電流傳感器不斷的提供輸出和負載診斷，GMR能自動地識別系統故障，并自動的進行補償。允許在不停車的情況下對其實施維修和更換。故障由軟件報警器輸出，可以提供系統故障報告，并記錄于故障表中，提交到HMI界面顯示。
GMR完善的表決機制和靈活的系統擴展功能為石油平臺的ESD系統和F&G系統提供了完善的解決方案，保證了石油平臺的安全高效運行。
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 ;
（張繼承 趙士城 石紅瑞）
