今天，很多工程師對DCS和PLC的CPU冗余、電源冗余、輸入/輸出模塊冗余、甚至網(wǎng)絡(luò)冗余已經(jīng)有所了解了，它們位于自動化系統(tǒng)的1層（Level 1），見下圖，現(xiàn)在我們來討論一下2層和以上部分的冗余問題。這些部分包括：監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計劃（ERP）等系統(tǒng)。

 

工業(yè)自動化需要高等級的可靠性，這個需求擴展到計算硬件和軟件--也具有高可用性。在低層系統(tǒng)，組件使用高可用性設(shè)計，諸如嵌入式控制器，已經(jīng)有多年的歷史。但今天的人們期望自動化系統(tǒng)能執(zhí)行更多的任務(wù)－諸如與后端數(shù)據(jù)庫交換信息－成為不斷集成和智能架構(gòu)的一部分。

比如一家汽車生產(chǎn)商，在安裝安全氣囊時，需要記錄每個裝配螺釘?shù)霓D(zhuǎn)矩值，并把這個信息發(fā)送到公司的數(shù)據(jù)庫。如果這個數(shù)據(jù)在制造過程中變得不靠譜，在系統(tǒng)運行時引起失效，后果會非常嚴重。為了在制造過程中找出不能滿足規(guī)范的原因，工廠可能不得不停止生產(chǎn)線，請相關(guān)技術(shù)人員查找問題所在。對于某些流程行業(yè)，諸如制藥行業(yè)，糟糕的數(shù)據(jù)可能意味著一整批已經(jīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品必須廢棄。 

因為自動化系統(tǒng)要做很多的事情，所以系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。公司必須經(jīng)常對系統(tǒng)進行評估，發(fā)現(xiàn)問題所在，找出提高效率方法，在計算架構(gòu)中建立高可靠性和高可用性的冗余是減少停機時間、提高整體生產(chǎn)率的方法之一。

建立高可用性

為了找到在一個系統(tǒng)中需要的冗余點，最好從有軟件環(huán)境的高層開始。考查高層子系統(tǒng)，諸如數(shù)據(jù)庫和管控臺，對需要高可用性的地方進行優(yōu)先排序。如果一個特定的子系統(tǒng)需要連續(xù)的信息更新，數(shù)據(jù)存儲對這個子系統(tǒng)而言，應(yīng)該具有高可用屬性。相反，管控臺為操作員提供人機界面，能夠與現(xiàn)場信息互動，反應(yīng)速度不是很快，所以不需要最高的可用性。

下一步是對多個子系統(tǒng)制定不同可用性等級的策略。如果某個數(shù)據(jù)庫必須要高可用性，并且由多個服務(wù)器支持，功能怎樣分布到各服務(wù)器－特別是如果其中的一臺失效了怎么辦？這些都是策略要考慮的問題。對服務(wù)器實施高可用性有幾種可選方法，包括軟件和硬件的解決方案。 

在軟件領(lǐng)域，市場銷售的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫很多都包含了群件功能，這意味著在集群機器中，能夠?qū)崿F(xiàn)從失效節(jié)點到不同節(jié)點的自動切換。很多虛擬化產(chǎn)品也具有這樣的切換能力，這個功能能使企業(yè)快速啟動應(yīng)急預(yù)案，執(zhí)行備份解決方案，自動調(diào)出新的虛擬實例，這是在配置時事先要完成的特定角色。 

 

虛擬化允許不同類型的軟件棧使用統(tǒng)一的方法管理，這在老子系統(tǒng)和新子系統(tǒng)需要共存的情況下，是非常適合的。當(dāng)失效發(fā)生時，同類系統(tǒng)的單一應(yīng)用框架能夠把需要的預(yù)備應(yīng)用切到一個新服務(wù)器上。

這些解決方案的每個性能都不一樣，差別巨大。一個全部冗余的硬件集群方案僅需要1秒或2秒完成切換，而由一個應(yīng)用容器檢查到問題，然后轉(zhuǎn)移至一個新服務(wù)器可能需要30秒。選擇方案是否能滿足響應(yīng)要求在設(shè)計階段是非常關(guān)鍵的，因為要改變一個冗余的架構(gòu)層，可能需要對整個系統(tǒng)重新設(shè)計一次。

要注意的是，在集群的子系統(tǒng)內(nèi)操作時，需要堅持一些原則，諸如最小化狀態(tài)和無擾動切換。有可能的話，使服務(wù)中的狀態(tài)信息最小化，并存放在公共存儲器中。對于不能完全轉(zhuǎn)移到公共存儲器的信息，非易失性存儲結(jié)合一種復(fù)制策略，可以實現(xiàn)節(jié)點失效的影響最小化。

當(dāng)一個托管數(shù)據(jù)庫實例系統(tǒng)停機時，他可能處于最后交易的一半寫狀態(tài)。當(dāng)新節(jié)點接入后，方案應(yīng)設(shè)計成能夠滾動返回操作，已交易部分應(yīng)避免重復(fù)輸入，不然會使記錄的不正確率增高。錯誤數(shù)據(jù)的影響可能是災(zāi)難性的。如果不能找到制藥生產(chǎn)過程的正確歷史，制造商可能不得不召回一整批次產(chǎn)品，價值可能有幾百萬美元。

配置硬件冗余

系統(tǒng)除了在軟件級上建立高可用性外，硬件應(yīng)確保不會因任意單點失效而使系統(tǒng)宕機。企業(yè)應(yīng)能通過硬件冗余防止系統(tǒng)失效，并能實現(xiàn)在線可維護。在服務(wù)器級，冗余是確保運行連續(xù)、可靠計算和數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)。 

冗余硬件的組件應(yīng)該包括：

● 冗余服務(wù)器和熱插拔機架、冷卻風(fēng)扇；

● 冗余機架管理模塊；

● 標(biāo)準(zhǔn)N-1冗余，熱插拔電源；

● 可選冗余隨機存儲器（RAM）；

● 帶熱插拔硬盤的冗余存儲；

● 電池支持的磁盤冗余陣列（RAID）緩存；

● 冗余網(wǎng)絡(luò)接口；

● 冗余熱插拔更換模塊。

 

決定在哪里投資

冗余是避免的中斷和宕機的基礎(chǔ)，特別在自動化的制造和生產(chǎn)中。但很少有組織在每個運行部分建立相同等級的冗余，這是因為資金和資源都是有限的，另外對不同子系統(tǒng)可用性的要求也是不一樣的。由于基礎(chǔ)設(shè)施的不斷集成和智能化，公司有機會不斷改變系統(tǒng)的架構(gòu)，可用性不但依靠處理器和存儲器，也要依靠建立的數(shù)據(jù)庫、接口和應(yīng)用的冗余。

 

關(guān)鍵是選擇在哪里實施冗余。從整個系統(tǒng)的開始，評估哪個子系統(tǒng)需要高可用性，結(jié)合考慮軟件環(huán)境和硬件域，企業(yè)能夠達到他們所需要的高可用性，同時降低停機造成的損失。