1 压气站场GMR系统的组成和作用 GMR系统由CPU由冗余、输入传感器冗余和输出冗余组成。基于已有的90-70系列和Genius I/O该技术可配置为单重化、双重化和三重化系统。CPU一般配置为双重或三重冗余，该系统具有容错功能，每个系统都能独立处理数据。在运行过程中，在两个处理器中比较生成的数据。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、电源及辅助元件（如接线端子、安全栅、电缆等）。
图1 压缩机紧急关闭模块冗余（GMR）系统示意图 常用于石油天然气管道压缩机控制系统GMR[1，2]有以下系统传感器(变送器)信号： 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。 输入三个离散通道：三选两机制。当通道异常时，引入两个状态量。如果只有两个好的输入通道可用，则双冗余状态量（duplex state）如果只使用一个输入通道，则引入默认状态。如果三通道中的一个通道失效，GMR软件使用组态中设定的双重投票值取代第三个实际输入，然后选择第三个和第二个；如果三个通道中的两个通道失败，则根据第三个通道的值或默认状态选择表决GMR该软件是输入组组态良好的投票适应模式。采用3-2-1-0表决模式时，GMR该软件采用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，默认量为输入应用程序的使用值。 单个离散通道输入：对于非投票输入组，实际输入可直接提供给应用程序。投票模式应设置为3-2-1-0. Genius输出模块冗余：H-模式组、I-模式组和T-三种模式组。对于离散输出，GMR系统软件在相应的模块中表决，而不是冗余表决。Genius模拟输出模块不支持冗余表决。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Genius模块。 压缩机模块冗余紧急关闭系统（Genius Modular Redundancy）当压缩机运行紧急情况时，它是压缩机控制系统的重要组成部分，GMR系统可提前预警，必要时可快速实现压缩机的保压停车和减压停车，避免喘振等损坏。本文以川气东送压气站为基础PCL503压缩机运行维护经验为基础，从输入传感器、ESD PLC、I/O总结压缩机紧急关闭模块冗余系统的常见故障，并提出相应的处理对策。 2 输入传感器故障 常见故障1：压力变送器故障1 例:压缩机压缩机进口汇管压变PIT205（精度：0.075级，停机状态压变值9.1Mpa，发现异常后，与现场进行比较HMI读数都为9.1Mpa，怀疑变送器本身出现故障，拆下后盖检查发现接线端子进水。读数干燥后恢复正常。某压气站出站压变PIT103无显示，现场负极线接地，维修厂家发现传感器损坏，更换传感器后恢复正常。压气站本地分输压变读数模糊，重新插入表头后无变化，更换新表头读数正常。
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。变送器常见的故障是现场和HMI读数异常，现场和HMI都无读数。排除故障的方法，首先考虑接线电路，看是否有接线松动、供电异常、短路、断路、接地。排除上述可能原因后，应拆卸变送器本身，检查电子元件和接线端子是否进水。检查变送器设置，设置不当会导致读数异常。上述措施无效后，应考虑探头本身的故障。 常见故障2:压缩机3500振动探头读数异常 14年10月21日，压气站压缩机B机组发现本特利加速度50卡为红色bypass报警，25卡有ok绿灯闪闪发光。正常情况下，50卡无旁路报警，25卡ok绿灯常亮。 解决方法： HMI探头无读数：首先检查机柜端3500机架卡是否有故障ok灯是否快速闪亮(每秒5次)或红色bypass(旁路)报警。若有，初步判断该卡件及附件的探头回路可能异常。断开I/O背板现场设备端，自检卡（如下图所示）。如果通过自检，卡本身没有问题，然后连接到现场设备端。如果自检失败，则表明故障来自探头控制电路。检查现场接线是否松动，压缩机现场侧是否有短路或断路，检查前放大器和探头是否有故障。 HMI探头有读数但不准确:探头到机柜控制电路需要现场校准。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。 径向振动试验： 首先检查现场接线箱的接线，拆下需要测试的现场振动探头与前置器之间的接线TK-3e上的探头用相应长度的延长线与该接线端子连接。 UCP机柜关闭开关端子，调整TK-3e测量基准点为-10.00v左右(信号中间值在-10附近)，后台准备好后开始测试。 根据探头的范围、报警值和跳车值选择试验点，慢慢移动探头位置，从低到高测试，看看报警值是否报警，跳车值是否跳，重复一次。 恢复原接线已完成测试。
图3 键相25卡故障后，模块自检 位移测试： 首先检查现场接线箱的接线，拆下需要测试的现场振动探头与前置器之间的接线TK-3e位移探头用相应长度的延长线连接接线端子。 UCP机柜关闭开关端子，调整TK-3e测量基准点为-10.00v左右(信号中间值在-10附近)，后台准备好后开始测试。 测试点根据探头的范围、报警值和跳跃值选择，慢慢移动探头位置，从低到高测量，看看报警值是否报警，跳跃值是否跳跃。记录现场实际位移与反馈给背景的位移之间的偏差。 回到基准点，向相反的方向移动探头，从低到高测量，看看报警值是否报警，当达到跳跃值时是否跳跃。记录现场实际位移与反馈给背景的位移之间的偏差。 恢复原接线已完成测试。 如果测试成功，说明前放大器到机柜端的电路正常，原因应该是探头本身无法正常显示。探头需要线性灵敏度测试(表1)。 总之，探头异常的处理方法有： 卡本身损坏，更换卡，重新组装和安装测试； 燃烧机柜内的安全隔离栅，更换隔离栅； 如果电路接地短路，更换电缆； 前置放大器损坏并更换相应规格的前置放大器； 松动的探头导致读数不准确，重新安装探头，探头磨损，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 压缩机系统有4套液位计，高油箱LIT130A/B,润滑油撬体LIT301A/B。 以高位油箱液位为例，正常启动前应确保液位大于或等于60%。当液位计显示异常时，应校准液位计。由于设备的限制，无法当场校准。设置校准浮筒模拟实际装置，测试液位计。校准浮筒油为润滑油撬油。试验开始前，通过计算确定浮子与上固定点之间的距离。 工具：万用表，Fluke 744、HART375 标定步骤： 校准点在浮筒外标记:100%、60%(与报警值有关)、0%，百分比表示浮子浸没深度。浮筒底部开口用透明软管连接，浮筒油位按U管原理观察。 拆卸液位计电子显示表，找出控制电路，将744连接到电路中，设置744，提供244V电源在744上显示电路中的信号电流值(4ma-20ma）。 将HART375接入电路，选择online改变仪器本身的模式HART375在4MA和20MA设定值为0%液位HART该点设置在375中4MA将油加到100%的液位HART该点设定在375中20MA值。 出厂前标定液位计的介质为水(密度1)，现场介质为油(密度0.82)。因此，在现场校准过程中，将375仪器的校准密度改为0.82。 当仪器显示浸没深度大于100%时，从软管放油到100%油位HART375也在100%左右后设置为20ma。 校准量程后，检查仪表显示的电流值是否在特定点的60%为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 输入表决模拟量（Block5、6、7）方法与上述离散数字相似。区别在于三选二选择中间值。异常情况下，双冗余状态为最低值、最高值或平均值，默认状态为最终值、最小值或最高值。不再重复了.
表3 模拟量输入模块Block5&6&7 从上表可以看出，压缩机驱动端、非驱动端的主泄漏压力、润滑油头和干气密封隔离气压模拟量的冗余特点是：传感器的三倍冗余，GMR输入Block单倍冗余，PLC双重冗余，在GMR在程序中进行三选二表决，不考虑经济因素，严格输入Block需要三倍冗余，只有这样，整个系统的冗余度才能达到真正的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