1 压气站场GMR系统的组成和作用
GMR系统由CPU冗余、输入传感器冗余、输出冗余三部分组成。基于已有的90-70系列和Genius I/O技术，可配置成单重化、双重化和三重化系统。CPU一般配置成双重或三重冗余，该系统可以具有容错功能，每一个系统都能独立处理数据。运行时，生成的数据在两台处理器中进行比较。图1是GMR系统基本组成图，CPU与I/O模块间采用Genius总线通信。GMR系统一般涵盖从传感器到终端元件的所有元件，包括传感器、输入电路、逻辑控制器、输出电路、终端元件、电源及附属元件（如接线端子、安全栅、电缆等）等。

图1 压缩机紧急关断模块冗余（GMR）系统示意图
在石油天然气管道压缩机控制系统中，常用的GMR系统传感(变送)器信号有以下几种[1,2]：
1)压力信号：压力变送器；
2)温度信号：热电偶，热电阻；
3)流量信号：节流装置，流量计等；
4)液位信号：液位开关，浮筒等液位变送器。
三个离散通道输入：三选二机制。出现通道异常情况下，引入两个状态量，如果只有两个好的输入通道可用，双冗余状态量（duplex state）被使用，如果只有一个输入通道可用，则引入默认状态。如果三通道中有一个通道失效，则GMR软件使用组态中的已设定的双重表决值来替代第三个实际输入，再进行三选二；如果三通道中有两个通道失效，表决不进行，是第三个通道的值还是默认的状态被选用，取决于GMR软件中为输入组组态好的表决适应模式。具体为采用3-2-1-0表决模式时，GMR软件采用1选1模式，即提供给应用程序的输入量为第三个通道的值。采用3-2-0表决方式，则选用默认量为该输入应用程序使用值。
单个离散通道输入：对于一个非表决的输入组，实际输入可直接提供给应用程序使用。对于一个有表决的输入组，表决模式应设置为3-2-1-0.
Genius输出模块冗余：一般有H-模式组、I-模式组和T-模式组三种方式。对于离散输出量，GMR系统软件不起冗余表决作用，而在相应的模块进行表决。Genius模拟量输出模块不支持冗余表决。在一个CPU扫描周期内对输出扫描过程中，CPU发送非表决数据和物理输出到Genius模块。
压缩机模块冗余紧急关断系统（Genius Modular Redundancy）是压气站场压缩机控制系统的重要组成部分，当压缩机运行出现紧急情况时，GMR系统能提前预警，必要时迅速实现压缩机的保压停车和泄压停车，避免喘振等对机组造成的损坏。本文以川气东送各压气站PCL503压缩机运行维护经验为基础，从输入传感器、ESD PLC、I/O模块和主要执行机构（防喘振阀、电动阀）着手，总结压缩机紧急关断模块冗余系统常见的故障，提出对应的处理对策。
2 输入传感器故障
常见故障1：压力变送器故障
实例：某压气站压缩机进口汇管压变PIT205（精度：0.075级）在停机状态压变值达到9.1Mpa，发现异常后，对比现场与HMI读数都为9.1Mpa，怀疑变送器本身故障，拆开后盖检查发现接线端子进水。烘干后，读数恢复正常。某压气站出站压变PIT103无显示，现场测负极线接地，经维修厂家检测后发现是传感器损坏，更换传感器后恢复正常。某压气站本地分输压变就地读数模糊不清，重新插拔表头后无变化，更换新表头读数显示正常。

图2 压力变送器现场图
    解决方法：
压变一般采用两线制接法。变送器常见“故障”，表现为现场和HMI读数一致都异常，现场和HMI都无读数。排除故障的方法，首先从接线回路考虑，看是否有接线松动、供电异常、短路、断路、接地发生。当排除以上可能原因后，需拆开变送器本身，检查是否电子元件、接线端子是否进水。检查变送器设置，设置不正确会导致读数不正常。上述措施无效后，应考虑探头本身存在故障。
常见故障2：压缩机3500振动探头读数异常
某压气站压缩机B机组在14年10月21日启机过程中，发现本特利加速度50卡有红色bypass报警，25卡有ok绿灯闪亮。正常情况为50卡无旁路报警，25卡ok绿灯常亮。
解决方法：
HMI探头无读数情况：先检查机柜端3500机架卡件是否故障，卡件ok灯是否快速闪亮（每秒亮5次）或者有红色bypass（旁路）报警。若有，初步判断该卡件及附属的探头回路可能存在异常。断开I/O背板现场设备端，自检卡件（如下图），若通过自检，卡件本身无问题，再接上现场设备端，若自检通不过，说明故障来自探头控制回路。检查去现场的接线是否有松动存在短路或断路现象，压缩机现场侧排查前置放大器、探头是否故障。
HMI探头有读数但不准确情况：需对探头至机柜控制回路进行现场校准。所需工具：万用表、TK-3e一台，5m延长线、7m延长线、直径8mm本特利探头0.5m一个，2m一个，220v电源。
径向振动测试：
先检查现场接线箱接线，撤下需要测试的现场振动探头与前置器之间接线，将TK-3e上的探头用相应长度的延长线与该接线端子连接。
UCP机柜合上开关端子，调整TK-3e上的探头位置使测量基准点在-10.00v左右（信号中间值在-10附近），后台准备妥当后，开始测试。
按照探头的量程、报警值、跳车值选择测试点，缓慢移动探头位置，先从低到高测，看是否在报警值报警，达到跳车值时是否跳车，重复一次。
测试完成恢复原接线。

图3 键相25卡故障后模块自检
位移测试：
先检查现场接线箱接线，撤下需要测试的现场振动探头与前置器之间接线，将TK-3e上的位移探头用相应长度的延长线与该接线端子连接。
UCP机柜合上开关端子，调整TK-3e上的探头位置使测量基准点在-10.00v左右（信号中间值在-10附近），后台准备妥当后，开始测试。
按照探头的量程、报警值、跳车值选择测试点，缓慢移动探头位置，从低到高测，看是否在报警值报警，达到跳车值时是否跳车。记录现场实际位移与反馈给后台的位移间的偏差。
回到基准点，反方向移动探头，从低到高测，看是否在报警值报警，达到跳车值时是否跳车。记录现场实际位移与反馈给后台的位移间的偏差。
测试完成恢复原接线。
若测试成功，说明前置放大器至机柜端回路正常，不能正常显示原因应为探头本身。需对探头进行线性灵敏度测试（表1）。
总之，查明故障点后，探头异常的处理方法有：
卡件本身损坏，更换卡件，重新组态并安装测试；
机柜内安全隔离栅烧毁，更换隔离栅；
若回路有接地短路现象，更换电缆；
前置放大器损坏更换相应规格前置放大器；
探头松动导致读数不准，重新安装探头，探头发生碰磨损坏，更换探头。

GAP
OUTPUT
ISFn ERROR
ISFn

(MM)
(-VOLT)
(-10 to 10 %)
(V/mm)

0.25
2.140
-
-

0.50
4.089
-0.940
7.80

0.75
6.060
0.178
7.88

1.00
8.015
-0.635
7.82

1.25
9.956
-1.347
7.76

1.50
11.878
-2.313
7.69

1.75
13.804
-2.109
7.70

2.00
15.713
-2.973
7.64

2.25
17.651
-1.499
7.75

Average Scale Factor (ASF)(V/mm)
7.7555

The following specifications apply at 22C  with a Bently Nevada
supplied AISI 4140 steel target

Average Scale Factor (ASF)(V/mm)
7.48~8.26

Incremental Scale Factor(ISF)(V/mm)
7.12~8.62

表1 某一3300 XL*8mm探头灵敏度测试结果
常见故障3：液位计显示异常
压缩机系统共有4套液位计，高位油箱LIT130A/B,润滑油撬撬体LIT301A/B。
以高位油箱液位为例，正常启机前需保证该液位大于等于60%。当液位计显示异常时，需对该液位计进行标定。因设备限制，无法就地做标定，架设标定浮筒模拟实际装置对液位计进行测试。标定浮筒用油为润滑油撬使用油。试验开始前，先通过计算确定浮子与上部固定点之间距离。
工具：万用表、Fluke 744、HART375
标定步骤：
在浮筒外部标记校准点：100%,60%（与报警值相关）,0%,百分数表示浮子浸没的深度。在浮筒底部开口用透明软管连接，根据U形管原理观察浮筒油位。
拆开液位计电子显示表，找出控制回路，将744接入回路，设置744使其提供24V电源，744上显示出回路中的信号电流值（4ma-20ma）。
将HART375接入回路，选择online模式，更改仪表自身HART375在4MA和20MA的设定值,在0%液位，在HART375中设定该点为4MA值，将油加到100%液位，在HART375中设定该点为20MA值。
出厂前标定液位计的介质是水（密度1），而现场介质为油（密度0.82）。因此在现场标定的过程中，将375仪表的标定密度改为了0.82。
当仪表显示浸没深度大于100%，从软管放油至100%油位，确认HART375也在100%附近后，将该点设置成20ma。
校好量程后，核对在特定点60%，仪表显示的电流值是否在13.6ma附近。

图4 标定液位计装置
3 GENIUS I/O模块故障
3.1 输入I/O模块
表2 离散输入模块Block 1&2
模拟量的输入表决（Block5、6、7）方式与上述离散数字量类似,不同之处是三选二选取的是中间值，异常情况下，双冗余状态量为最低值、最高值或平均值，默认状态为保持最后值，最小值或最高值。不再赘述.

表3 模拟量输入模块Block5&6&7
从上表可看出，压缩机驱动端、非驱动端主泄漏压力、润滑油油头和干气密封隔离气压力模拟量冗余特点为：传感器三倍冗余，GMR输入Block单倍冗余，PLC双重冗余，在GMR程序内进行三选二表决，不考虑经济因素，严格意义上输入Block需要三倍冗余，整个系统的冗余程度才能达到真正的3级安全完整性等级(SIL3)。
3.2 输出I/O模块
 ESD 输出I/O模块组为I-模式组包含包含1个源型Block3（IC660BBD020,16通道I/O24 VDC Source）和1个漏型Block4（IC660BBD021,16通道I/O24 VDC Sink）的Genius直流I/O模块。该模块组中两个模块在不同的总线上，两模块具有相同的输出地址，每个模块都从ESD PLC-A和ESD PLC-B处获得输出命令，每一模块都能控制负载。因其安全冗余高，广泛使用在”失效安全“的应用中，模块失效时将负载关闭。

图5 通道数字量输出
压气站用于紧急关断的离散数字量

表4 输出模块Block3&4
对双冗余ESD PLC系统，当离散都输出时，block选取自身已设置的双冗状态为第三个输出，3选2进行表决（见下图）。Block3&4所有通道双冗状态皆为OFF（0）状态，默认状态同样为0。需要特别之处的，当任一PLC输出为0，都会导致模块输出为0，继而触发ESD泄压跳车联锁。
          
图6 双PLC在线双冗余状态为0时模块表决图   图7 单PLC在线模块表决输出图
一般来讲，常见的离散输出故障有：无负载、短路、过载、过热、开关失效[1]。当确定是Genius输出模块本身故障影响功能时，需更换该模块组并对其进行组态。组态是通过Genius手操器完成的，block3和block4组态完全相同，下图是block3的组态。
用手操器连接Genius模块，即可对整条总线上的Ｉ/O模块各通道进行数据监视，强制；通过适当设置后，还可对模块进行组态。

图8 I-模块组组态
4 ESD PLC故障排查
4.1 PLC故障实例
实例1：
某压气站2014年11月28日压缩机B机组ESD PLC-B与HMI失去通信，HMI系统界面显示该PLC控制器CPU硬件失败。检查该PLC状态灯发现CPU OK灯熄灭，RUN状态灯熄灭，ENABLED常绿灯熄灭。
实例2：
某压气站2014年10月22日压缩机A机组出现紧急放空停车信号，在所有启机条件满足后，放空信号仍没有消失。现场检查确定引起放空停车联锁的三个条件：站控1级ESD触发，压缩机驱动端主泄放压力高高报PAHH160和非驱动端泄放压力高高报PAHH163都未被触发。经查是ESD PLC-B死机导致该PLC输出异常。
实例3：
某压气站2014年7月7日C机组UCP机柜内ESD  PLC（Rack9）启动失败，HMI产生一个“ESD PLC 与以太网连接失败”的报警，用调试本复位后恢复正常；
4.2 解决方法
GMR系统中的PLC和I/O故障表工作模式和非GMR系统一致。错误能够在编程软件中在线或监视状态中被显示。
当PLC处于在线状态时，清除一个GMR系统中故障列表的方法如下，
清除单个PLC的故障列表：在至少一个PLC扫描周期内将参考变量%M12259设为1。
清除所有PLC的故障列表：在任何单个PLC中以至少一个PLC扫描周期的时间将%M12264设为1。
清除所有PLC中I/O和对应的故障触点的故障列表：在任何单个PLC中以至少一个PLC扫描周期的时间将%M12258设为1。
一般通过上述点强制后，已不存在的故障会复位。若强制后经过若干CPU扫描周期，故障报警重新出现，且影响压缩机控制功能时，需要重新下装程序。
具体为，重新上传ESD PLC-A和ESD PLC-B硬件组态，清除故障列表后，上传各自PLC备份控制程序，激活应用程序输出信号功能，完成程序下装。

图9 ESD PLC硬件失败报警
5 输出执行机构故障
常见故障1：防喘阀不能准确动作
5.1问题描述
在电磁阀带电的情况下，FV201的开关动作都是由定位器控制的。上位机下发一个4-20mA的电信号，电信号成比例地转换成气动信号，从而也就成比例地调节了三位三通阀。 随此调节，由气阀向执行器送气或排气的气道的横截面面积也被改变，阀门开始动作。 位置反馈模块将阀位状态反馈回CPU，当反馈值与设定值小于容差带（灵敏度极限.3...10 %）时，说明阀门动作到位，保持三位三通阀在中间位置关闭气路。
体积放大器与装在控制阀上的定位器一起使用来增加冲程速度。

图10 防喘阀执行机构

图11 防喘阀开关阀原理图
定位器出现无法准确动作时，首先选择在现场手动操作盘按厂家提供的操作说明进行自整定。一般自整定结束后，定位器内置芯片会自动设定定位器控制的比例时间、积分时间等参数。若因各种原因无法完成自整定，导致定位器无输出气源，现场阀门无反应。可采取下述步骤手动完成参数整定。
某压气站防喘阀FV201B附属定位器出现但阀门不能正确动作，现场也无法完成自整定。
5.2解决方法
考虑到外部因素例如气路若出现漏点、驱动气源不符合要求均可能导致自检不合格。在排除上述情况后，阀门仍不能正确动作。自整定到40步出现CALC_Err报警，自检无法进行。查阅相关技术资料，判定为直行程角度±30°超过额定±29°范围。对该定位器实施手动整定。

图12 某型号定位器原理图

图13 定位器与控制中心交互的接线端子
常见故障2：电动阀门误动作或不动作
5.3、接线盒受潮或进水
受潮或进水的原因有：1.接线盒端盖出进水。2.从电缆进线的格兰头处进水。
解决方法：
1.定期更换端盖的密封圈。2.检查电缆进线：在施工过程中，施工队伍对电缆剥皮过长，从格兰头处穿过的只是几根线，格兰头的密封圈没有起到密封效果。解决方法：把多余的电线剪除，至少要使得电缆穿过格兰头密封圈，然后接线。
5.4电动头动力电缺相报警
问题描述
某压气站压缩机进口ROV202A和出口球阀ROV204A（20寸）电动执行机构出现PHASE LOST报警，检查电压是否正确，有无缺相，经检查发现无缺相。
解决方法：
经询问厂家，猜测是内部电路板内两个大电阻烧坏或主板问题。
1、拆开电动执行机构，检查内部电路板内两个大电阻（R9和R11），测其电阻81kΩ左右，是完好的；
2、因为该站C机组暂时不用，决定让ROV204A与ROV204C更换主板，ROV202A与ROV202C更换主板，保留主板上芯片，因为芯片内存储有阀的数据；
3、更换完主板安装完芯片后，装好电动执行机构，上电，无此缺相报警。

图14 某电动阀门执行机构主板
6结束语
针对压缩机UCS子系统GMR系统常见故障导致压缩机异常停机问题，从检测元件、CPU处理器、I/O模块和输出执行机构等方面，分析变送器、3500振动探头、液位计等传感器、喘振阀定位器不准确动作和电动执行机构常见故障和解决方法；阐述GMR系统ESD PLC冗余表决机理和故障后处置措施；给出了更换I/O模块手操器组态步骤。上述方法可为其他类似站场快速排查并解决压缩机GMR异常提供参考依据。作为保障压缩机及附属设备本质安全的核心ESD系统，GMR模块冗余系统的稳定性由多方面因素共同决定，从GMR系统的设计、产品的选型和安装，到日常的定期维护和按章操作等，需要及时发现各环节隐患，做到层层把关，将不稳定因素纳入重点监控治理范围，才能有效地降低GMR系统故障导致的异常停机。

参考文献
[1] 王学超，紧急停车系统安全性及可用性若干问题探讨[J]。石油化工自动化，2004，1：7
[2] 廖珈博，曹志柱，郭渠江，川气东送管道站场ESD 系统误触发原因及对策[J]。油气储运。2014年6月33卷
[3] Genius Modular Redundancy User’s Manual,GFK-1277E,June 2007