揭開自動化冗余的神秘面紗
我從自動化行業的一些新用戶那里聽說，他們僅僅只了解工業自動化中一些使用的產品技術，對于那些技術的概念卻一知半解。
而今天這篇文章就旨在幫助那些不熟悉工業自動化領域的一些專業人士，無論是在職業生涯的開始，還是從IT或者其他背景進入到操作技術（OT）世界的你們。
在這篇文章中，我將討論冗余問題。這個術語經常被廣泛使用，有時它可以是一個簡單的應用程序，但它也可以快速解釋為具有大量技術細節的復雜討論問題，它的存在比一篇博客文章關于它所能涵蓋的范圍更廣。
我的重點是深入了解使用冗余的原因，推動冗余程度的業務因素，自動化系統中的類型或級別，以及自動化軟件系統實施的注意事項。
什么是冗余？
冗余是指系統中的備份組件可以在主要組件發生故障時接管它們的工作。但是備份哪些組件？我會說，任何對你的操作至關重要的組件，都可能是一個會阻止整個過程的單點故障。
我們可以看到人們在冗余系統中實現的一些組件包含但不限于:
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物理網絡
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網絡適配器，網卡（NIC）
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PLC的
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輸入傳感器
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輸出控制設備
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OPC服務器軟件
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物理服務器
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HMI / SCADA操作員站和服務器
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電源/ UPS
失敗，碰撞和后果的要點
冗余的目標是消除單點故障，并為你的過程提供可靠的正常運行時間。在考慮你的冗余需求時，你應該檢查整個系統，并了解任何一個部分失敗后的后果。非計劃停機的一些主要后果是以生產能力的損失，生產廢料以及工人和設施安全等因素來衡量。這些因素的業務成本越高，冗余對于最大化系統生產至關重要的可能性就越大。
你可以在冗余上花費的數量沒有限制，但所有決策都必須考慮在沒有冗余系統的情況下失敗的代價。
冗余中的常見術語是“碰撞”。“碰撞”是指過程中斷，例如計劃外停機，機器停機。每個工業過程在碰撞的后果方面都是不同的。如果你處于連續鋼板生產過程中，輸入原材料流量恒定，連續鋼板輸出，下游機器將鋼材切割成不同尺寸，你可以想象任何一個部件的停工都會造成多么大的破壞！
連續過程通常會使用累加器來緩沖一定數量的產品以允許短暫停止或暫停，但即便是那些只能走到這一步。在紙張生產中，其涉及將濕紙漿連續進料到以極高速度移動的幅材上，超過幾百毫秒的碰撞可能都是不被接受的。你的生產過程可以承受的“碰撞”越短，那么你的自動化系統中的冗余就越重要。
影響冗余要求的另一個因素是：如果生產過程停止，重新啟動生產過程需要多長時間。在關閉后，有一些連續的過程可能需要數小時甚至數天才能重新啟動。重啟的時間越長，冗余就越重要。
同樣，過程關閉的要求也很重要。化學品和煉油的過程無法做到以無序方式關閉而不會造成災難性后果。通過這些系統，你將找到專業供應商，他們制造三重冗余安全關閉系統，具有三重冗余輸入和輸出，以及復雜的三分之二投票方案，以確保無論如何都能使該過程有序地降低！從邏輯上講，在完全冗余的系統中是沒有單點故障的。每個硬件或軟件組件都需要是冗余的，或者根據需要支持冗余架構。
作為控制工程師，你的工作是尋找適合你流程的冗余級別，然后確定最有可能導致故障的系統組件，并且這些組件需要多少冗余才能達到預期的系統可靠性水平。
故障轉移，故障恢復，可見性
一旦了解了要冗余的內容，接下來要做的就是必須決定何時以及如何在系統之間進行故障轉移。你需要確定將使用哪些信號和標準來確定一個主系統不可用？這些信號能夠以足夠快的速度告訴你，以確保你的故障轉移，而不會在你的過程中造成不可接受的碰撞嗎？選擇正確的標準和信號是一種謹慎的平衡。如果你選擇過于敏感的東西，你可能會得到誤報并產生不必要的故障轉移。如果它們不夠敏感，你會得到不必要的碰撞。
你需要決定哪個系統將決定故障轉移到備份系統。如果發生這種決定，將針對每個流程和應用程序以及可接受的碰撞時間而定。
對于非常重要的事情，你顯然希望確保合適的人知道故障轉移已經發生，何時以及為什么，以便他們可以采取措施來修復主系統，并為備份系統可能出現的更大問題做好準備，然后做到失敗只在主服務器返回服務之前。 要做到這一點，那些決定故障轉移的系統應提供可由警報系統監視的數據，這些警報系統會向正確相關的人員發送電子郵件，短信或其他提示。這些系統甚至可能具有生成通知的內置功能。 關鍵是你必須隨時了解系統狀態，以及一些主動通知異常狀態的方法。
接下來你需要決定，我怎么知道主系統又回來了？你是否希望主系統在返回時成為新的輔助系統，或者你是否希望在主系統返回指定的時間段后進程自動故障回復到主系統？你是否希望被告知主系統已經返回，然后手動故障回復到主系統？在你開始選擇軟件和硬件組件之前，這些都是你想要了解的因素。
接下來，讓我們探討一些常見的冗余區域，這些區域是用戶將軟件應用程序集成到自動化系統中時常聽到的。
網絡冗余
網絡冗余的目標是為了防止通過網絡丟失與其他系統的連接。這對你來說是否重要主要取決于你運行的系統類型。獨立的HMI與單個PLC通信，直接連接到PLC，否則只能將網絡訪問作為“不錯的”功能，可能不需要冗余。
具有多個操作員站，通過以太網連接的多個PLC，通過以太網連接到驅動器的PLC，多個服務器或系統間通信的系統可能具有嚴重的冗余要求。如果失去網絡連接則意味著你的過程可能會停止和失控，與此相關的成本是不可被接受的，那么你此時將需要擁有一個冗余網絡。
這可能涉及冗余網絡布線，交換機，可能的環網以及任何其他網絡基礎設施，以確保即使網絡中的一個網絡出現故障，網絡流量也將始終有效。目標是提供冗余通信路徑。
在PC或服務器級別，你可能需要計算機中的冗余網卡（NIC）。這樣，如果主NIC失敗，則網絡流量可以使用備份NIC。
無論你擁有多少冗余，你用于數據收集，記錄和報告的軟件都需要能夠通過故障轉移順利地與你的架構協同工作。網絡基礎設施的某些部分對計算機和軟件是透明的，并且可能不需要軟件中的任何特殊功能。通常來說，冗余網絡交換機屬于此類別。
當你開始在計算機中使用冗余網卡以及具有不同IP地址的冗余網絡路徑到達同一目標設備時，你的數據收集軟件（如OPC服務器軟件）可能需要進行設置以了解何時應該將故障轉移到備份網絡。
控制硬件冗余
運行對生產至關重要的任務的PLC也很常見。其想法是為控制設備提供冗余。通常，這是你的數據收集軟件還需要支持冗余的區域。
如果你正在使用OPC服務器軟件，并且具有冗余PLC，那么與這些PLC通信的軟件必須能夠支持該架構。軟件需要知道哪個PLC是主PLC，哪個是次級PLC，什么條件會導致故障轉移到輔助PLC，以及何時切換回主PLC。
理想情況下，該軟件還將為你提供在HMI，SCADA或報警系統中監視和顯示OPC服務器與之通信的PLC（主要或次要）的方法。
軟件和IT硬件系統冗余
我們不想在這里停下來讓我們的OPC服務器運行的計算機成為單點故障。這意味著我們需要冗余PC上的冗余OPC服務器。為此，我們的OPC客戶端能夠支持冗余OPC服務器。
支持冗余OPC服務器意味著OPC客戶端 - 你的HMI / SCADA系統，報警系統，MES系統或其他系統 - 將需要知道與哪個OPC服務器進行通信。你還需要確定是否希望兩個OPC服務器同時輪詢你的設備，或者你是否希望一個OPC服務器進行輪詢，備份是否處于備用狀態而不是輪詢。通過管理OPC服務器中項目的活動狀態，這是 OPC 客戶機在 OPC 主從式架構（OPC客戶端到OPC服務器）中的責任，因此有可能實現上述兩種情況。
大多數OPC客戶端不處理冗余管理的這些細節。一些HMI / SCADA系統支持冗余，但有時它涉及腳本和其他自定義編寫的代碼。因此，在許多情況下，你需要一個軟件來管理和優化與兩個OPC服務器的連接。你的OPC客戶端與冗余管理軟件對話，就好像它是實際的OPC服務器一樣。
顯然，有很多與這些配置相關的細節超出了我這篇文章所能涵蓋的范圍。冗余可以很簡單，也可以根據你的業務需求迅速變得復雜。去仔細考慮，了解你的業務需求，并了解你當前的應用程序在冗余方面可以處理和不能處理的內容是非常重要的。
目前有現成的軟件應用程序，如TOP Server，可以幫助你管理冗余要求。
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