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我從自動化行業(yè)的一些新用戶那里聽說，他們僅僅只了解工業(yè)自動化中一些使用的產(chǎn)品技術(shù)，對于那些技術(shù)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(yè)自動化領(lǐng)域的一些專業(yè)人士，無論是在職業(yè)生涯的開始，還是從IT或者其他背景進(jìn)入到操作技術(shù)（OT）世界的你們。 在這篇文章中，我將討論冗余問題。這個術(shù)語經(jīng)常被廣泛使用，有時它可以是一個簡單的應(yīng)用程序，但它也可以快速解釋為具有大量技術(shù)細(xì)節(jié)的復(fù)雜討論問題，它的存在比一篇博客文章關(guān)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(yè)務(wù)因素，自動化系統(tǒng)中的類型或級別，以及自動化軟件系統(tǒng)實施的注意事項。 什么是冗余？ 冗余是指系統(tǒng)中的備份組件可以在主要組件發(fā)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(guān)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(tǒng)中實現(xiàn)的一些組件包含但不限于:
失敗，碰撞和后果的要點冗余的目標(biāo)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(yīng)該檢查整個系統(tǒng)，并了解任何一個部分失敗后的后果。非計劃停機(jī)的一些主要后果是以生產(chǎn)能力的損失，生產(chǎn)廢料以及工人和設(shè)施安全等因素來衡量。這些因素的業(yè)務(wù)成本越高，冗余對于最大化系統(tǒng)生產(chǎn)至關(guān)重要的可能性就越大。 你可以在冗余上花費的數(shù)量沒有限制，但所有決策都必須考慮在沒有冗余系統(tǒng)的情況下失敗的代價。 冗余中的常見術(shù)語是“碰撞”?！芭鲎病笔侵高^程中斷，例如計劃外停機(jī)，機(jī)器停機(jī)。每個工業(yè)過程在碰撞的后果方面都是不同的。如果你處于連續(xù)鋼板生產(chǎn)過程中，輸入原材料流量恒定，連續(xù)鋼板輸出，下游機(jī)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(xù)過程通常會使用累加器來緩沖一定數(shù)量的產(chǎn)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(chǎn)中，其涉及將濕紙漿連續(xù)進(jìn)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(chǎn)過程可以承受的“碰撞”越短，那么你的自動化系統(tǒng)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(chǎn)過程停止，重新啟動生產(chǎn)過程需要多長時間。在關(guān)閉后，有一些連續(xù)的過程可能需要數(shù)小時甚至數(shù)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(guān)閉的要求也很重要?；瘜W(xué)品和煉油的過程無法做到以無序方式關(guān)閉而不會造成災(zāi)難性后果。通過這些系統(tǒng)，你將找到專業(yè)供應(yīng)商，他們制造三重冗余安全關(guān)閉系統(tǒng)，具有三重冗余輸入和輸出，以及復(fù)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(tǒng)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(jù)需要支持冗余架構(gòu)。 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(dǎo)致故障的系統(tǒng)組件，并且這些組件需要多少冗余才能達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)可靠性水平。
故障轉(zhuǎn)移，故障恢復(fù)，可見性一旦了解了要冗余的內(nèi)容，接下來要做的就是必須決定何時以及如何在系統(tǒng)之間進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移。你需要確定將使用哪些信號和標(biāo)準(zhǔn)來確定一個主系統(tǒng)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)和信號是一種謹(jǐn)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(chǎn)生不必要的故障轉(zhuǎn)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(tǒng)將決定故障轉(zhuǎn)移到備份系統(tǒng)。如果發(fā)生這種決定，將針對每個流程和應(yīng)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(zhuǎn)移已經(jīng)發(fā)生，何時以及為什么，以便他們可以采取措施來修復(fù)主系統(tǒng)，并為備份系統(tǒng)可能出現(xiàn)的更大問題做好準(zhǔn)備，然后做到失敗只在主服務(wù)器返回服務(wù)之前。 要做到這一點，那些決定故障轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)應(yīng)提供可由警報系統(tǒng)監(jiān)視的數(shù)據(jù)，這些警報系統(tǒng)會向正確相關(guān)的人員發(fā)送電子郵件，短信或其他提示。這些系統(tǒng)甚至可能具有生成通知的內(nèi)置功能。 關(guān)鍵是你必須隨時了解系統(tǒng)狀態(tài)，以及一些主動通知異常狀態(tài)的方法。 接下來你需要決定，我怎么知道主系統(tǒng)又回來了？你是否希望主系統(tǒng)在返回時成為新的輔助系統(tǒng)，或者你是否希望在主系統(tǒng)返回指定的時間段后進(jìn)程自動故障回復(fù)到主系統(tǒng)？你是否希望被告知主系統(tǒng)已經(jīng)返回，然后手動故障回復(fù)到主系統(tǒng)？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(qū)域，這些區(qū)域是用戶將軟件應(yīng)用程序集成到自動化系統(tǒng)中時常聽到的。 網(wǎng)絡(luò)冗余網(wǎng)絡(luò)冗余的目標(biāo)是為了防止通過網(wǎng)絡(luò)丟失與其他系統(tǒng)的連接。這對你來說是否重要主要取決于你運行的系統(tǒng)類型。獨立的HMI與單個PLC通信，直接連接到PLC，否則只能將網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)連接的多個PLC，通過以太網(wǎng)連接到驅(qū)動器的PLC，多個服務(wù)器或系統(tǒng)間通信的系統(tǒng)可能具有嚴(yán)重的冗余要求。如果失去網(wǎng)絡(luò)連接則意味著你的過程可能會停止和失控，與此相關(guān)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(wǎng)絡(luò)。 這可能涉及冗余網(wǎng)絡(luò)布線，交換機(jī)，可能的環(huán)網(wǎng)以及任何其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以確保即使網(wǎng)絡(luò)中的一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)流量也將始終有效。目標(biāo)是提供冗余通信路徑。 在PC或服務(wù)器級別，你可能需要計算機(jī)中的冗余網(wǎng)卡（NIC）。這樣，如果主NIC失敗，則網(wǎng)絡(luò)流量可以使用備份NIC。 無論你擁有多少冗余，你用于數(shù)據(jù)收集，記錄和報告的軟件都需要能夠通過故障轉(zhuǎn)移順利地與你的架構(gòu)協(xié)同工作。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的某些部分對計算機(jī)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(wǎng)絡(luò)交換機(jī)屬于此類別。
當(dāng)你開始在計算機(jī)中使用冗余網(wǎng)卡以及具有不同IP地址的冗余網(wǎng)絡(luò)路徑到達(dá)同一目標(biāo)設(shè)備時，你的數(shù)據(jù)收集軟件（如OPC服務(wù)器軟件）可能需要進(jìn)行設(shè)置以了解何時應(yīng)該將故障轉(zhuǎn)移到備份網(wǎng)絡(luò)。 控制硬件冗余運行對生產(chǎn)至關(guān)重要的任務(wù)的PLC也很常見。其想法是為控制設(shè)備提供冗余。通常，這是你的數(shù)據(jù)收集軟件還需要支持冗余的區(qū)域。 如果你正在使用OPC服務(wù)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(gòu)。軟件需要知道哪個PLC是主PLC，哪個是次級PLC，什么條件會導(dǎo)致故障轉(zhuǎn)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(tǒng)中監(jiān)視和顯示OPC服務(wù)器與之通信的PLC（主要或次要）的方法。
軟件和IT硬件系統(tǒng)冗余我們不想在這里停下來讓我們的OPC服務(wù)器運行的計算機(jī)成為單點故障。這意味著我們需要冗余PC上的冗余OPC服務(wù)器。為此，我們的OPC客戶端能夠支持冗余OPC服務(wù)器。 支持冗余OPC服務(wù)器意味著OPC客戶端 - 你的HMI / SCADA系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，MES系統(tǒng)或其他系統(tǒng) - 將需要知道與哪個OPC服務(wù)器進(jìn)行通信。你還需要確定是否希望兩個OPC服務(wù)器同時輪詢你的設(shè)備，或者你是否希望一個OPC服務(wù)器進(jìn)行輪詢，備份是否處于備用狀態(tài)而不是輪詢。通過管理OPC服務(wù)器中項目的活動狀態(tài)，這是 OPC 客戶機(jī)在 OPC 主從式架構(gòu)（OPC客戶端到OPC服務(wù)器）中的責(zé)任，因此有可能實現(xiàn)上述兩種情況。 大多數(shù)OPC客戶端不處理冗余管理的這些細(xì)節(jié)。一些HMI / SCADA系統(tǒng)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(yōu)化與兩個OPC服務(wù)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(wù)器一樣。 顯然，有很多與這些配置相關(guān)的細(xì)節(jié)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(jù)你的業(yè)務(wù)需求迅速變得復(fù)雜。去仔細(xì)考慮，了解你的業(yè)務(wù)需求，并了解你當(dāng)前的應(yīng)用程序在冗余方面可以處理和不能處理的內(nèi)容是非常重要的。
目前有現(xiàn)成的軟件應(yīng)用程序，如TOP Server，可以幫助你管理冗余要求。 |
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